本发明涉及物理学技术领域,具体说,是一种具有负弹性系数的磁弹簧。 在振动系统中,弹簧的性能非常重要,有时为了达到理想的低频谐振效果,希望弹簧的弹性系数越小越好,但实际上,由于大多数弹簧担负着支承的作用,很难做得太软,也就是说弹簧的弹性系数很难降得很低。目前降低弹簧弹性系数普遍的方法是加大弹簧的长度,但加长弹簧会带来一系列结构上的问题,有时甚至是不可能的,并且加长弹簧后系统的稳定性、抗干扰特性都会大大降低。
本发明的目的就是要提供一种具有负弹性系数的磁弹性系统,它与普通弹簧组合使用后,在不减小原弹簧结构和支承能力的情况下,可使整个系统的弹性系数减小,达到降低谐振频率的目的。
这一任务是通过以下措施实现的:
1.在电磁感应系统的线圈两端接入负电感器件;
2.在线圈与负电感器件之间串联负电阻器件。
3.在负电感两端并联匹配电阻R。
以下结合附图描述本发明的细节:
附图(一)是本发明的系统示意图。
附图(二)是本发明的电原理图。
图中(1)是线圈骨架,(4)是导磁简,(5)是外电路,(6)是线圈的等效电路。
根据欧姆定律有:
E(t)=I(t)r+I(t)Rf+L (dI(t))/(dt) (1)
负电阻R的作用是为了消除线圈内阻r对回路中电流、电压相位的影响,通过调节使|Rf|=r,则(1)式可简化为:
E(t)=L (dI(t))/(dt)
当线圈(3)相对于磁钢(2)作简谐振动时,令其振动角频率为W,振幅为Sm,初相位为O,则其振动方程为:
S=Smsinωt(3)
对于附图(一)所示地负弹性系数磁弹簧系统,振动所产生的感应电动势为:
E(t)=-ωBlSmCOSωt(4)
式中:B-气隙中的磁感应强度
l-磁场中线圈长度
将(3)代入(2)有:
-ωBlSmcosωt=L (dI(t))/(dt)
解此微分方程:
I(t)=-∫ (ωBlSm)/(L) cosωdt
=- (BlSm)/(L) sinωt(5)
根据安培定律,线圈中流过电流I(t)时,线圈要受到安培力的作用,设安培力为FA
FA=BlI(t)
=- (B212Sm)/(L) sinωt
附图(三)是式(3)、(4)、(5)、(6)的曲线,其中“1”是FA-t曲线,“2”是I(t)-t曲线,“3”是S-t曲线,“4”是E(t)-t曲线。
图(三)可以看出,接入负电感L后,位移,回路中电流I(t),线圈所受安培力FA都同相位,即安培力的方向与位移的方向相同。又从(6)式可知,安培力的大小与负电感的绝对值成反比,与位移成正比。
令负弹性系数磁弹簧的弹性系数为Kf,根据胡克定律有:
FA=-Kf·Smsinωt(7)
联解(6)、(7)可得:
Kf= (B212)/(L) (8)
因为L为负值,故K也是负值。
为了保证系统能正常工作Rf选用电压倒置型接法,L选用电流倒置型接法。这是因为,Rf的作用是抵消内阻r使总的等效电阻接近于零,所以是串联使用,这时通过r与R的电流是同一电流,对Rf来说,属电流激励下的压降反应,只有用电压倒置型负阻器件才能达到总内阻压降为零的效果。而L的作用是根据线圈感应电压的激励,输出安培力电流的,所以用电流倒置型。在全系统中,L、Rf与线圈(6)又是一个大的串联回路,电压倒置型器件与电流倒置型器件混合使用,能保证全系统的工作稳定,是这种选择的又一原因。
附图(四)是本发明的实施例。其中W1、R1、R2与FZ-3一起构成负电阻,负电阻的大小根据线圈内阻r确定,负电感量根据需要的负弹性系数确定,通过W2进行调节,FZ-3是负电阻器件,V+、V-分别是FZ-3工作的正电源和负电源,有关FZ-3的具体使用详见该器件产品说明。
这一系统可用于磁电式振动传感器中,磁电式振动传感器内部都有永久磁钢和感应线圈,磁钢或线圈用弹簧支承,在外界振动时,线圈与磁钢产生的永久磁场相对运动,切割磁力线感生信号电压。由于这类传感器有机械运动过程,不可避免地存在固有频率,其频率值为W=,为了拓宽传感器的低频范围,就需要降低系统的固有频率,要么减小K值,要么增大m值,但减小K值和增大m值又是一对矛盾,所以通常振动传感器的低频效果都不理想。如果在传感器的感应线圈两端接入负电感L,其本身就构成一个负弹性系数磁弹簧,相当于与弹性系数为K0的弹簧并联一个弹性系数为Kf的磁弹簧,使系统总的弹性系数变为Kf+Ko,由于Kf是负值,所以系统的弹性系数降低了,系统的固有频率也相应降低。