Приборы и техника эксперимента, 2019, № 3, стр. 38-40

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одной из актуальных задач экспериментальной физики является разработка методов контроля гиперзвуковых частиц ∅1–7 мм.

В работе представлен прибор с индукционным датчиком для бесконтактного определения скорости частиц и запуска оптико-физической аппаратуры в момент пролета ими сечения датчика.

Структурная схема прибора представлена на рис. 1. Магнитная система устройства состоит из постоянного магнита 2 в форме цилиндра ∅ 25 и высотой 70 мм, изготовленного на основе материала NdFeB [1]. Рабочий зазор магнитной системы составляет 100 мм.

Рис. 1.

Структурная схема прибора. 1 – корпус; 2 – постоянный магнит; 3 – индукционная катушка; ФВЧ – фильтр высоких частот, УК_вх – входной усилительный каскад, ССм – схема смещения нулевого уровня, КЦ – корректирующая цепь, CФНИ – схема формирования нормированного импульса, УК_вых – выходной усилительный каскад, Осц – осциллограф, Р – регистрирующая аппаратура.

Для регистрации сигналов с датчика служит измерительный тракт. В его состав входит индукционная катушка 3 внешним диаметром 25 и внутренним 3 мм, фильтр высоких частот ФВЧ и входной усилительный каскад УК_вх. Катушка 3 устанавливается напротив постоянного магнита 2 в одной плоскости ортогонально оси полета частиц.

Электрические сигналы с нее во всех опытах записывались на цифровом запоминающем осциллографе Осц с дальнейшей обработкой на э.в.м.

Для формирования сигнала с катушки 3 в нормированный импульс, предназначенный для запуска регистрирующей аппаратуры Р, служат схема формирования на основе входного усилительного каскада УК_вх с гальванической развязкой, схема смещения нулевого уровня ССм, корректирующая цепь КЦ, схема формирования нормированного импульса CФНИ с последующим его усилением с использованием полевых транзисторов УК_вых. Принципиальная схема формирователя нормированных сигналов приведена на рис. 2.

Рис. 2.

Принципиальная схема формирователя нормированных сигналов. М₁ – AD822AR; Т₁, Т₂, Т₄ – BC857BW, Т₃, Т₅ – КТ961; Д_1–2 – MMBD1203, Д₃–Д₆ – MMBD1201.

Индукционная катушка L₁ и постоянный магнит размещались строго соосно друг против друга в корпусе 1 (рис. 1). Фильтр высоких частот собран на элементах C₁ и R₁ (рис. 2) с частотой среза f_с = 60 Гц, а входной усилительный каскад – на операционном усилителе М₁.

При пролете частицей плоскости датчика возбуждается сигнал в катушке L₁. Появлением однопериодного колебания на диодах Д_1–2 осуществляется формирование положительного фронта сигнала, транзисторы T₁–T₃ отпираются на промежуток времени, необходимый для формирования по длительности и амплитуде нормированного импульса отрицательной полярности. Далее сигнал инвертируется и усиливается в выходном усилительном каскаде (T₄ и T₅). Дополнительное смещение сигнала относительно нулевого уровня напряжением минус U_см, величина которого может регулироваться в пределах 0–10 В, необходимо для повышения помехоустойчивости устройства. Такое построение схемы позволяет обеспечить минимальный уровень помех в приемно-регистрирующем контуре, что дает возможность получить истинные сигналы с индукционной катушки L₁ и исключить ложный запуск регистрирующей аппаратуры.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Для бесконтактного определения скорости частицы по траектории ее полета устанавливались в начале и конце мерной базы два датчика, создавая при этом измерительный участок. На рис. 3 представлены зарегистрированные сигналы с индукционных катушек ИК₁ и ИК₂.

Рис. 3.

Сигналы с индукционных катушек (1 и 2); 3 – сигнал Запуск регистрирующей аппаратуры.

Сигналы с ИК₁ и ИК₂ идентичны по форме и длительности, при этом характерные точки А₁ и А₂ на зависимости ε(t), в которых осуществляется переход через 0 наведенной в индукционных катушках э.д.с., физически соответствуют области с максимальным значением магнитного потока [2, 3].

Вместе с тем, за моменты времени ${{t}_{{И {{К }_{1}}}}}$ и ${{t}_{{И {{К }_{2}}}}}$, соответствующие нахождению частицы в сечении первого и второго датчиков соответственно, приняты характерные точки А₁ и А₂ для определения интервала времени пролета частицей измерительного участка.

Значение скорости частицы при пролете ее через измерительный участок определялось по формуле: V = S/∆t, где S – расстояние между геометрическими центрами индукционных катушек, Δt = = ${{t}_{{И {{К }_{1}}}}} - {{t}_{{И {{К }_{2}}}}}$ – интервал времени пролета частицей измерительного участка.

Для определения средней скорости с минимальной погрешностью необходима установка датчиков строго ортогонально линии пролета частиц.

Сигнал Запуск регистрирующей аппаратуры (на осциллограмме рис. 3 сигнал 3) был сформирован в момент времени, когда частица находилась в плоскости первого датчика.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная конструкция датчика позволяет осуществлять запуск регистрирующей аппаратуры на участках, где не допускается использование контактных датчиков.

Полученные экспериментальные результаты подтверждают методику определения средней скорости высокоскоростных частиц способом измерения времени их пролета через измерительный участок, заданный бесконтактными датчиками.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 17-08-01096, № 18-08-00715, 18-29-10073).