Устройство для измерения жесткости упругих элементов
Изобретение относится к измерительной технике. Устройство для измерения жесткости упругих элементов позволяет повысить точность измерения за счет компенсации фазовых погрешностей элементов устройства, влияюпшх на результат измерения. Возбудитель 10 колебаний, возбуждаекых сигналами управляемого генератора 8 через усилитель 9 с регулируемым коэффициентом усилия, вызывает колебания контролируемого упругого элемента 20. С датчика I виброскорости сигнал, через коммутатор 2, усилиг (Л
СООЭ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИН!
5!1 4 С 01 М 7/00// С Ol С 25/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ф
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21} 3839178/24-28 (22) 04.01.85 (46). 15.07.86. Бюл. У 26 (71) Московский авиационный технологический институт им. К.Э.Циолковского (72) Е.А.Перель, В.М.Суминов, Д.H.Êîçëîâ, А.В.Клейменов и Н.М.Янова
Э (53) 531.717 (088.8) (56) Приборные шариковые подшипники: Справочник /Под ред. К.Н.Явленского. M. Машиностроение, 1982, с. 275-276.
Авторское свидетельство СССР
В 847118, кл. С 01 М 7/00, 1979.
„„SU„„12445 О А1 (54) УСТРОЙСТВО ДПЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Устройство для измерения жесткости упругих элементов позволяет повысить точность измерения за счет компенсации фазовых погрешностей элементов устройства, влияющих на результат измерения.
Возбудитель 10 колебаний, воэбуждаеьнх сигналами управляемого генератора 8 через усилитель 9 с регулируемым коэффициентом усилия, вызывает колебания контролируемого упругого элемента 20. С датчика виброскорости сигнал через:коммутатор 2, усили- g
I телв 3, фазовый детектор 4, усили,тель 5, интегратор 6, коммутатор 7, а также выпрямитель 11, сумматор.12, коммутатор 1.3 управляет частотой и амплитудой сигнала с выхода управляемого генератора 8. В установившемся режиме измерительная система, образованная датчиком 1 виброскорости и возбудителем 10 колебаний, закрепленными на контролируемом элементе 20, будет колебаться с частотой, равной собственной, с заданной амплитудой. Для компенсации фазовых сдвигов, присущих элементам 3,4,8, 9,10, во втором такте измерения аналоговые запоминающие блоки 14, 15 переводятся по сигналам блока 19 управления сначала в режим выборки, 244530 а затем — считывания, коммутаторы
2,7,13 — в положение, противоположное исходному. В результате при наличии фазовых погрешностей элементов. устройства аналоговый запоминающий блок 16 запоминает напряжение, пропорциональное этой погрешности с вы«хода интегратора 6. На третьем этапе измерения в процессе настройки на собственную частоту колебаний учитыва" ются фазовые погрешности устройства, I пропорциональный им сигнал поступает на второй вход суммирующего усилителя 5. По собственной частоте колебаний измерительной системы вычислитель 17 вычисляет жесткость, которая индуцируется бло-. ком 18. 1 ил.
Изобретение относится к измери тельной технике и может. быть использовано для измерения жесткости упругих элементов в приборостроении, . например элементов гироскопических ,.приборов.
Цель изобретения — увеличение точности измерений жесткости за. счет компенсации фазовых погрешностей элементов устройства, влияющих 10 на результат измерения.
На чертеже изображена блок-схема устройства.
Устройство содержит последовательно соединенные датчик 1 виброскорос" 15 ти, первый коммутатор 2, предварительный усилитель 3, фазовый детектор 4, второй суммирующий усилитель
5, интегратор 6, третий коммутатор
7, управляемый генератор 8, усили- 20 тель 9 с регулируемым коэффициентом усиления, магнитозлектрический возбудитель 10 колебаний. Устройство содержит также последовательно соединенные выпрямитель 11, первый сум- 25 мирующий усилитель 12 и второй коммутатор 13, первый 14, второй 15 и третий 16 аналоговые запоминающие блоки, последовательно соединенные вычислитель 17 жесткости и отсчетный блок 18, блок 19 управления. Первый вход фазового детектора 4 подключен
2 к предварительному усилителю 3, второй вход — к второму входу управляемого генератора 8, выход фазового детектора 4 подключен на лервмй вход второго суммирующего усилителя 5, выход интегратора б подключен на первый вход третьего коммутатора 7 и на информационные входы второго 15 и третьего 16 аналоговых запоминающих блоков, выход второго аналогового запоминающего блока 16 подключен к второму входу второго суммирующего усилителя 5 . .Первый выход управляемого генератора 8 подключен к первому входу усилителя 9 с регулируемым коэффициентом усиления и к первому входу вычислителя 17 жесткости. Выпрямитель 11 подключен к выходу предварительного усилителя 3, его выход подключен к первому входу суммирующего усилителя 12, а выход первого суммирующего усилителя 12 подключен к первому входу второго коммутатора
13 и к входу первого аналогового запоминающего блока 14, выход первого аналогового запоминающего блока 14 подключен к второму входу второго коммутатора 13. Выход второго коммутатора 13 подключен к второму входу усилителя 9 с регулируемым коэффициентом .усиления. Датчик 1 виброскорости подключен к первому входу
1244530 первого коммутатора 2, выход по току возбудителя 10 колебаний подключен к второму входу первого коммутатора 2. Датчик 1 виброскорости и возбудитель 10 колебаний образуют измерительную систему, которая закреплена на контролируемом упругом элементе 20. Блок 19 управления подключен к вторым входам первого суммирующего усилителя 1?, вычислителя
17 жесткости и интегратора 6, управляющие входы первого 2, второro
13 и третьего 7 коммутатора, а также к первому, второму и третьему управляющим входам первого 14, второго 15 и третьего 16 запоминающих блоков соответственно.
В процессе работы устройства коммутаторы 2,7 и 13 могут находиться в одном из двух возможных состояний. При отсутствии напряжения на управляющих входах первый информационный вход коммутатора соединен с его выходом, при наличии напряжения второй информационный вход коммутатора соединен с его выходом.
Аналоговые запоминающие блоки 14—
16 могут работать в режимах сброса накопленной информации, выборки, хранения, считывания и выборки-считывания. Выбор соответствующего режима производится подачей сигнала управления на один из трех управляющих входов. Первый вход служит для перевода аналогового запоминающего устройства в режиме сброса, второй — в режим выборки или хранения, третий— в режим считывания. Если сигнал управления одновременно поступает на второй и третий входы, то аналоговое запоминающее устройство работает в режиме выборки-считывания.
Управление интегратором 6 производится подачей сигнала на его вто:рой вход. При этом происходит сброс накопленной информации.
Сигнал от блока 19 управления на втором входе управляемого генератора 8 задает начальное значение частоты колебаний, сигнал на втором входе суммирующего усилителя 12 устанавливает заданное значение амплитуды колебаний, сигнал на втором входе вычислителя 17 жесткости вводит. момент инерции в вычислитель. Управляемый генератор 8 имеет два квадратурных выхода. (Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии коммутаторы
2,7 и 13 находятся в исходном положении. Сигнал с блока 19 управления на втором входе управляемого генератора 8 соответствует заданному значению начальной частоты колебаний, сигнал на втором входе суммирующего усилителя 12 — заданному значению амплитуды колебаний, сигнал на вто10 ром входе вычиСлителя 17 жесткости— моменту инерции измерительной систе-. мы, интегратор 6 и аналоговые запоминающие блоки 14 — 16 обнулены, Весь цикл измерения. разбит на три этапа. На первом этапе производится определение собственной часто.— ты колебаний с ошибкой, определяемой фазовыми погрешностями элементов измерителя, на втором этапе— определение и запоминание напряжения, пропорционального ошибке измерения собственной частоты,на третьем этапе — измерение собственной частоты с одновременной компенсацией фазовых
Первый этап работы происходит следующим образом.
Управляемый генератор 8 формирует колебания с частотой, пропорциональной напряжению на его втором входе.
Синусоидальное напряжение на первом выходе генератЪра 8 усиливается в усилителе 9 и поступает на обмотку возбудителя 10 колебаний. Возбудитель 10 колебаний преобразует входное напряжение в момент, пропорциональный току, протекающему по обмотке возбудителя колебаний. Под действием приложенного момента измерительная система вместе с контролиру4О емым упругим элементом 20 совершает колебания с частотой, равной частоте сигнала генератора 8. Колебания Hsмеряются датчиком 1 виброскорости.
Сигнал с датчика 1 виброскорости, пройдя через коммутатор 2 и усилитель 3, поступает на первый вход фазового детектора 4. На второй вход фазового детектора . 4 поступает опорный сигнал прямоугольной формы с
1 второго выхода генератора 8. Фазовый детектор 4 вырабатывает сигнал в saвисимости от сдвига фаз сигналов на его входах, причем если сдвиг фаз между опорным сигналом и напряжением о 5 на первом входе меньше 90, на выходе фазового детектора возникает постоянная составляющая напряжения положительного знака, при сдвиге фаз, 1244530
Ф равным 90, постоянная составляющая напряжения равна нулю, если сдвиг фаз больше 90, возникает напряжение с постоянной составляющей отрицательного знака. Таким образом, фазовый детектор является индикатордм
90 сдвига между напряжениями на его первом и втором входах. В свою очередь, фазовый сдвиг, равный 90, . 10 соответствует колебаниям измерительной,системы с частотой, равной ее собственной частоте колебаний f, .
Если, например, колебания измерительной системы происходят с частотой, меньшей Е, то в этом случае постоянная составляющая на входе детектора 4 вызывает увеличение выходного напряжения интегратора 6, а следовательно, и увеличение частоты генератора 8..В какой-то момент времени частота генератора 8 сравнивается с собственной частотой колебаний измерительной системы и постоянная составляющая на выходе фазового де- р5 тектора 4 становится равной нулю, и увеличение напряжения на выходе интегратора 6.прекращается. В этом состоянии в системе стабилизируются колебания с частотой, равной
30 собственной частоте колебаний.
В процессе .приближения к резонансу амппитуда колебаний возрастает.
Чтобы стабилизировать амплитуду колебаний измерительной системы на заданном уровне, используется усили35 тель 9 с регулируемым коэффициентом усиления и цепочка, состоящая из выпрямителя 11, суммирующего усилителя 12 и коммутатора 13. Напряжение, 40 соответствующее амплитуде колебаний, измеряется на выходе предварительного усилителя 3, выпрямляется и поступает на вход суммирующего усилителя 12.
Если амплитуда колебаний не равна заданной, то на выходе усилителя 12
45 появляется сигнал рассогласования соответствующего знака, что приводит к изменению коэффициента передачи усилителя 9 ° Этот процесс продолжается до тех пор,.пока амплитуда колеба- 50 ний измерительной системы не будет равна заданной.
В рассмотренном режиме измерение собственной частоты колебаний производится с некоторой ошибкой. Погрешность измерения возникает иэ-за фазовых сдвигов, вносимых в систему управляемым генератором 8, усилителем
9 с регулируемым коэффициентом усилейия, возбудителем 10 колебаний, предварительным усилителем 3 и фазовым детектором 4.
Второй этап измерения происходит следующим образом.
По сигналу с блока 19 управления, поступающего на вторые управляющие входы аналоговых запоминающих блоков 14 и 15, блоки 14 и 15 переводятся в режим выборки. Запоминающие блоки выбирают напряжение, соответствующее амплитуде и частоте колебаний измерительной системы. После этого коммутаторы 7 и. 13 переводятся в положение, противоположное исходному, а аналоговые запоминающие блоки 14 и 15 по сигналу с блока 19 управления на их третьем входе переводятся в режим считывания. В результате в системе сохраняется прежний режим колебаний. Затем на второй вход интегратора 6 кратковременно подается сигнал обнуления. После обнуления интегратора 6 коммутатор
2 переводится в положение, противоположное исходному, на.первый и третий управляющие входы блока 16 подаются сигналы управления и аналоговый запоминающий блок 16 переводится в режим выборки-считывания сигнала с интегратора 6. Переключение ком-. мутатора 2 дает возможность подключить к фазовому детектору 4 те эле- . менты, которые являются источником фазовых погрешностей измерителя. При отсутствии фазовых погрешностей сдвиг фаз сигналов на первом и втором входах фазового детектора 4 равен 90 и о постоянная составляющая сигнала на выходе фазового детектора 4 равна нулю. При наличии фазовых погрешностей появляется постоянная составляющая напряжения. Это напряжение через суммирующий усилитель 5 поступает на интегратор 6, и сигнал на выходе интегратора 6 начинает возрастать.
Поскольку аналоговый запоминающий блок 16 работает в режиме выборки- считывания, то сигнал с интегратора
6, пройдя блок 16, поступает на второй вход суммирующего усилителя 5.
В результате напряжения на выходе суммирующего усилителя 5 начинаеч уменьшаться, и когда сигнал с аналогового запоминающего блока 16,на втором суммирующем усилителе 5, скомпенсирует сигнал с фазового де12445 тектора на его первом входе, увеличение напряжения на выходе интегра-. тора 6 прекращается. По сигналу с блока 19 управления аналоговый запоминающий блок 16 переводится в 5 режим считывания, для чего с его второго входа снимается управляющее напряжение. При этом аналоговый запоминающий блок 16 запоминает и формирует на втором входе суммирующе" 1О го усилителя 5 напряжение, пропорциональное фазовой погрешности устройства. По сигналу с блока 19 управления интегратор 6 обнуляется.
Третий этап происходит следующим образом.
На третьем этапе производится измерение собственной частоты колебаний измерительной системы с контролируемым упругим элементом, компенсация фазовой погрешности устройства, расчет и индикация жесткости упругого элемента. Для этого коммутаторы 2,7 и 13 перечодятся в исходное положение и повторяется рассмотренный процесс поиска собственной частоты колебаний. Поскольку в процессе настройки на собственную частоту на втором входе суммирующего усилителя 5 имеется напряжение, запомненное блоком 16 и равное фазовой погрешности, в системе .устанавливается режим колебаний, при котором фазовый сдвиг между сигналами равен
Устройство для измерения жесткости упругих элементов, содержащее датчик виброскорости, последователь2О но соединенные предварительный усилитель и фазовый детектор, интегратор, управляемый генератор, второй вход которого подключен к второму входу фазового детектора, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, первый вход которого соединен с первым выходом управляемого генератора, возбудитель колебаний, подключенный к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выпрямитель, подключенный к выходу предварительного усилителя, сумматор, подключенный к выходу выпрямителя, вычисли.тель жесткости, первым входом соединенный с первым выходом управляемого генератора, отсчетный блок, соединенный с выходам вычислителя жесткости, блок управления, выходы которого соединены соответственно с вторыми входами суммирующего усилителя, вычислителя жесткости, управляемого генератора, интегратора, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности измерений sa счет компенсации фазовых погрешностей измерения, устройство снаб= 90
М о о рым суммирующим усилителем, первый где -Ч, — фазовая погрешность измерительных цепей.
Таким образом, в процессе поиска собственной частоты колебаний сдвига происходит компенсация погрешностей, возникающая вследствие фазовых сдвигов в управляемом генераторе 8, усилителе 9 с регулируемым коэффициентом усиления, возбудителе 10 колебаний, предварительном усилителе 3 и фазовом детекторе 4.
С выхода управляемого генератора 8 снимается сигнал собственной частоты колебаний и поступает в вычисли. тель 17 жесткости.
Вычислитель 17 жесткости реализует следующий алгоритм вычислений:
30 8 где К вЂ” жесткость упругого элемента; — момент инерции измерительной системы.
Величина вычисленной жесткости индицирует с помощью .отсчетного блока 18.
После окончания процесса измерений по сигналу с блока 19 управления производится обнуление аналоговых запоминающих блоков 14 — !6 и интегратора 6. Измеритель готов к новому циклу измерения жесткости.
Ф о р м у л а . и з о б р е т е н и я жено первым, вторым и третьим коммутаторами на два информационных входа, первым, вторым и третьим аналоговыми запоминающими блоками, втовход первого коммутатора подключен к датчику виброскорости, его второй вход подключен к выходу возбудителя колебаний, выход первого коммутатора подключен к предварительному усилителю, выход первого суммирующего
2) усилителя подключен к первому входу второго коммутатора и входу первого
Составитель 10.Петраковский
Техред И.Попович Корректор М.Пожо
Редактор Е.Копча
Заказ 3907/45,Тираж 778 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
Il3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5
«Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4
9 12445 аналогового запоминающего блока, выход первого аналогового запоминающего блока подключен к второму входу второго коммутатора, выход í roporo коммутатора подключен к второму вхо ду усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход фазового детектора подключен к первому входу второго суммирующего усилителя, выход второго суммирующего усилителя щ подключен к входу интегратора, вы-. ход интегратора подключен к входам второго и третьего аналоговых запоминающих блоков и первому входу треть-:
30 l0
его коммутатора, выход второго аналогового запоминающего блока подключен к второму входу третьего коммутатора, выход третьего аналогового запоминающего блока подключен к второму входу- второго суммирующего усилителя, выходы блока управления подключены соответственно к управляющим входам первого, второго и третьего коммутаторов и к первому, второму и третьему уп. равляющим входам первого, второго и третьего аналоговых запоминающих блоков.
