DE844922C

DE844922C - Magnetostriktive Anordnung zur Erzeugung zeitverzoegerter elektrischer Zeichenspannungen

Info

Publication number: DE844922C
Application number: DEH6207A
Authority: DE
Inventors: Alan Hazeltine
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1947-11-12
Filing date: 1950-10-03
Publication date: 1952-07-28
Also published as: BE485772A; NL72352C; GB654903A; FR974858A; NL143273B; US2526229A

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetostriktive Anordnung zur Erzeugung zeitverzögerter elektrischer Zeichenspannungen, insbesondere von Spannungsimpulsen.

Eine genau bestimmte zeitliche Verzögerung von Spannungsimpulsen ist in vielen Fällen erwünscht. Beispielsweise können in Fernsehgeräten verzögerte Impulse vorteilhaft zur Steuerung der Empfindlichkeit von Abtastspannungserzeugern verwendet werden, um den nachteiligen Einfluß von Störspannungen auszuschalten. Bei Peil- und Navigationsemrichtungen können Zeiträume, deren Dauer das gesuchte Meßergebnis liefert, durch die Verwendung von Zeitverzögerungseinrichtungen mit bekannter Verzögerungscharakteristik leicht bestimmt werden.

Die meist verwendete bekannte Anordnung zur Erzeugung zeitverzögerter Impulse besteht aus einer Übertragungsleitung oder aus einem eine Leitungsnachbildung darstellenden Netzwerk, das aus ao Längsspulen und Querkondemsatoren zusammengesetzt ist. Die durch diese Einrichtungen bewirkte Zeitverzögerung ist proportional der Quadratwurzel aus dem Produkt der gesamten Reiheninduktivität und der gesamten Nebenschlußkapazatät. as Hieraus ergibt sich, daß es zur Erreichung großer zeitlicher Verzögerungen umfangreicher Einrichtungen bedarf. Ein weiterer Nachteil dieser Ein-

richtung ist, daß sie die Impulse mit zunehmender zeitlicher Verzögerung immer mehr verzerren, es sei denn, daß man dies durch sehr sorgfältige Ausführung der Konstruktion und durch die Verwen- · dung von phasenausgleichenden Mitteln vermeidet. Eine weitere bekannte Verzögerungsanordnung l>esteht aus einem Stab aus magnetostriktivem Stoff sowie aus einer mit einem Teil dieses Stabes magnetisch gekoppelten Erregerspule und einer Empfängerspule, welche mit einem Teil des Stabes magnetisch gekoppelt ist, der vom erstgenannten Teil des Stabes einen gewissen Abstand hat. Ein der Erregerspule zugeführter Stromimpuls ruft in dem Stab durch Magnetostriktion eine wellenförmig fortschreitende Deformation hervor, die. sich von der Erregerspule ausgehend entlang des Stabes in beiden Richtungen fortpflanzt. Sobald diese Deformationswelle denjenigen Teil des Stabes erreicht, mit dem die Empfängerspule gekoppelt ist, wird' sie so durch magnetostriktive Wirkung wieder in einen elektrischen Impuls umgeformt, der aus der Empfängerspule entnommen werden kann. Die zeitliche Verzögerung des auf diese Weise erzeugten Impulses gegenüber dem 'zugeführten Erregerimpuls wird durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Deformationswelle im magnetostriktiven Stoff und durch den gegenseitigen Abstand zwischen der Erregerspule und der Empfängerspule bestimmt. Nachdem die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Deformationswelle ziemlich klein ist, ist eine eine bestimmte Zeitverzögerung bewirkende Einrichtung dieser Art erheblich kleiner und billiger als ein dieselbe Zeitverzögerung bewirkendes elektrisches Verzögerungsnetzwerk. Die bekannten magnetostriiktiven Verzögerungsanordnungen haben jedoch den Nachteil, daß sie zur Erfüllung hoher Anforderungen an die Flankensteilheit, die Amplitudengröße und die Verzerrumgsfreiheit der Impulse nicht geeignet sind.

Der vorgenannte Nachteil der bekannten magnetostriktiven Verzögerungsanordnung wird erfindiungsgemäß dadurch beseitigt, daß die in der Fortpflanzungsrichtung der Deformationswelle gemessene Länge der beiden Abschnitte des magnetostriktiven Körpers, mit welchen die Erreger- und Empfängerspulen magnetisch gekoppelt sind, im wesentlichen gleich groß gemacht wird.

Die Erfindung wird an Hand ihrer in der Zeiqhnung dargestellten Ausführungsibeispiele näher erläutert.

Die in der Fig. 1 dargestellte magnetostriktive Verzögerungsanordnung enthält einen länglichen ■Körper 10 aus magnetostriktivem Stoff, z. B. aus Nickel oder aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die etwa 45 bis 70⁰/o Nickel enthalten kann. Der Körper 10 besteht aus Lamellen, deren Dicke sehr klein im Verhältnis zu ihrer Breite W ist. Diese dünnen Lamellen, die voneinander elektrisch isoliert sind, sind erforderlich, damit der im Körper 10 entstehende magnetische Fluß den ganzen Querschnitt dieses Körpers gleichmäßig durchsetzt. Dies wird erreicht, wenn die Dicke der Lamellen etwa das Doppelte der magnetischen Eindringtiefe bei der Betriebsfrequenz der Einrichtung beträgt. Die Eindringtiefe ist sowohl von der Leitfähigkeit und von der Permeabilität der Lamellen, als auch von der Betriebsfrequenz abhängig. Unter der Permeabilität wird hier die Wechselstrompermeabilität im Gegensatz zu Gleichstrompermeabilität verstanden, während als Betriebsfrequenz diejenige Frequenz gilt, deren entsprechende I'eriodendauer etwa das Doppelte der Impulsdauer beträgt. ■ Im Körper 10 sind zwei gleiche, längliche Schlitze 12 und 13 vorgesehen, deren gegenseitiger Abstand der Größe der gewünschten zeitlichen Verzögervmg entspricht. Die Länge dieser Schlitze, die durch sämtliche Lamellen des Körpers 10 hindurchgehen, ist zweckmäßig größer als die Breite W der Lamelle.

Der Länge des Körpers 10 kommt keine besondere Bedeutung zu; sie muß nur groß genug sein, um die Anordnung der beiden Schlitze 12 und 13 in einem der gewünschten zeitlichen Verzögerung entsprechenden gegenseitigen Abstand zu ermöglichen. An jedem Ende des Körpers 10 werden durch die Teile 14 und 15 angedeutete Aufhängevorrichtungen angeordnet, um die Reflexionen der Deformationswelle auf einen annehmbaren Wert zu vermindern.

Die Erregerspule besteht aus zwei Wicklungen 20 und 21, die miteinander in Reihe geschaltet und um je einen der Teile des durch den Schlitz 12 geteilten Abschnittes des Körpers 10 gewickelt sind. Die Reihenschaltung der beiden .Wicklungen ist derart ausgeführt, daß die Ströme in diesen Wicklungen einander entgegengesetzte magnetische Flüsse hervorrufen, so daß der resultierende magnetische Fluß entlang der durch die gestrichelte Linie 23 angedeuteten Bahn verläuft. Der durch die Erregerspule direkt beeinflußte Abschnitt des Körpers 10 ist mit S\ bezeichnet. Um unerwünschte elektrische Schwingungen zu unterdrücken, ist es insbesondere in dem Fall der Übertragung von sehr kurzen Impulsen von einer Dauer von beispielsweise 1 Mikrosekunde vorteilhaft, wenn die Erregerspule 20, 21 eine Resonanzfrequenz hat, die einer Periodendäuer entspricht, welche gleich dem Doppelten der Dauer der zu übertragenden Impulse ist.

Die Erregerspule 20, 21 ist an eine Pentode 24 angeschlossen, deren Kathode geerdet und deren Anode über die Erregerspule und einen entkoppelnden Widerstand 25 mit einer Spannungsquelle +B verbunden ist. Das Bremsgitter der Röhre 24 ist direkt mit der Kathode verbunden und das Schirmgitter steht über einen spannungsvermindemden Widerstand 26 und über den Widerstand 25 mit der Spannungsquelle -\~B in Verbindung. Die Kondensatoren 27 und 28 sind Ül>erbrückungskondensatoren, die dazu dienen, die Anode und das Schirmgitter voneinander und von der Spannungs- 1»° quelle -fß zu entkoppeln. Eine an das Steuergitter der Röhre über einen Gitterwiderstand 29 angeschlossene Vorspannungsquelle —E_c hält die Röhre in der Abwesenheit von zugeführten Zeichenspannungen gesperrt. Die Gleichstromkomponente der Anoden-stromimpulse durchfließt die Erregerwick-

hingen 20, 21 und ist gewöhnlich ausreichend, um einen geeigneten, polarisierenden magnetischen Fluß im Abschnitt S₁ des Körpers 10 zu erzeugen. Dieser Fluß kann gegebenenfalls dadurch verstärkt werden, daß man die Röhre 24 während der Impulspause schwach durchlässig macht. Die zu übertragenden Impulse werden der Röhre 24 über die Klemme 30 zugeführt.

Die mit dem Abschnitt S₂ des Organs 10 magnetisch gekoppelte Empfängerspule besteht aus den beiden Wicklungen 40 und 41, die ebenso angeordnet und geschaltet sind wie die Wicklungen 20 und 21 der Erregerspule. Infolge des gegenläufigen Wicklungssinnes der Wicklungen 20 und 21 bzw. 40 und 41 ist die direkte magnetische Kopplung zwischen den beiden Spulen sehr gering. Kopplungen anderer Art zwischen ihnen können durch geeignete Abschirmmittel l>eseitigt werden. Die Empfängerspule kann diesell>e Resonanzfrequenz haben wie die der Erregerspule. Zwecks Erzeugung eines polarisierenden magnetischen Flusses im Abschnitt S₂ des Organs 10 ist an die Empfängerspule über einen Widerstand 42 eine Gleichstromquelle E angeschlossen. Hierdurch wird im Abschnitt S₂ die durch die gestrichelte Linie 43 angedeutete Magnetisierung erzielt. Zur Spule ist ein aus einem Dämpfungswiderstand 44 und einem Kondensator 45 bestehendes Netzwerk parallel geschaltet, um die nachhallenden Schwingungen in der Empfängerspule abzudämpfen. An die Empfängerspule ist das Steuergitter einer Pentode 50 angeschlossen, deren Kathode über einen Widerstand 51 mit parallel geschaltetem Kondensator 52 geerdet ist. Die Anode der Röhre ist einesteils über einen Arbeitswiderstand 53 an eine Spannungsquelle + B und andererseits über einen Kondensator 54 an eine Ausgangsklemme 55 angeschlossen.

Die Wirkungsweise der Anordnung soll zunächst an Hand der Fig. 2 erläutert werden, welche die Vorgänge darstellt, die sich bei der Zuführung eines Erregerstromes von der Form der Kurve A₁ zur Eingangsklemme 30 ergeben. Der durch die Wicklungen 20, 21 fließende Erregerstrom ändert den magnetischen Fluß im Abschnitt S₁ des Organs 10 und ruft in diesem eine Deformation in der Längsrichtung des Körpers, beispielsweise ein Zusammenziehen, hervor. Infolge dieser Deformation entstehen im Kör[)er 10 zwei gleiche Deformationswellen, die sich im Körper 10 zu beiden Seiten der Spule 20, 21 in entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen, und zwar mit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit in m/sec:

worin· £ die Elastizitätskonstante des Körpers 10 in mkg/sec² je Quadratmeter und ρ die Dichte des Körpers in Kilogramm je Kubikmeter ist. Normalerweise beträgt diese Fortpflanzungsgeschwindigkeit etwa 4500 Meter je Sekunde.

Die sich in Richtung der Aufhängevorrichtung 14 fortpflanzende Deformationswelle wird am Ende des Kör|)ers 10 unterdrückt und findet keine Verwendung. Die durch die Kurve B₁ dargestellte Deformationswelle, die sich in Richtung der Empfängerspule fortpflanzt, ist diejenige, die ausgenutzt wird. Die vordere Flanke der Welle entsteht am inneren Ende des Abschnittes S₁, während ihre hintere Flanke am äußeren Ende dieses Abschnittes entsteht. Infolgedessen ist die Länge der Deformationswelle entlang des Körpers 10 in jedem Augenblick gleich der Länge des Abschnitts S₁. Die Zeit- · dauer bzw. Impulsdauer der Deformationswelle ergibt sich aus der Gleichung:

t -^

und zwar in Sekunden, wenn S_x in Meter angegel >en ist. Die Zeit, die die Deformationswelle zum Erreichen des Abschnittes S₂ braucht, ist:

Id =

(3)

S₂

worin Sd der in Meter ausgedrückte Abstand zwischen den Abschnitten S₁ und S₂ ist. Diese Zeit ist gleich mit der Verzögerungszeit der Einrichtung, und es zeigt sich, daß der Körper 10 bei Impulsdauern in der Größenordnung von einer Mikrosekunde und bei Verzögerungszeiten in der Größenordnung von 10 bis 100 Mikrosekunden handliche Abmessungen erhält.

Die durch die Kurve B₁ dargestellte Deformationswelle verändert die Permeabilität des Abschnittes S₂. Sie verändert daher den in diesem Abschnitt durch den polarisierenden Strom erzeugten magnetischen Fluß, und zwar in dem Zeitpunkt, in welchem die vordere Flanke der Deformationswelle das innere Ende dieses Abschnittes erreicht, tes S₁. In diesem Fall würde dann die Verkettung des magnetischen Flusses mit der Empfängerspule 40, 41 so lange, bis die hintere Flanke der Deformationswelle 'das innere Ende des Abschnittes S₂ erreicht. Um die Bedeutung der richtigen Bemessung der einzelnen Teile der Einrichtung aufzuzeigen, sei angenommen, daß die Länge des Abschnittes S₂ größer ist als diejenige des Abschnittes S₁. In diesem Fall würde dann die Verkettung des magnetischen Flusses mit der Spule 40, 41 konstant bleiben, bis die vordere Flanke 'der Deformationswelle das äußere Ende des Abschnittes S₂ erreicht, wonach sie sich bei der Annäherung der no hinteren Flanke der Deformationswelle an das äußere Ende des Abschnittes S₂ wieder ihrem ursprünglichen Wert nähern würde.

Die in der Spule 40, 41 induzierte Spannung ist von der Geschwindigkeit der Änderung des magne- _xlg tischen Flusses abhängig und besteht daher aus zwei Impulskomponenten einander entgegengesetzter Polarität, die in der Kurve D₁ mit Ft₁ und Pl₂ bezeichnet sind. Diese Impulskomponenten haben eine der Dauer t_w der Deformationswelle gleiche J₉₀ Dauer, und der zeitliche Abstand zwischen ihren Vorderflanken beträgt:

(4)

worin S₉ die Länge des Abschnittes 5", in Meter

ist. Diese induzierte Spannung wird über die Röhre 50 der Ausgangsklemme 55 zugeführt.

In den meisten Fällen ist es sehr erwünscht, daß die Vorderflanke des Ausgangsimpulses steil sei, d. h. daß die Spannung den Nullwert sehr schnell passiere. Diese steile Impulsflanke kann ohne Verminderung der Dauer oder der Amplitude des Impulses erreicht werden, wenn die Abschnitte S₁ und S₂ die gleiche Länge haben. Für diesen Fall gelten die in Fig. 3 dargestellten Verhältnisse.

Die Kurven der Fig. 3 sind denjenigen der Fig. 2 ähnlich und sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie jene. Die Kurve D₂ zeigt, daß die negative Impulskomponenite der in der Spule 40, 41 induzierten Spannung unmittelbar auf die positive Impulskomponente Pl₁ folgt, so daß also die Vorderflanke der negativen Impulskomponente sehr schnell durch den Nullwert geht. Diese Impulskomponente wird daher in dem an die Ausgangsklemme

ao 55 der Einrichtung abgeschlossenen Gerät verwertet. Der nützliche Impuls Pl₂ hat nicht nur eine sehr steile Vorderflanke, sondern bezeichnet auch eine sehr genau bestimmte zeitliche Verzögerung im Verhältnis zur Vorderflanke des erregenden

«5 Stromittipulses. Diese Verzögerung ist gleich der Fortpflanzungszeit im Zwischenabschnitt Sd des Körpers 10, zuzüglich der Impulsdauer tw

Falls der Erregerstrom die durch die Kurve A₃ in Fig. 4 dargestellte Impulsform hat, besitzt die im Abschnitt S₁ des Körpers 10 erzeugte Deformationswelle zwei Komponenten geiöher Dauer. Diese entsprechen der vorderen und der hinteren Flanke des erregenden Impulses, haben aber einander entgegengesetzte Polarität, wie dies die Kurve D₃ darstellt, weil die eine Flanke des erregenden Impulses im Abschnitt S_t eine Zusammenziehung und die andere eine Ausdehnung hervorruft. Wenn man wiederum annehmen wollte, daß der Abschnitt S₂ länger als der Abschnitt S₁ sei, so erhielte man die durch die Kurve D₃ dargestellte induzierte Spannung. Die ersten beiden Impulse Pl 1 und Pl₂ einander entgegengesetzter Polarität würden hierbei durch die Vorderflanke der Deformationswelle und die anderen beiden Impulse Pt₁ und Pt₂ einander emtgegengesetzter Polarität durch dde hintere Flanke der Deformationswelle erzeugt werden. Eine derartige Ausgangsspannung wäre erstens nicht eindeutig und hätte zweitens auch nicht die erwünschten steilen Impulsflanken.

Zwecks Erzielung der steilsten Ausgangsixnpulse und der steilsten Flanken dieser Impulse müssen die Abschnitte S₁ und S₂ die gleiche Länge haben, und die Dauer des Erregerimpulses muß gleich der Dauer t_w jeder Komponente der Deformationswelle sein. Mit anderen Worten, die Dauer des Erregerimpulses soll der Dauer des gewünschten Ausgangsimpulses entsprechen, und hierdurch ist bereits die Länge der Abschnitte S₁ und S_s festgelegt. Diese Bedingung ist nämlich erfüllt, wenn die Länge'dieser Abschnitte einer Fortpflanzungszeit entspricht, die der Dauer des Erregerimpulses gleicht. Die Kurven der Fig. 5 stellen die Verhältnisse in dem Fall dar, daß die Länge der Abschnitte S₁ und S₂ gleich ist und die Dauer des Erregerimpulses der Dauer der Deformationswelle entspricht. In diesem Fall erzeugt der durch die Kurve A_i dargestellte Erregerimpuls die durch die Kurve B₁ dargestellte Deformationswelle, die in der Spule 40, 41 die die Kurve Z)₄ dargestellte Spannung induziert. Der Impuls Pc hat sehr steile Vorder- und Hinterflanken und ist von einem vorlaufenden und einem nachlaufenden Impuls entgegengesetzter Polarität begleitet, wobei die Amplitude dieser letztgenannten Impulse nur die Hälfte der Amplitude des Impulses Pc beträgt, Die Größe der Amplitude des Impulses Pc ist darauf zurückzuführen, daß dieser Impuls einem Intervall entspricht, in welchem sich die durch die Vorder- und die Hinterflanke der Deformationswelle induzierten Spannungen addieren. Es kann zweckmäßig sein, hinter der Verstärkerröhre 50 einen Amplitudenbegrenzer vorzusehen, der die Impulse P_Ll und P_T2 unterdrückt und nur den Impuls Pc zur Ausgangsklemme 55 durchläßt. Es ist auch möglich, den Polarisationsstrom der Spule 40, 41 umzupolen, wobei dann die PoIarität der Impulse P_c, Pl₁ und Pt₂ ebenfalls umgekehrt wird. In diesem Fall kann die Röhre 50 selbst als Amplitudenbegrenzer betrieben werden und die Impulse Pl₁ und Pr₂ unterdrücken.

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetostriktive Anordnung zur Erzeugung zeitverzögerter elektrischer Zeichenspannungen, wobei ein magnetostriktiver Körper vorgesehen ist, der aus einer mit einem Abschnitt (S₁) desselben gekoppelten und unter der Einwirkung einer zugeführten Spannung eine längs des genannten Körpers fortschreitende Deformationswelle erzeugenden Magnetisierungswicklung sowie mit einer Induktionswicklung besteht, welche mit einem anderen, magnetisch polarisierten Abschnitt (S₂). des genannten Körpers gekoppelt ist, der einen gewissen Abstand (S₃) vom erstgenannten Abschnitt (6"_t) hat, so daß in der Induktionswicklung infolge der längs des zweitgenannten Abschnittes (S₂) fortschreitenden Deformationswelle eine Spannung induziert wird, welche gegenüber der der Magnetisierungswicklung zugeführten Spannung um diejenige Zeit verzögert ist, welche die Deformationswelle zur Überbrückung des Abstandes zwischen den genannten beiden Abschnitten (S₁ und S₂) des magnetostriktiven Körpers benötigt, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Fortpflanzungsrichtung der Deformationswelle gemessene Länge der beiden Abschnitte (S₁ und S₂) des magnetostriktiven Körpers, mit welchem die Erreger- und Empfängerspulen magnetisch gekoppelt sind, im wesentlichen gleich groß ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Wicklungen keine nennenswerte magnetische Kopplung besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, da-

durch gekennzeichnet, daß der magnetostriktive Körper aus Lamellen zusammengesetzt ist, deren Stärke senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der Deformationswellen etwa das Doppelte der Eindringtiefe des durch die Erregerspannung erzeugten magnetischen Feldes beträgt.

4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklung auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt ist, die einer Periodendauer entspricht, welche etwa das Doppelte der Impulsdauer beträgt.

5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jeder Wicklung der Fortpflanzungszeit der Deformationsvvelle entsprechend gewählt ist, derart, daß sie der Impulsdauer gleicht.

6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im magnetostriktiven Körper zwei Längsschlitze vorgesehen sind, deren Länge die Breite des Körpers übersteigt, wobei die beiden Wicklungen (S₁ und S₂) aus je zwei miteinander in Reihe geschalteten Teilen bestehen, die um die zu beiden Seiten der Schlitze liegenden Teile des magnetostriktiven Körpers gewickelt sind und in diesen beiden Teilen einander entgegengesetzt gerichtete magnetische Flüsse erzeugen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen