Пристрій для визначення резонансної частоти елементів конструкції

Винахід відноситься до техніки дослідження динамічних характеристик елементів випробуваних конструкцій при проведенні вібровипробувань і може знайти застосування для визначення резонансних частот в задачах вібродіагностики, вібростійкості, віброміцності і віброзахисту. Відомий пристрій для визначення резонансної частоти випробуваного об'єкта, що містить послідовно з'єднані блок керування розгорткою частоти, задавальний генератор, регулятор амплітуди, підсилювач потужності, вібростенд з установленим на ньому випробуваним об'єктом і установленими на вібростенді і об'єкті віброперетворювачами, два узгоджувальних підсилювачі і реєстратор, входи якого сполучені з виходами відповідних узгоджувальних підсилювачів, входи яких сполучені з виходами відповідних віброперетворювачів, перетворювач, вхід якого сполучений з виходом першого узгоджувального підсилювача, а вихід - з керувальним входом регулятора амплітуди, послідовно з'єднані перетворювач частота-напруга, перший блок пам'яті, обчислювальний блок, другий блок пам'яті, вхід якого сполучений з виходом перетворювача частота-напруга, а вихід з другим входом обчислювального блока, послідовно з'єднані формувач імпульсів і блок керування розгорткою частоти, другий формувач імпульсів, вхід якого сполучений з входом першого формувача імпульсів і виходом реєстратора, другий вхід якого сполучений з входом перетворювача частота - напруга, ви хід другого формувача імпульсів сполучений з другим входом другого блока пам'яті, а другий вхід першого блока пам'яті сполучений з виходом першого формувача імпульсів (Авторское свидетельство СССР №1254310,МПК G01H1/00, 1986). Недолік відомого пристрою - недостатня точність визначення резонансної частоти елементів конструкції, що пояснюється непропорційністю величини зміщення максимумів обвідних напіврозмахів коливань динамічних резонансних піків від величини швидкості розгортай частоти сигналу збуджувальної дії при збільшенні і зменшенні частоти сигналу збуджувальної дії, яка залежить від інерційності при зростанні амплітудних значень коливань в режимі сканування частоти. Причому така інерційність зростає при збільшенні швидкості розгортай частоти, що підтверджується результатами моделювання. За прототип вибраний пристрій для визначення резонансної частоти елементів конструкції, що містить послідовно з'єднані блок керування розгорткою частоти, задавальний генератор, регулятор амплітуди, підсилювач потужності і вібростенд, з установленими на ньому випробуваним об'єктом і першим віброперетворювачем, другий віброперетворювач, установлений на випробуваному об'єкті, перший і другий узгоджувальні підсилювачі, входи яких сполучені з виходами першого і другого віброперетворювачів відповідно, фазовий детектор, входи якого сполучені з виходами першого і другого узгоджувальних підсилювачів, блок зворотного зв'язку, вхід якого сполучений з виходом першого узгоджувального підсилювача, а вихід - з керувальним входом регулятора амплітуди, перетворювач частота-напруга, вхід якого сполучений з виходом другого узгоджувального підсилювача, нуль-орган, вхід якого сполучений з виходом фазового детектора, комутатор, інформаційний вхід якого сполучений з виходом нуль-органа, дешифратор, перший і другий виходи якого сполучені з відповідними входами блока керування розгорткою частоти і відповідними входами комутатора, перший і другий тригери, прямі виходи яких сполучені з відповідними входами дешифратора, перший і другий ключі, перший і другий підсилювачі з регульованими коефіцієнтами підсилення, блок пам'яті, суматор, реєстратор, перший і другий елементи затримки, причому входи першого і другого ключів об'єднані і сполучені з виходом перетворювача частота-напруга, а ви ходи цих ключів сполучені з входами першого і другого підсилювачів з регульованими коефіцієнтами підсилення відповідно, вихід першого підсилювача з регульованим коефіцієнтом підсилення сполучений з інформаційним входом блока пам'яті, вихід якого і вихід другого підсилювача з регульованим коефіцієнтом підсилення сполучені з підсумовувальним і віднімальним входами суматора, вихід якого сполучений з інформаційним входом реєстратора, керувальний вхід першого ключа сполучений з входом «Запис» блока пам'яті і під'єднаний до першого виходу комутатора безпосередньо, а через перший елемент затримки - до S-входу першого тригера, другий вихід комутатора сполучений з об'єднаними керувальним входом другого ключа і входом «Читання» блока пам'яті безпосередньо, а через другий елемент затримки -з об'єднаними R-входами першого і другого тригерів, S-вхід другого тригера сполучений з входом «Пуск» пристрою (Ав. св. СССР №1633294, МПК G01H13/00, 1991 г.). Недолік відомого пристрою - недостатня точність визначення резонансної частоти елементів конструкції, що пояснюється наближеністю застосованого аналітичного співвідношення, отриманого на основі застосування наближеного визначення інтеграла згортки (Харкевич А. А. Спектры и анализ. М.: Физматгаз, 1962. - с. 139-143). Алгоритм формування структури відомого пристрою призводить до визначення дещо завищеного значення резонансної частоти статичного резонансного піку, що пояснюється нелінійністю зміщення частоти максимуму обвідної напіврозмахів коливань динамічного резонансного піку в залежності від швидкості розгортки частоти задавального генератора, який формує сигнал збуджувальної вібростенд дії. В основу винаходу поставлене завдання удосконалення пристрою для визначення резонансної частоти елементів конструкції за рахунок введення до його структури додаткових елементів, які дозволили б урахувати нелінійність зміщення по частоті величини максимуму обвідної напіврозмахів коливань динамічного резонансного піку в залежності від швидкості розгортки частоти сигналу задавального генератора, який формує сигнал збуджувальної вібростенд дії, що призводить до підвищення точності визначення резонансної частоти в режимі сканування частоти сигналу збуджувальної вібростенд разом з випробуваним об'єктом дії, а це призводить до розширення технологічних можливостей пристрою і області його застосування. Поставлене завдання вирішується тим, що пристрій для визначення резонансної частоти елементів конструкції містить послідовно сполучені блок керування розгорткою частоти, задавальний генератор, регулятор амплітуди, підсилювач потужності, вібростенд, з установленими на ньому випробуваним об'єктом і першим віброперетворювачем, другий віброперетворювач, установлений на випробуваному об'єкті, перший і другий узгоджувальні підсилювачі, входи яких сполучені з виходами першого і другого віброперетворювачів відповідно, фазовий детектор, входи якого сполучені з виходами першого і другого узгоджувальних підсилювачів, блок зворотного зв'язку, вхід якого сполучений з виходом першого узгоджувального підсилювача, а вихід - з керувальним входом регулятора амплітуди, перший і другий ключі, блок пам'яті, перетворювач частота-напруга, вхід якого сполучений з виходом другого узгоджувального підсилювача, а вихід - з об'єднаними інформаційними входами першого і другого ключів, перший суматор, підсумовувальний вхід якого сполучений з виходом блока пам'яті, послідовно сполучені нуль-орган, вхід якого сполучений з виходом фазового детектора, і комутатор, реєстратор, перший і другий тригери, перший і другий елементи затримки, дешифратор, інформаційні входи якого сполучені з прямими виходами першого і другого тригерів, перший вихід дешифратора сполучений з об'єднаними першими керувальними входами комутатора і блока керування розгорткою частоти, другий вихід деши фратора сполучений з об'єднаними другими керувальними входами комутатора і блока керування розгорткою частоти, керувальний вхід першого ключа об'єднаний з входом «Запис» блока пам'яті і сполучений з першим виходом комутатора безпосередньо, а через перший елемент затримки - з S-входом першого тригера, R- вхід якого об'єднаний з R-входом другого тригера і сполучений через другий елемент затримки з об'єднаними керувальним входом другого ключа, входом «Читання» блока пам'яті і під'єднаний до другого виходу комутатора, S-вхід другого тригера сполучений з входом «Пуск», згідно винаходу, пристрій додатково містить другий суматор, блок ділення, блок множення, джерело напруги, при цьому підсумовувальний вхід першого суматора об'єднаний з першим підсумовувальним входом другого суматора, віднімальний вхід першого суматора об'єднаний з другим підсумовувальним входом другого суматора і сполучений з виходом другого ключа, вихід першого ключа сполучений з інформаційним входом блока пам'яті, виходи першого і другого суматорів сполучені з входами «Дільник» і «Ділене» блока ділення, вихід якого сполучений з одним входом блока множення, другий вхід якого сполучений з виходом джерела напруги, а ви хід блока множення сполучений з інформаційним входом реєстратора, керувальний вхід якого сполучений з об'єднаними R-входами першого і другого тригерів. Алгоритм формування співвідношення для визначення резонансної частоти статистичного резонансного піку при фіксації частоти максимуму обвідної напіврозмахів коливань динамічного резонансного піку отримаємо на підставі наступних міркувань. Як відомо (Ильинский B.C. Защита РЭА и прецизионного оборудования от динамических воздействий. М.: Радио и связь, 1982.-с. 116.) максимум обвідної напіврозмахів коливань динамічного резонансного піку відповідає частоті w сигналу збуджувальної дії, яка визначається співвідношенням 2 w = æ w2 - 2d 2 ± 3pV ö / 1 + 0,28d / 2V , (1) ç 0 ÷ è ø де w0 - резонансна частота статистичного резонансного піку; d = b/ 2m - коефіцієнт демпфування; m - маса рухомої системи вібростенду разом з випробуваним об'єктом; b - коефіцієнт опору; V - швидкість сканування частоти сигналу збуджувальної дії. При реалізації режиму сканування частоти сигналу збуджувальної дії із швидкістю V1 в бік зростання частоти сигналу задавального генератора на підставі співвідношення (1) маємо: 2 w1 + = æ w 2 - 2d 2 + 3pV1 ö / 1 + 0,28d / 2V1 , (2) ç ÷ 0 è ø а при реалізації режиму сканування частоти сигналу збуджувальної дії із швидкістю V1 в бік зменшення частоти сигналу задавального генератора на підставі співвідношення (1) маємо: 2 w1 - = æ w 2 - 2d 2 - 3pV1 ö / 1 + 0,28d / 2V1 , (3) ç ÷ 0 è ø Поділивши ліві і праві частини (2) і (3), після простих перетворень отримаємо співвідношення: ( ) ( ( ( ) ) )( w 2 - 2d 2 = 3pV1 w1+ + w1- / w 1+ - w10 ). (4) w >> d 2 При умові незначного демпфування 0 із (4) маємо співвідношення для визначення резонансної w0 частоти статичного резонансного піку при реалізації режиму сканування частоти сигналу збуджувальної дії із постійною швидкістю V1 як в бік збільшення частоти, так і в бік зменшення при фіксації частот w1максимумів обвідних напіврозмахів коливань динамічних резонансних піків, а саме: ( )( w 0 = 3pV1 w1+ + w1- / w1+ - w1 ) w1+ , (5) Співвідношення (5) формує алгоритм для визначення резонансної частоти а саме: w0 статичного резонансного піку, w+ w1) зафіксувати частоти 1 , 1 максимумів обвідних напіврозмахів коливань динамічних резонансних піків при постійній швидкості V1 сканування частоти сигналу збуджувальної вібростенд дії як в бік збільшення частоти w+ w(фіксація 1 ), так і в бік зменшення частоти (фіксація 1 ); 2) сформувати сигнали, що відповідають значенням суми і різниці сигналів (w + w )i (w - w ) 3) сформувати сигнал, який дорівнює результату ділення сигналів (w + w )i (w - w ) (w + w ) /(w - w ) + 1 1 + 1 1 1 + 1 + 1 і w1 1 + 1 + 1 w1+ 1 1 4) сформувати сигнал, величина якого дорівнює результату множення сигналу по п.3 і сигналу величиною 3p V1 , а саме : ( )( 3p V1 w1+ + w1- / w1+ - w1 ) w який на підставі (5) визначає резонансну частоту 0 статичного резонансного піку. Запропонований пристрій пояснюється кресленням, де наведена структурна схема пристрою для визначення резонансної частоти елементів конструкції. Пристрій містить блок 1 керування розгорткою частоти, задавальний генератор 2, регулятор 3 амплітуди, підсилювач 4 потужності, вібростенд 5 з установленим на його платформі випробуваним об'єктом 6 - перший і другий віброперетворювачі 7 і 8, перший і другий узгоджувальній підсилювачі 9 і 10, фазовий детектор 11, блок 12 зворотного зв'язку, нуль-орган 13, перетворювач 14 частота-напруга, перший і другий ключі 15 і 16 , блок 17 пам'яті, перший і другий тригери 18 і 19, дешифратор 20, комутатор 21, перший і другий суматори 22 і 23, блок 24 ділення, блок 25 множення, перший і другий елементи 26 і 27 затримки, реєстратор 28, джерело 29 напруги, вхід 30 «Пуск». Елементи і блоки пристрою з'єднані наступним чином. Вихід блоку 1 керування розгорткою частоти сполучений з керувальним входом задавального генератора 2, вихід якого через послідовно з'єднані регулятор 3 амплітуди і підсилювач 4 потужності під'єднаний до обмотки рухомої котушки ( на фіг. не показана) вібростенда 5 з установленим на його платформі випробуваним об'єктом 6. На платформі вібростенда 5 і випробуваному об'єкті б установлені перший і другий віброперетворювачі 7 і 8 відповідно, виходи яких сполучені з входами першого і другого узгоджувальних підсилювачі 9 і 10 відповідно, виходи яких сполучені з входами фазового детектора II. Ви хід першого узгоджувального підсилювача 9 через блок 12 зворотного зв'язку сполучений з керувальним входом регулятора 3 амплітуди. Вихід другого узгоджувального підсилювача 10 сполучений з входом перетворювача 14 частота-напруга, вихід якого сполучений з об'єднаними входами першого і другого ключів 15 і 16, вихід першого з яких сполучений з інформаційним входом блока 17 пам'яті, а вихід другого ключа 16 сполучений з об'єднаними віднімальним входом першого суматора 22 і другим підсумовувальнимвходом другого суматора 23- перший підсумовувальний вхід якого об'єднаний з підсумовувальним входом першого суматора 22 і сполучений з виходом блока 17 пам'яті. Виходи першого і другого суматорів 22 і 23 сполучені з входами «Дільник» і «Ділене» блока 24 ділення, вихід якого сполучений з одним входом блока 25 множення, другий вхід якого сполучений з виходом джерела 29 3p V1 напруги, величина якої дорівнює . Вихід блока 25 множення сполучений з інформаційним входом реєстратора 28. Вихід фазового детектора 11 через нуль-орган 13 сполучений з інформаційним входом комутатора 21, перший вихід якого сполучений з об'єднаними керувальним входом першого ключа 15 і входом «Запис» блока 17 пам'яті безпосередньо, а через перший елемент 26 затримки - з S-входом першого тригера 18. Другий вихід комутатора 21 сполучений з об'єднаними керувальним входом другого ключа 16 і входом «Читання» блока 17 пам'яті безпосередньо, а через другий елемент 27 затримки - з об'єднаними R-входами першого і другого тригерів 18 і 19 і входом «Запис» реєстратора 28. Прямі виходи першого і другого тригерів 18 і 19 сполучені з інформаційними входами дешифратора 20. Перший вихід дешифратора 20 сполучений з об'єднаними першими керувальними входами комутатора 21 і блока 1 керування розгорткою частоти. Другий вихід деши фратора 20 сполучений з об'єднаними другими керувальними входами комутатора 21 і блока І керування розгорткою частоти. S- вхід др угого тригера 19 сполучений з входом 30 «Пуск». Пристрій для визначення резонансної частоти елементів конструкції працює наступним чином. В початковому стані перший і другий тригери 18 і 19 установлені в нуль, частота задавального генератора 2 установлена рівною нижній частоті діапазону частот розгортки частоти. Зміст блоку 17 пам'яті і реєстратора 28 дорівнює нулю. При надходженні сигналу на вхід 30 «Пуск» другий тригер 19 установлюється в одиницю, при цьому на першому виході дешифратора 20 формується сигнал, який надходить на перший керувальний вхід комутатора 21 і перший керувальний вхід блока 1 керування розгорткою частоти. Дешифратор 20 функціонує таким чином. При наявності кодової комбінації «00» на входах дешифратора 20 на його виходах сигнали відсутні, при наявності кодової комбінації «01» на входах формується сигнал на першому виході деши фратора 20, при наявності кодової комбінації «11» на входах формується сигнал на другому виході деши фратора 20. При наявності сигналу на першому вході блока 1 керування розгорткою частоти частота задавального w+ генератора 2 збільшується від початкового значення із постійною швидкістю V1 до значення 1 . При наявності сигналу на другому вході блока 1 керування розгорткою частоти частота задавального генератора 2 зменшується w+ wвід значення 1 до значення 1 із постійною швидкістю V1. Синусоїдальний сигнал змінної частоти з виходу задавального генератора 2 через регулятор 3 амплітуди і підсилювач 4 потужності надходить в обмотку рухомої котушки (обмотку збудження) вібростенда 5. Сигнал з виходу першого віброперетворювача 7 через перший узгоджувальний підсилювач 9 і блок 12 зворотного зв'язку надходить на керувальний вхід регулятора 3 амплітуди сигналу задавального генератора 2 для стабілізації рівня сигналу збудження вібростенда 5. Сигнал з виходу другого віброперетворювача 8 надходить на вхід другого узгоджувального підсилювача 10. Сигнали з виходів першого і другого узгоджувальних підсилювачів 9 і 10 надходять на входи фазового детектора 11. Спочатку формується режим сканування частоти задавального генератора 2 в бік збільшення частоти із постійною швидкістю V1. При порівнянні частоти сигналу змінної із швидкістю V1 частоти з виходу задавального генератора 2 з резонансною частотою динамічного резонансного піку випробуваного об'єкту 6 різниця фаз сигналів на входах фазового детектора II дорівнює величині p / 2 , а сигнал на виході фазового детектора 11 при цьому буде нульовим. На виході нуль-органа 13 формується імпульсний сигнал, який надходить на інформаційний вхід комутатора 21 і далі на його перший вихід, а тому і на керувальний вхід першого ключа 15 і на вхід «Запис» блока w+ w+ 17 пам'яті. При цьому в блок 17 пам'яті вводиться сигнал, що дорівнює значенню 1 . Сигнал 1 формується таким чином. В момент формування сигналу на виході нуль-органу 13 на виході перетворювача 14 частотанапруга формується сигнал, що дорівнює частоті максимуму обвідної напіврозмахів коливань динамічного резонансного піку при швидкості V1 розгортки частоти в бік її збільшення. Сигнал з першого виходу комутатора 21 через перший елемент 26 затримки надходить на S- вхід першого тригера 18, установлюючи тригер 18 в одиницю. При цьому формується сигнал на другому виході дешифратора 20, який надходить на другий керувальний вхід комутатора 21 і другий керувальний вхід блока 1 керування розгорткою частоти. При наявності сигналу на другому вході блока 1 керування розгорткою частоти частота задавального генератора 2 зменшується w+ wвід значення 1 із постійною швидкістю V1 до значення 1 . При порівнянні частоти сигналу змінної із швидкістю V1 частоти з виходу задавального генератора 2 з резонансною частотою динамічного резонансного піку випробуваного об'єкту 6 різниця фаз сигналів на входах фазового детектора 11 дорівнює p / 2 , а вихідний сигнал фазового детектора 11 буде нульовим . На виході нульоргана 13 формується імпульсний сигнал, який надходить на другий вихід комутатора 21 і далі на керувальний вхід др угого ключа 16 і на вхід «Читання» блока 17 пам'яті. Сигнал з виходу перетворювача 14 частота-напруга через другий ключ 16 надходить на віднімальний вхід першого суматора 22 , на підсумовувальний вхід якого надходить сигнал з виходу блока 17 пам'яті. ( ) w + - w1На виході першого суматора 22 формується сигнал 1 . На перший і другий підсумовувальні входи w1+ w1другого суматора 23 надходять сигнали відповідно. На виході другого суматора 23 формується сигнал (w )Сигнали з виходів першого і другого суматорів 22 і 23 надходять на входи «Дільник» і «Ділене» блоку (w + w ) /(w - w ) , з ви ходу блока 24 ділення ділення відповідно. Сигнал, що дорівнює величині + 1 24 + w1 + 1 1 + 1 1 3p V1 надходить на один вхід блока 25 множення , на другий вхід якого надходить сигнал з виходу джерела 29 напруги. 3p V1 [ w1+ + w1 - / w1+ - w1- ] Сигнал з виходу блока 25 множення, який дорівнює величині , надходить на w0 інформаційний вхід реєстратора 28 і відповідає значенню по співвідношенню (5). Сигнал з другого ви ходу комутатора 21 через другий елемент 27 затримки надходить на об'єднані R- входи першого і другого тригерів 18 і 19, установлюючи їх в нуль, а також на керувальний вхід реєстратора 28. При w цьому сигнал 0 фіксується і запам'ятовується реєстратором 28. Наступний цикл роботи пристрою відбувається тільки теля надходження сигналу на вхід 30 «Пуск». Найменування елементів пристрою 1 - блок керування розгорткою частоти 2 - задавальний генератор 3 - регулятор амплітуди 4 - підсилювач потужності 5 - вібростенд 6 - випробуваний об'єкт 7 - перший віброперетворювач 8 - другий віброперетворювач 9 - перший узгоджувальний підсилювач 10 - другий узгоджувальний підсилювач 11 - фазовий детектор 12 - блок зворотного зв'язку 13 - нуль-орган 14 - перетворювач частота-напруга 15 - перший ключ 16 - другий ключ 17- блок пам'яті 18 - перший тригер 19 - другий тригер 20 - дешифратор 21 - комутатор 22 - перший суматор 23 - другий суматор 24 - блок ділення 25 - блок множення 26 - перший елемент затримки 27 - другий елемент затримки 28- реєстратор 29 - джерело напруги 30 - вхід «П уск» ( )( )