книги из ГПНТБ / Аналоговые запоминающие и адаптивные элементы
..pdfРис. 2-14. Конструктивные |
схемы |
элемента |
с поперечным |
возбуждением, |
|
а — с разомкнутым |
магнитопроводом |
возбуждения; |
б — с замкнутым |
|
|
магнитопроводом |
возбуждения. |
|
|
|
|
следует из работы [Л. 89], при малых углах можно написать:
Q = |
kH, |
|
|
(2-26) |
где |
k—коэффициент, |
определяемый |
материалом |
сердечника. |
|
Существует некоторое допустимое |
значение напряженности |
||
Я д о Ш ниже которого |
значение остаточной индукции |
В 0 с т не ме |
няется [Л. 89, 90]. Таким образом, оказывается возможным счи тывать состояние остаточной индукции неразрушающим спосо
бом. Проанализируем |
выходной спектр |
проекции остаточной |
||
индукции |
на продольную ось B O C T C O S 6 , |
которая |
обусловливает |
|
выходное |
напряжение |
е в ы х . Раскладывая |
cos 6 в |
точке 0 = 0 П = |
ДН=2НН=2Нт
/ / / \^ |
X п |
ВОСТ |
Продольная ось |
Рис. 2-15. К принципу |
считывания |
поперечным |
полем. |
101
— kHn |
в |
ряд Тейлора и ограничиваясь |
тремя |
первыми |
членами |
||
ряда, получаем: |
|
|
|
|
|
||
cos 8 = |
cos 6 m — (8 - 6Ц) sin 8„ - |
( 9 |
~ 2 9 п ) 2 |
cos 8U = |
cos k Я п |
- |
|
|
|
( c os kHu) |
k*H2m |
|
|
|
|
— (sin Ша) |
kHm cos o>t |
|
cos2 |
wt = cos kHa— |
|
||
(cos kHn) |
k*H2m |
kHm |
|
(cos kHa) |
k2H2m |
• COS 2mt. |
|
|
j |
(S!I1 kHa) |
COS vat |
j |
|||
|
|
|
|
|
|
|
(2-27) |
Таким образом, в спектре продольной составляющей индукции содержится как первая, так и вторая гармоника. Для малых 8П можно положить s i n 8 n = 0 n и c o s 8 n = l . Дифференцируя по вре мени (2-27), получаем выражение для выходного напряжения
бвых:
<?„ых = а У в ы х 5 £ 0 С Т rfCd°s9 |
= |
t 0 B b I X 5 5 о с т ^k2HaHm ш sin т( - f |
|
|
№Н< |
|
|
|
(2-28) |
— ^ a o s i n 2arf |
|
|
|
|
где S — площадь сечения |
сердечника. |
|
|
|
Из (2-28) следует, |
что при Я т > Я п превалирует |
вторая |
гар |
|
моника над первой, при |
Я т < Я п — наоборот. Для |
Я п = 0 |
полу |
чаем элемент с выходом на второй гармонике с поперечным воз буждением [Л. 48, 89], который в отличие от элемента с продоль ным возбуждением (см. § 2-2,а) принципиально не имеет на вы ходе первой гармоники. При наличии большого постоянного сме
щения, т. е. при Я п ^ > Я т , выходной |
сигнал |
снимается |
на первой |
|||
гармонике, причем в отличие |
от элемента |
на |
первой |
гармонике |
||
с продольным возбуждением |
здесь евых |
пропорционален |
5 0 о т |
|||
и его фаза меняется на 180° |
при |
изменении |
полярности |
В0СТ. |
Преимущество использования основной составляющей заклю чается в больших значениях евых по сравнению с сигналами на второй гармонике [Л. 90]. Однако в последнем случае из-за ча стотной развязки входных и выходных цепей значительно выше помехоустойчивость элемента, так как, несмотря на перпенди кулярное расположение обмоток wB035 и "Л)вых на высоких часто тах, трудно избежать непосредственных наводок основной со ставляющей из цепей возбуждения в выходные цепи (из-за емкостных связей). Схема, изображенная на рис. 2-14,а, чувст вительна к действиям внешних магнитных полей, поскольку
102
магнитопровод возбуждения в этом случае является разомкну тым. По сравнению с ней схема, приведенная на рис. 2-14,6, обладает лучшими техническими показателями, однако требует сердечников более сложных форм, что делает их малопригодны ми для систем с большим числом ЗЭ. Кроме тороидальных сер дечников, для ЗЭ с поперечным возбуждением применялись биаксы с одним или несколькими выходными отверстиями на одно отверстие считывания (возбуждения) [Л. 90], однако прин цип его работы полностью совпадает с описанным выше и спе циально ЗЭ на биаксах здесь рассматриваться не будут.
2-3. Неразрушающее считывание возбуждением короткими импульсами тока
Указанный метод был предложен Фридляндером и Мак-Милла- ном [Л. 91] и является естественным продолжением работ, по священных неразрушающему считыванию двоичной информа ции [Л. 92, 93].
Принцип неразрушающего считывания короткими импульса ми состоит в следующем. Пусть сердечник установлен в состоя ние отрицательного насыщения •— Вт, и на него действует в по ложительном направлении короткий сильный импульс поля, который перемагничивает сердечник на величину, например, не
более 0,5 Вт. Если |
к сердечнику |
приложить постоянное отрица |
|||
тельное смещение Я с м , которое |
самостоятельно |
не может |
изме |
||
нить магнитного состояния сердечника, тлк |
как |
Я С м < Я с , |
то ока |
||
зывается, что после |
действия |
сильного |
положительного поля |
считывания сердечник при наличии отрицательного смещения
евых
Воет!'* ^аа2< ВостЗ< Вост4< ВостВ
Рис. 2-16. |
Зависимость |
выходного |
|
напряжения |
от времени при |
считывании |
короткими |
сильными |
импульсами. |
|
|
|
|
Рис. 2-17. |
Временная |
диаграмма |
при |
импульсном |
считывании. |
|
103
будет возвращаться в исходное |
состояние — В г . В своих опытах |
||||||||||
авторы |
работы [Л. |
91] |
использовали |
металлический |
сердечник |
||||||
с 50°,0 -ным |
содержанием никеля |
и |
толщиной |
ленты 50 |
мкм. |
||||||
Параметры |
полей |
считывания и смещения были |
следующими: |
||||||||
# с ч = 1 2 |
Нс, |
# с м = 0,64 |
Нс, |
длительность |
импульса |
считывания |
|||||
1 мкеек, |
время повторения между импульсами считывания, не |
||||||||||
обходимое для возврата сердечника в состояние — Вг |
полем сме |
||||||||||
щения, |
—16,7 мсек. |
После |
приложения |
100 000 |
импульсов |
Нсч |
|||||
заметного |
изменения выходного |
сигнала |
обнаружено не было. |
Если исходное состояние сердечника В 0 С т изменять слабыми положительными импульсами записи Нзаи, незначительно пре вышающими Нс, например # з а п = 1 , 3 5 Нс, то оказывается, что амплитуда выходного сигнала будет пропорциональна разности
Вг — Воет
^ в х . м а к с " 2ВГ °01' ( 2 " 2 9 )
г д е |
^вых маке ~~ максимальный |
выходной |
сигнал при |
В о с т = — Вг. |
|
|
|
|
|
|
На рис. 2-16 изображены |
графики зависимостей е в ъ 1 х = е в ы х (/) |
||
для различных значений Вг |
— В 0 С т {Л. |
91]. Как видно из рисун |
||
ка, при увеличении значения |
Вг — В о с т |
увеличивается и еВых.макс, |
||
причем время наступления максимума |
практически |
остается не |
изменным. Установка различных значений В 0 С т производится варьированием длительности импульсов записи или их числа. Временная диаграмма поступления импульсов считывания и записи и поле смещения показаны на рис. 2-17. Поле смещения в отличие от считывания двоичной информации здесь возвраща
ет сердечник не на один и тот же уровень |
отрицательного насы |
||
щ е н и я — Вг, а на |
различные уровни |
В 0 С т , |
соответствующие раз |
личным значениям запоминаемого сигнала. |
|
||
Зависимость |
еВых.макс от Вг—Воет |
объясняется следующим |
образом. Перемагничивание металлических пермаллоевых лент из состояния насыщения в сильных полях начинается с образо вания на внешней поверхности ленты с последующим проникно вением в глубь стенок плоского домена {Л. 94, 95]. Этот процесс происходит приблизительно одновременно вдоль всей длины ленты, и максимум напряжения eBUx{t) соответствует образова нию стенок плоского домена. Изменение индукции в слабых по лях [Л. 96] приводит к совершенно иным распределениям домен ных стенок, поэтому при подаче слабых импульсов записи одна часть сердечника окажется полностью перемагниченной до зна чений Воет, а другая его часть характеризуется первоначальным
104
остаточным уровнем — Вг. Следовательно, когда положительный сильный импульс считывания приложен к сердечнику, то поверх
ностные плоские стенки образуются лишь |
на некоторой |
части |
|||
поверхности а=(Вг— |
В0СТ)/2ВГ, |
в |
связи с |
чем е В Ы х . м а к с |
прини |
мает значения, пропорциональные |
а, что и объясняет формулу |
||||
(2-29). |
|
|
|
|
|
Рассматриваемый в этом параграфе способ считывания характеризуется, как и большинство импульсных методов, чрез вычайно высокой скоростью считывания, однако из-за медлен
ного |
возврата |
сердечника |
в |
исходное |
состояние В 0 с т |
реализо |
||
вать это преимущество малыми полями смещения |
можно толь |
|||||||
ко при очень |
большой |
скважности |
обращения |
к элементам |
||||
памяти (порядка 1 ООО и выше). Очевидно также, |
что |
выделе |
||||||
ние импульсного выходного сигнала с переменным |
максималь |
|||||||
ным значением |
е В Ы х . м а к с = Уаг |
из шумов |
значительно |
сложнее, |
||||
чем |
переменного сигнала |
с |
постоянной |
частотой |
считывания |
|||
(см. |
§ 2-2). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выход |
|
В ) |
|
|
|
Рис. 2-18. |
Конструктивные |
схемы |
элемента |
с |
ультразвуковым |
возбужде |
|
нием. |
|
|
|
|
|
|
|
1 — источник |
механических |
колебаний; |
2 — магнитопровод; |
3 — демпфер. |
|
105
2-4. Неразрушающее |
считывание с использованием |
механического |
ультразвукового |
возбуждения |
|
Рассматриваемый метод считывания основан на использовании
эффекта |
магнитострикции. |
Если |
возбуждать магнитный сер |
||
дечник с |
помощью |
ультразвуковых |
механических колебаний, |
||
как это показано на |
рис. 2 |
-18,а, то |
на |
выходной обмотке появит |
ся напряжение переменного тока, амплитуда которого пропор
циональна уровню |
остаточного потока Ф 0 С т, а его фаза |
опреде |
|||
ляется полярностью Фост [Л. 1, 2]. |
При этом, |
как |
и в |
случае |
|
высокочастотного |
электрического |
возбуждения |
(§ |
2-2), если |
ограничить амплитуду возбуждения, то считывание производит ся неразрушающим способом. Возможны и другие конструкции магнитострикционного элемента, как показано на рис. 2-18,6 или в. В таких конструкциях удается использовать один пьезо электрический преобразователь на всю совокупность элементов памяти, размещенных на одном сердечнике.
2-5. |
Неразрушающее |
считывание |
с разветвленных |
магнитных |
сердечников |
||||
Как |
было показано |
|
в § 1-3, |
в процессе записи в трансфлюксоре |
|||||
устанавливается |
поток Ф ь |
которому |
однозначно соответствует |
||||||
изменение |
потока в магнитопроводе считывания |
|ДФ3 | (рис. 1-22). |
|||||||
Изменение |
потока |
|ДФз|, |
происходящее под |
|
действием |
тока |
|||
возбуждения / в 0 з б , |
связано |
некоторым |
образом |
с |
величиной |
вы |
ходного сигнала. По способу воздействия на выходной сигнал потоком перемагничивания вокруг малого отверстия все методы считывания можно классифицировать на четыре группы: считы
вание с амплитудной, |
с |
частотной, |
с |
широтной |
и |
с фазо |
||||
вой модуляцией выходного сигнала. |
|
|
|
|
|
|||||
а) |
Считывание |
с амплитудной |
модуляцией |
выходного |
сигнала |
|||||
В |
АЗЭ с амплитудной |
модуляцией (рис. 2-19) |
ток |
возбуждения |
||||||
синусоидальной |
или |
прямоугольной |
формы |
прикладывается |
||||||
к |
обмотке Швозб . |
Сигнал |
с ш В Ы х |
подается |
на детектор |
среднего |
значения, обычно представляющий собой выпрямитель и сгла
живающий |
фильтр. |
Среднее значение |
выходного |
напряжения |
|
|
2 |
|
|
|
|
W, |
j |
АФг (cot) dmt |
|
|
|
|
6 |
|
= 2fwsblK I Д Ф , |
I = 2fшвых |
( Ф 1 Г - I Д Ф , I), |
|
|
|
|||
где / частота |
тока |
возбуждения. |
|
(2-30) |
|
|
|
Юб
Рис. 2-19. Схема |
считывания |
с амплитудной |
модуляцией. |
Ф
+ Ф т
+ Ф г /
1возб *воз6
t
Рис. |
2-20. |
К |
объяснению |
|
влияния |
тока |
|
возбуждения |
|
на |
выходной |
сигнал |
||
при |
амплитудной |
модуляции. |
Таким образом, изменение ам плитуды тока возбуждения в преде лах, допустимых с точки зрения неразрушающего считывания (1-21), или изменение его формы не влияет на величину среднего значения на пряжения. Практически для обеспе чения независимости £ В Ы х от ампли туды /В О зб вследствие неидеальности петли гистерезиса требуются специ альные схемные решения [Л. 5, 66]. Представим себе магнитопровод считывания как некоторый эквива лентный сердечник (рис. 2-20), в ко тором 2 Ф Г = | Д Ф 3 | . При изменении тока возбуждения от одного ампли тудного значения до другого поток
меняется |
от — Ф т до + Ф т , сохра |
|
няя при |
этом знак |
производной |
d<T>/dt, вследствие чего |
полярность |
|
выходного |
напряжения |
в это время |
постоянна. |
Если к wBbix |
подключить |
выпрямитель, то он проводит в полу периоды постоянства знака выход ного напряжения, и поэтому среднее значение £ В ы х
: 4/йУВ ыхФп |
(2-31) |
Но Ф т зависит от амплитуды |
воз |
буждения, и поэтому последняя вли яет на .Евых- Если же вместо обыч ного выпрямителя использовать управляемый, включаемый в полу период постоянства полярности то ка возбуждения, то легко видеть, что поток за это время сначала растет от — Ф г до +Фт, а затем падает до
-J-Фг, |
и окончательное изменение по |
|
тока за полупериод |
равно 2 Ф Г . Та |
|
ким |
образом, при |
управлении вы |
прямителями от источника тока воз буждения выходное напряжение
£вых = 4/даВ Ь 1 Х Фг =2/шВ ых.1ЛФз! (2-32)
107
и не зависит теперь от амплитуды тока возбуждения. Одна из возможных схем выпрямления для этого случая изображена на рис. 2-21.
Частота возбуждения обычно |
находится |
в пределах от 10 |
||||||
до 100 кгц, а иногда возрастает примерно до |
1 Мгц |
[Л. |
59, 61]. |
|||||
но в целом она ниже, чем при неразрушаемом |
считывании пере |
|||||||
менным током в тороидальных сердечниках |
(§ 2-2,а). Это объяс |
|||||||
няется тем, что в трансфлюксорах |
перемагничивание |
может про |
||||||
исходить по полному циклу (d>i = 0), |
а в тороидальных |
сердеч |
||||||
никах оно производится только |
по |
частным |
циклам, |
которое |
||||
требует меньшего времени переключения и вызывает |
меньший |
|||||||
нагрев. Следует отметить, что нагрев часто служит |
источником |
|||||||
дополнительных |
погрешностей, |
вынуждая |
уменьшать |
частоту |
||||
[Л. 64]. В то же время возможность |
переключения |
по |
полным |
|||||
циклам позволяет получить и большие по мощности |
выходные |
|||||||
сигналы при ограниченной частоте. |
|
|
|
|
|
|||
Соотношение (1-21) определяет допустимый диапазон изме |
||||||||
нения / В о з б , исходя из идеальности |
петли гистерезиса. На самом |
|||||||
же деле этот диапазон должен быть сужен еще более: |
|
|||||||
LnHcS^:IB03QWBo3e^LiHr. |
|
|
|
|
|
|
(2-33) |
|
В реальных сердечниках поле насыщения HcS |
|
может |
значитель |
|||||
но превышать поле трогания Я т . |
|
Как было |
|
отмечено |
в § 1-3, |
|||
геометрические |
размеры сердечника |
выбираются таким обра |
зом, чтобы диаметр большого отверстия в несколько раз превос ходил диаметр малого отверстия—обычно в 3—5 раз. Пример но такое же отношение имеет место и для длин L\ и L J J . Увели чение этого отношения представляет известные технологические
трудности. |
Однако специальные |
схемные |
решения |
позволяют |
||
увеличить |
допустимый диапазон |
изменения |
/ В о з б - |
|
||
Если обмотку |
возбуждения |
разместить |
в виде |
восьмерки, |
||
как это показано |
на |
рис. 2-22, то м. д. с. возбуждения можно |
||||
увеличить |
вдвое, |
так |
как магнитопровод считывания |
находится |
под воздействием м. д. с. обеих секций обмотки, а управляющее
плечо трансфлюксора / перемагничивается под действием |
толь |
ко одной секции (пока обе перемычки 2 и 5 не насыщены, |
пере |
магничивается только малое отверстие, какова бы ни |
была |
м. д. с ; после насыщения одной из перемычек на управляющее плечо воздействует только секция, соответствующая ненасы щенной перемычке). Наиболее радикальным методом, позволя ющим увеличить м. д. с. возбуждения во много раз (до 75 раз) без опасности изменения потока, является применение специ альной компенсационной обмотки [Л. 5]. Действие м. д. с. воз буждения на управляющее плечо трансфлюксора сводится к раз-
108
1 в озб
Магнитопровод |
|
||
считывания |
|
||
Рис. |
2-21. |
Схема |
выпрями |
теля, |
управляемого |
|
|
током |
возбуждения. |
|
Рис. |
2-22. Обмотка |
возбужде |
|
ния, |
имеющая |
конфигура |
|
цию |
«восьмерки». |
|
|
|
, |
, |
0 |
*везб
Рис. |
2-23. |
Схема |
АЗЭ |
на |
трансфлюксоре |
с исполь |
|
зованием |
компенсационной |
||
обмотки. |
|
|
магничиванию сердечника, т. е. к установлению потока cl>i = 0 незави симо от его полярности, отсюда сле дует, что направление действия ком пенсационной обмотки должно быть
согласовано |
с |
полярностью |
потока |
||
Ф 4 |
(рис. 2-23). В том же случае, если |
||||
Ф 4 |
поменяет |
|
полярность, |
|
обмотки |
считывания |
и |
компенсации будут |
|||
действовать |
согласованно |
и |
устано |
||
вят |
Ф ! = 0. Этот эффект от |
примене |
ния компенсационной обмотки о>К омп позволяет устранить немонотонность зависимости |АФз| от Ф 4 ; он упоми нался в § 1-3,6. Отметим, что при менение компенсационной обмотки позволяет применять для возбужде ния источник напряжения с неболь шим ограничивающим сопротивле нием, при этом броски тока, сопро вождающие насыщение магнитопровода считывания, не влияют на по ток Ф ь
Применение амплитудной модуля ции при считывании наиболее удоб но для создания АЗЭ, которые дол жны запоминать сигналы обеих по лярностей. Базовая схема такого АЗЭ изображена на рис. 2-24. Об мотки возбуждения и смещения включены согласно, а обмотки за писи и выхода — встречно, разность выходных напряжений трансфлюксоров подается на фазовый детектор Ф Д . Для конкретности положим, что запись производится импульсами напряжения с фиксированной дли тельностью и переменной амплиту дой е з а п . (Если запись производится током, то обмотки записи включают
ся последовательно.) Исходное |
со |
||
стояние |
АЗЭ, |
соответствующее |
|
е3 ап = 0, может быть различным: |
оба |
||
трансфлюксора |
заблокированы, |
оба |
109
полностью разблокированы или оба находятся в одинаковом про межуточном положении (обычно cpi = CDr/2). Эти случаи в ука занном выше порядке иллюстрируются графиками зависимости £ в ы х от £ 3 а п (рис. 2 - 25,а — в ) . Общим для всех рассматриваемых случаев является увеличение при записи потока в управляющем
плече одного трансфлюксора |
и уменьшение — в другом. Если |
оба сердечника перед записью |
заблокированы (рис. 2-25,а), то |
на выходе наводится лишь напряжение помех, причем оно очень
мало, так как |
выходные |
напряжения обоих |
трансфлюксоров |
|
вычитаются. При |
записи |
(в зависимости от полярности импуль |
||
са е з а п ) один |
из |
трансфлюксоров остается в |
заблокированном |
состоянии, а другой—перемагничивается. Если оба трансфлюк сора перед записью заблокированы (рис. 2-25,6), то Е в ы х обус ловлено разностью максимальных значений выходных напряже ний обоих трансфлюксоров и зависит от идентичности характе ристик сердечников. Как и в предыдущем случае, трансфлюк-
соры перемагничиваются последовательно |
друг |
за |
другом. |
В случае рис. 2-25,е при записи оба трансфлюксора |
перемагни |
||
чиваются одновременно, причем удобно сигнал |
записи |
подавать |
в то же самое время, когда трансфлюксоры переводятся в про межуточное состояние. Этот метод в точности совпадает с опи санным в § 1-1,6 методом записи в тороидальные сердечники биполярных входных сигналов и позволяет точно так же ком пенсировать обратимую составляющую потока при записи. Един ственное различие состоит в том, что для тороидальных сердеч ников середина рабочего диапазона изменения потока соответ ствует нулевому потоку, а для трансфлюксоров — половине по-
110