Устройство для измерения простран-ственных составляющих bektopa пере-менного магнитного поля

Устройство для измерения простран-ственных составляющих bektopa пере-менного магнитного поля

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОИ:КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскнк

Соцнапнстнчесннх

Ресиубпнк

<««>815688

« (« (51)pA. Кл.

G 01 и 33/02 (61) Дополнительное к авт. саид-ву(22) Заявлено 29.1178 (21} 2697885/13-21 с присоединением заявки Н2 (23) Приоритет—

Опубликовано 2 30 331. Бюллетень Ж 11

Дата опубликования описания 2 30 381

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (5З) УД (621. 317. . 44 (088. 8) (72} Авторы изобретения

Л.В. Артамоков и О. В. Федосеев

Ленинградский ордена Ленина и ордена Трудового

Красного Знамени государственный укирерситет им. A. A. Жданова (71} Заявитель

{ 54 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ

СОСТАВЛЯЮ ЦИХ ВЕКТОРА ПЕРЕМЕН НОГО

bIAE НИТНОГО ПОЛЯ

Изобретение относится к технике магнитных измерений и технике радиосвязи и предназначено для приема и измерения искусственных и естественных переменных магнитных полей на дви5 жущнхся косит елях приемно-измерит ельной аппаратуры: самолетах, вертолетах, кораблях — при геофизических съемках и приеме радиосигналов.

Известны устройства с предварительным электронным усилителем и защищающего от акустических и механических воздействий окружающей среды кожуха, который может быть установлен на корпусе носителя или буксироваться им на тросе-кабеле 1 1).

Недостаток указанных устройств заключается в невысокой точности измерений.

Известно также устройство, содержащее блок, жестко скрепленных первичных преобразователей, расположенных на подвеске в кожухе 2}.

Однако в указанном устройстве за счет отсутствия момента вращения не достигается пространственная стабилизация преобразователей относительно направления вектора измеряемого магнитного поля или его пространственных составляющих в заданных условиями из- ЗО мерекий направлениях, поскольку при случайных толчках или иных воздействиях большой интенсивности ка устройство преобразователи могут занять произвольное положение, не контролируемое в ходе измерений.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения пространственных составляющих вектора переменного магнитного поля, содержащим блок жестко скрепленных первичных преобразователей, расположенных на подвеске в кожухе с несущими элементами,.подвеска выполнена из шнурового амортизатора, концы которого закреплены на несущих элементах кожу ха, а средний отрезок закреплен на корпусе блока первичных преобразователей.

На фиг. 1 приведена конструкция устройства, на фиг. 2 — зпюры воэникакщих в приемно-измерительном канале напряжений во время измерений в сравнении с напряжениями, одно иэ которых характеризует измеряемое магнитное поле, а второе — процесс в приемно-измерительном канале при отсутствии предполагаемого устройства виб815688 роакустической защиты, на фиг. 3 кинематическая схема устройства.

Устройство состоит из несущего и защищающего блок преобразователей от механических и акустических воздействий окружающей среды кожуха 1 в виде удлиненной обтекаемой гондолы кругового поперечного сечения с хвостовым стабилизатором 2, которая усилена внутри продольными стяжками 3 и поперечными кольцами 4 жесткости. К несущим элементам 5 на шнуровом амортизаторе 6 подвешен блок 7 первичных преобразователей переменного магнитного поля. Электронные предварительные усилители 8 с подключенными к ним фильтрами высокой частоты, собран-"з ные на общем шасси, установлены в переднем отсеке 9 кожуха 1. Средний отрезо1< амортизатора б, прижатый к «орпусу блока 7 преобразователей узлом

10 крепления, вместе с его отрезками Щ от узла 10 до узлов 11 крепления на несущих элементах 5 кожуха и условной линией между центрами узлов 11 образуют обозначенный пунктиром силовой контур, особенностью которого является то, "rc в силу упругости его бокоВых стор н (отрезки узлов 11-10 и уз-. лов 10--. !1 амортизатора) Он обладает

СВОЙ(."т f> o I" н е тОлькО под а В л я т ъ и Ос ту и а. ющую с I:oñóöèõ элементов 5 Вибрацию, но и ВО танавливать > а >аяьную простраHc.r В-.:: пую Ориентацию блока 7 преобразо- :".т:.: ей, если Он Судет Выведен из нее „ rr;", n:. ., толчком, и ..: . и. Это сной— ство и .>Оэволяет использовать устройство не только для непосредственного подавления обусловленных Вибрацией помех, но и для стабилизации простра>зст вен:От о положения блока III>åoápàçoi>àт елей и следовательно, существенногого уменьшения погрешнос и измерения Щ пространственных составляющих вектора переменного магнитнoro ноля, связанной со случайнь»>и Отклонениями блока От заданной Ориентации Во Время движения.

Вместе с тем, самоориентация блока преобразователей беэ нарушения изло>бренного принципа может быть осуществлена с помощью двух амортизаторов, концы которых на блоке преобразователей жестко з акреплены в двух узлах, отнесенных друг от друга по поверхности блока. В этом случае отпадает необходимость использования отрезка, прижатого к поверхности блока (не показано). 55

РаГОта устройства = .Уществляется следующим образом.

Принимают и защищают От помех одну пространственную составляющую сигнала гармонического искусственного 60 источника, магнитное поле которого характеризуется гармоническим электрическим напряжением Е(t) на выходе преобразователя при условии, если на него не воздействует вибрацион- 65 ная помеха (фиг. 2а) . В процессе движения Во время измерений кожух 1 (гондола) испытывает непрерывные и импульсные виброакустические воздействия под влиянием встреч юго потока (воздух, вода), работы двигателя на носит ел е, колебаний буксировочного трос а, которые в сумме э анимают широкую полосу частот и могут быть охарактеризованы искажениями сигнала в преобразователе, если бы он был, жестко укреплен на корпусе защитного кожуха 1 (фиг. 2б) . Процесс Е (t) .представляет собой сумму измеряемого сигнала Е (t), помехи за счет непрерывной широкополосной вибрации в полосе пропус кани я приемно-и э мерительного ка-, нала ("размытость" ли ний синусоиды) и помехи эа счет колебаний блока 7 преобразователей в магнитном поле Земли под действием толчков и ударов (низкочастотная модуляция синусоиды) .

В процессе дви>кения на узлы 10 и 11 крепления концов амортизатора б на несущих элементах 5 кожуха 1 поступают непрерывная вибрация и толчки в широком спектре частот. Энергия вибраций и толчков в полосе частот, в которой производятся измерения переменного магнитного поля, подавляется в амортизаторе б, материал и геометрические размеры которого подобраны в соответствии с выводами теории колебаний тела на упругой ПОДВЕСКЕ, что позволяет подавить электрическую помелу в преобразователе на 40 децибел.

С>слабление помехи в полосе измерении схематически изображено в виде ос :абленпя "размытости" линии графика, Оппсыràющего процесс E(t) (фиг. 2В).

Однако на частотах ниже граничной частоты измерений магнитного поля ()н помеха не ослабляется, поскольку, ко..да после толчка блок 7 преобразоВателей отклоняется от заданной opu-IIi.tàöèè, то возникающие из-за растяжения упругих боковых сторон трапециевидного контура вращательные моменты Bîзбуждают затухающий Koëåáàòельный процесс, возвращающий блок 7 к заданной ориентации ° Этот процесс является причиной возникновения в преобразователях помехи с собственной частотой контура <до, несущего блок 7 преобразователей, которое действует в Вице модуляции принимаемого сигнала. Для того, чтобы подавить эту помеху, напряжение Е (t) подается в электронный предварительный усилитель

8 с подключенным к нему фильтром высокой частоты с частотой среза, равной нижней граничной частоте измеряемого магнитного поля Ын. В результате фильтрации модуляция подавляется на

40-60 децибел, и процесс преобразуется в напряжение Е >, (t ), в котором помеха подавлена по всему спектру защищаемой полосы частот и которое с минимальной погрешностью характери815688 зует измеряемой магнитное поле (фиг. 2г) .

При измерении естественного магнитного поля, представляющего собой широкополосный случайный процесс, ус ройство действует по отношению к каждой из спектральных составляющих этого процесса в полосе-измерения таким же образом, как к гармоническому магнитному полю искусственного ис,точника, обеспечивая защитный эффект одновременно во всей защищаемой полосе частот.

Предлагаемое устройство позволяет подавлять непрерывную импульсную помеху за счет вибраций и толчков при движении носителя путем введения аморт и з иру ющей под вес ки в виде тр апецевидного контура, которая в силу своего свойства восстанавливать ориентацию преобразователей после случайного их отклонения и в сочетании 20 с фильтрацией высокой частоты в соот— ветствующих фильтрах усилителей позволяет связать процессы Ееп>(t) иЕ (t) строго определенным линейным. соотношением и тем самым обеспечить 25 измерения амплитуд полного вектора поля и его пространственных сост.авляющих с высокой точностью.

Одним из основ ных условий эффективности работы устройства является соб- ЗО людение принципа выбора соотношения между нижней - граничной частотой из— меряемого магнитного поля и)„, определяемой условиями и задачами измерений поля или приема сигнала, и собственной частотой механического колебательного трапецевидного контура с упругими боковы>пл сторонами. Принцип, положенный в основу выбора этого соотношения, заключается в следующем, Если тело с осями 12-14, в исходном -40 статическом положении совпадающими с осями (X), (Y) и (Z заданчой системы координат, подвесить на упругих растяжках 15 и 16 к точкам 17 и 18 колеблющейся конструкции таким обра- 45 зом, чтобы точки крепления. растяжек к телу 19 и 20 пе совпадали а центром тяжести тела, обозначенным нача-. лом вектора силы тяжести Р, то закон колебаний тела по любой из его 6 gp степеней свободы (3 поступательных и 3 вращательных) — в соответствии. с теорией колебаний будет описываться дифференциальным уравнением

m i)+ (1+ i gp ) С ) = (1+ i Y> ) C Ac o s p t, (1 ) где М вЂ” линейное или угловое смещение любой из точек тела относительно их исходного поло жения в условиях статическо.го равновесия, )(м - коэффициент неупругого со- 60 противления материала растяжки, С вЂ” жесткость растяжки, А — амплитуда смещения колебающейся несущей конструкции, Я р — частота смещения несущей конструкции, текущее время.

Решение уравнения (1) представляет с об ой с умму первое слагаемое которой описывает собственные колебания упругой системы, т.е. ее реакцию на импульсное возбуждение с собственной частотой

MpÄ а второе — вынужденные колебания с частотой р смещения несущей кон- струкции. В уравнении (2) через 3" обозначено отношение частоты конструкции к собственной резонансной частоте механического колебательного контура, а  — величина магнитной индукции.

Подбором значений коэффициента неупругого сопротивления материала растяжек и отношения частот вынужденных и собственных колебаний конструкции можно добиться выполнения соотношений +

Ч=

1-Х l)2+Т 1

) где » 1, что обеспечивает подавление непрерывной вибрации на частотах несущей конструкции.

Для анализа воэможностей сохранения заданной ориентации рассмотрим кинематику амортизирукидей системы (фиг. 3 . Под действием импульсного возбуждения создается угловое отклонение осей тела 12 и 13 в плоскости 21 осей (Х) и (Y) Тогда под действием этого отклонения произойдет нарушение .равенства растяжений в растя>хках 15 и 16 вследствие чего в этой плоскос) ти возникнут равные по величине и противоположные по направлению моменты Mxv и -iixv из-за которых тело испытывает з атухающие угловые колеб*ния с собственной частотой сдох, скорость затухания их определяется коэфФициентом 3 в показателе экспоненциального множителя первого слагаемого в (2), и в конечном итоге займет исходное поло>кение с заданным направлением осей 12 и 13 вдоль координатных осей Х и У. Аналогичные затухающие колебания тела с частотой P)oz под действием моментов йхq и -Ихz возни-. кают при импульсном возбуждении в плоскости 22 осей Х и Z и с частотой ву в плоскости осей Y и Z, которая на фиг. 3 не выделена. После затуханий этих колебаний система осей тела также займет исходное положение.

Для амортизирующей подвески, центры концов которой образуют, вершины равнобочной трапеции с углом В(между основанием (точки 17-18) и боковыми сторонами (точки 17-19 и 18-20),собствен815688 ные частоты угловых колебаний тела определяются соот ношениями:

)IF a i1

< х где Х, Y 7 — координаты концов растяжек (точки 17 и 18 ), 1 — длина их проекции на ось X, F — проекция силы напряжения на ось Х, моме н ты и н ерци и т ел а х от носит ель но с оотв етст вующи хкоорд,и н ат ных осей.

Следовательно, подбирая силу начального натяжения амортизирующих рас-Щ тяжек F их длину 1 и массу тела, можно добиться того, чтобы собствен- ные частоты затухающих угловых колебаний тела, возвращающих его после импульсного отклонения в исходное положение, были меньше .частоты непрерывного вибрационного возбуждения несущей опоры, что в соответствии с соотношениями (3) обеспечивает интенсивное подавление угловых колебаний на частотах непрерывной угловой вибрации °

Это справедливо также и для линейных смещений. Пусть амортизироианное тело представляет собой блок трех преобразователей переменного магнитного поля, оси которого 12-14 являются ося" ми > х чувствительности, обеспечивая прием и измерение 3 ортогональных компонент полного вектора исследуемого поля с нижней граничной частотой Ын. Тогда при соблюдении условий

")ьл(Зн оу«4 н ")ок«с)н в преобразователях достигается интенсивное подавление непрерывных угловых вибраций на частотах выше Ынза счет того, что в (3) >7„«1, g (с 1, и «<1.

B случае импульсного отклонения блока преобразователей от исходного положения в виде удара, толчка и т.д. он возвращается в это положение путем затухающего гармонического процесса который обуславливает модуляцию напряжений, характеризующих пространственные компоненты полного вектора измеряемого поля, затухающими напря>кениями помехи с частотами Îõ )оу, 4.7О . Однако, поскольку эти частоты лежат ниже нижнего граничного предела полосы исследуемых частот 4)н, то подключением фильтра высокой частоты с граничной частотой полосы пропускания, равной )н, в электронный предварительный усилитель, следующий за каждым из преобразователей, эта помеха подавляется в степени, которая определяется параметрами фильтра.

Формула изобретения устройство для измерения пространсòâåííûõ составляющих вектора переменного магнитного поля, содержащее блок жестко скрепленных первичных преобразователей, расположенных на подвеске в кожухе с несущими элементами,отличающееся тем, что, с целью повышения точности, подвеска выполнена из шнурового амортизатора, концы которого закреплены на ненесущих элементах кожуха, а средний отрезок закреплен на корпусе блока первичных преобразователей.

Источники и нформации, принятые во внимание при экспертизе

1. Афанасьев D. В. и др. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Л., "Энергия", 1972, с. 272.

2. Авторское свидетельство СССР

9 189034, кл. Н 04 D, 1966.