Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf

_ДА

Известно, что флуктуациойная сила (Fuex)'P, действующая на сферическую массу т в условиях весьма разреженного газа со

ствует времени наблюдения т ~ ІО6 с) величина флуктуационной силы будет равна всего 6-10-22 к.

Оценка флуктуационных сил, обусловленных электромагнит­ ными явлениями (квазиэлектрическое взаимодействие пробной массы и собственных электромагнитных колебаний низкой частоты

самого экрана при ^ ° бств- ~ а, где а — радиус пробной массы, и флуктуация давления теплового излучения от стенок экрана на пробную массу), дает

и Т — 300° К не обнаруживает какого-либо трения при враще­ нии коромысла (частный случай крутильных колебаний), т. е. при данных условиях основные потери происходят исключительно за счет остаточного давления газа. Поэтому, по крайнем мере, при этих значениях Т и Р магнитный подвес не будет вносить каких-либо заметных флуктуаций в крутильные колебания системы, что от­ крывает возможность создания весьма чувствительных крутиль­ ных весов. Что касается сейсмических воздействий, то принципиаль­ но их можно учесть, если известны амплитудный и фазовый спектры (при этом возможно просто вычесть помеху из результирующего сигнала), либо ослабить до нужных значений путем применения специальных антисейсмических устройств.

Перейдем теперь к описанию собственно магнитного подвеса. Принцип его действия заключается в том, что ток катушки-соле­ ноида, в поле которого находится подвес, изменяется в зависимо­ сти от сигнала датчика, который регистрирует положение (коорди­

нату х) подвеса и скорость ее изменения х (слежение по х и х). При этом результирующее изменение тока в соленоиде таково,

что оно направлено в сторону сведения к нулю «сигнала ошибки»

158

те /= 2 ,6 5 Мгц

«ü*-»

Рис. 59. Электронная схема магнитного подвеса с обратной связью по амплитуде в. ч. сигнала

Рис. 62. Типовая конструктивная схе­

датчика, который пропорционален смещению центра массы подве­ са относительно некоторого положения равновесия (дна по­ тенциальной ямы) и скорости его изменения. В качестве датчика сигнала ошибки применяется обычно либо индуктивный, либо ем­ костный датчик, являющийся составной частью колебательного контура, питаемого от генератора высокой частоты (1—10 Мгц). Расстройка этого контура при изменении параметров датчика и соз­ дает сигнал ошибки, который усиливается и подается для питания катушки-соленоида. Кроме этого сигнала, пропорционального Дх

(смещению), обычно берется сигнал, пропорциональный Дх, кото­

рый получают путем дифференцирования сигнала U (Дх) на RC- цепочке. Этот сигнал U (Дх), с опережением по фазе, также пода­ ется на сетки ламп, управляющих током соленоида.

На рис. 58—60 приведены некоторые практические схемы маг­ нитных подвесов [4—8].

Отметим, что такого рода схемы обладают довольно узким диа­ пазоном устойчивой работы и требуют тщательной настройки и конт­ роля всех напряжений. Типичные неустойчивости — это либо воз­ никновение вынужденных колебаний объекта подвеса, либо его плавное опускание (подъем). Обычно целесообразно применять ре­

гулировку не только по усилению сигналов U (Дх) и U (Дх), но и изменять частоту генератора, его амплитуду и т. д. В некоторых случаях целесообразно применение добавочных (дифференциальных)

обмоток на соленоидах для прямого получения сигналов U (Ах) и

даже U (Дх). Весьма существенным является также выбор материа­ лов для сердечника соленоида и объекта подвеса; наиболее под­ ходит для этой цели мягкое железо типа АРМКО, либо магнитодиэлектрики с малыми потерями на гистерезис и малой # с.

Система регистрации крутильных колебаний таких весов мо­ жет быть как радиотехнической, так и оптической, причем в каче­ стве «возвращающей пружины» может быть использован заряжен­

вблизи сверхпроводящей сферы, создаваемых двумя витками с то­ ком, а на рис. 62 и 63 — конструктивные элементы такого подвеса с использованием постоянных магнитов. На рис. 64 показан сверх­ проводящий шар, висящий в поле двух катушек с током. Вся си­ стема помещена в дьюар с жидким гелием (см. [76] в разд. 5).

Рис. 64. Сфера из сверхпроводника, свободно «парящая» в магнитном поле, соз­ данном системой катушек с током

Г л а в а 2

ИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

В настоящее время известно довольно много различных ус­ тройств как оптических, так и радиотехнических (например, диф­ ференциальные трансформаторы, потенциометрические датчики и т. д.)> которые позволяют измерять достаточно малые относитель­ ные перемещения каких-либо двух макроскопических тел. Их чув­ ствительность, однако, невелика — предельно регистрируемые та­ кими датчиками смещения составляют единицы или доли микрона.

Однако в целом ряде случаев требуется измерять значительно меньшие величины смещений, например порядка ІО-8 см (1 А) и даже ІО-11 см или еще меньше. Для этих целей могут быть исполь­ зованы либо специальные оптические датчики, либо емкостные дат­ чики, к описанию которых мы перейдем несколько ниже. Покажем, что столь малые смещения, в принципе, также хорошо измеримы, как и большие. Это никак не «противоречит» атомарной струк­ туре поверхностей, смещение которых друг относительно друга подлежит измерению, поскольку интегральная (средняя) геомет­ рическая плоскость практически не испытывает заметных флуктуа­ ций. Покажем это.

Оценка для величины среднеквадратической флуктуации длины жесткого стержня с коэффициентом жесткости % для собственных колебаний в области частот до резонанса может быть найдена по следующей формуле:

где величина силы F'2 определяется флуктуационной теоремой Найк­ виста

ня для его продольных колебаний; т* — эффективная масса стерж­

AL = ('ДГ2)7* ~ 3,15-ІО“ 18 см.

Таким образом, даже при Д/ = 1 гц среднеквадратическая ампли­ туда флуктуации положения торца стержня значительно меньше,

чем ІО“1'2 см, а тем более — характерного атомного размера, рав­ ного ~ 1 0 -8 см.

В следующих параграфах будет дано описание различных ем­ костных датчиков и проведена оценка их влияния на измеритель­ ные системы.

§1. Емкостные датчики

иих предельная чувствительность

На рис. 65 приведена электрическая схема емкостного датчика, в котором для увеличения стабильности его работы применена мо­ стовая схема включения, двух контуров — измерительного L 1C1

.Рис. 65. Мостовая схема для регистрации малых изменений измерительной ем­ кости датчика смещений, подключенного к контуру L2C2

и контура сравнения L 2C2. В качестве источника питания такого моста использован кварцевый генератор, который обеспечивает более высокую стабильность работы всей схемы, чем в случае схе­ мы рис. 56, так как, во-первых, его частотная стабильность весь­ ма высока (Асо/со ~ 10_6 н- ІО-7 ) и, во-вторых, наличие дифферен­ циальной схемы включения контуров обеспечивает почти полную независимость амплитуды выходного напряжения от нестабиль­ ности параметров их катушек. При этом, однако, сохраняются ам­ плитудные флуктуации, что ограничивает реальную чувствитель­ ность такой схемы величиной регистрируемого смещения ALml„ ~

~(10~8 -г- Ю- 9 ) см для А/ ~ 0,1 -f- 1 гц.

Величина выходного сигнала для емкостного датчика при оп­

тимальной настройке на склон резонансной кривой измеритель­ ного контура равна, как известно:

164

где Uо — фактическое напряжение на контуре; Q3iII — добротность контура; d — расстояние между пластинами емкостного датчика.

Из этой формулы следует, что для уменьшения регистрируемой величины Лd необходимо максимально уменьшать d, С/ВЬ1Х и уве­ личивать Uо и Q3JI. Здесь, однако, есть свои ограничения, которые не позволяют изменять эти параметры неограниченно. Дело в том, что увеличение напряжения U0 на контуре приводит к увеличению силы притяжения между пластинами датчика — конденсатора, что не всегда допустимо. Кроме того, флуктуация величины ІІ0 также может привести к неприятным последствиям.

Условие малости влияния параметра ІІа на измерительную систему типа дифференциальных весов можно записать в виде

(4.9)

где С — емкость датчика; d Q— расстояние между его пластинами. Если же применена система компенсации этой силы электростати­ ческого взаимодействия, то данное условие заменится следующим:

где бU0/U 0— относительная нестабильность высокочастотного на­ пряжения на контуре. Так, если С — 10 пф, d0 ~ 10-2 см, U0 = ■= 3 В и 2 (бU0/U о) = 2 -10_ 5, то б (CU0/2d0) ~ 10~ в Н, в то вре­

мя как величина (Емех)'/г при Т = 300° и. А/ = 1 гц значительно ниже. Таким образом, такой датчик не позволит измерить предель­ ные значения колебаний весов, определяемых флуктуационной

силой (Емех)І/г- Дело, однако, будет обстоять еще хуже, если учесть влияние емкостного датчика на динамические свойства колебатель­ ной системы, амплитуду колебаний которой он измеряет.

Следуя [9], будем различать два типа настройки датчика от­ носительно высокочастотного питающего генератора:

емкостного датчика).

В случае работы на левом склоне имеет место внесение добавоч­ ного затухания в измерительную систему (например, в случае ве­ сов происходит увеличение декремента затухания механических колебаний при одновременном увеличении их периода), причем затухание тем больше, чем больше величина высокочастотного на­ пряжения Uc на контуре.

При работе на правом склоне, наоборот, наблюдается раскачка механических колебаний системы, в которую включен емкостной датчик, и чем больше величина,0 С, тем сильнее уменьшается ре­ зультирующий декремент затухания. Уже при значении Uc = (2 -ь

165