Способ измерения статодинамических параметров изделий при воздействии вибрации и температуры

 

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к радиоволновым методам измерений статодинамических параметров различных изделий при их испытаниях на одновременное воздействие вибрации и температуры. Целью изобретения является увеличение точности. Измерения осуществляют в режиме динамического затягивания частоты, одновременно с определением резонансных /Р/ частот для каждого К-го фиксированного уровня /У/ возбуждения регистрируют при различных /1+1/ температурных У, где I 0.1,2,3 .., К 0,1,2,3... номера У, амплитудные значения Р и вынужденных колебаний, а затем осуществляют их выравнивание к первоначально контролируемым значениям i-ro У посредством изменений фазы СВЧ-сигнала и пространственной ориентации оси антенны, устанавливаемой на фиксированном расстоянии от изделия, по результатам выравнивания судят о вибрационных характеристиках, а также относительных величинах и направлениях тепловых деформаций элементов изделий . 2 ил. СО С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л G 01 Н 13/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4600364/28 (22) 31.10.88 (46) 15.09.91. Бюл. М 34 (72) Ю.П.Шуров (53) 531,7 (088.8) (56) Майоров А,В., Потюков Н.П, Планирование и проведение ускоренных испытаний на надежность устройств электронной автоматики. М.: Радио и связь, 1982.

Электронная техника, сер. 8. 1979, вып.

2 (72), с. 47. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СТАТОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ ПРИ

ВОЗДЕЙСТВИИ ВИБРАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к радиоволновым методам измерений статодинамических параметров различных изделий при их испытаниях на одновременное воздействие

Изобретение относится к методам измерений при испытаниях различных изделий на одновременное воздействие вибрации и других эксплуатационных факторов и может быть использовано для бесконтактного радиочастотного исследования статодинамических параметров конструктивных элементов изделий, находящихся в условиях воздействия вибрации и температуры.

Цель изобретения — увеличение точности измерений.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа измерений; на фиг.2-схема осуществления способа измерения Ы,, 1677533 Al вибрации и температуры, Целью изобретения является увеличение точности. Измерения осуществляют в режиме динамического затягивания частоты, одновременно с определением резонансных /Р/ частот для каждого К-го фиксированного уровня /У/ возбуждения регистрируют при различных

/1+1/ температурных У, где i = 0.1,2,3..., К =

=0,1,2,3... номера У, амплитудные значения

Р и вынужденных колебаний, а затем осуществляют их выравнивание к первоначально контролируемым значениям i-го У посредством изменений фазы СВЧ-сигнала и пространственной ориентации оси антенны, устанавливаемой на фиксированном расстоянии от изделия, по результатам выравнивания судят о вибрационных характеристиках, а также относительных величинах и направлениях тепловых деформаций элементов иэделий. 2 ил. статодинамических параметров конструктивного элемента изделия консольного типа {Я при комплексном воздействии вибрации и температуры.

На фиг,2 приняты следующие обозначения: а — нормальные условия + вибрация; б — комплексное воздействие вибрации и температуры; А — антенна; К вЂ” исследуемый элемент; Π— основание — вибростол;Лфо)— амплитудное зна,ение изменения фазы отраженного сигнала эа счет вибрации; Х(о)— амплитудное значение вибросмещения;

Лр - составляющая фазового набега при изменении расстояния эа счет тепловой деформации: ЛХΠ— линейная деформация (прогиб) поверхности иэделия; l„— линей1677533 ный размер диаграммы направленности антенны e п л оoс к оoс тTи и з м еeр еeнHи й: L — линейный размер изделия; Й вЂ” частота вибрации, n — нормаль к поверхности элемента; индекс

"0" — относится к нормальным условиям, индекс "Т" — к условиям комплексных испытаний.

Устройство состоит из СВЧ термоиэолированной измерительной головки автодина

1, которую устанавливают внутри камеры термовибростенда 2 на координатном устройстве 3 со следящим приводом от блока 4 управления и измерения координат 7, тракта 5 обработки и измерения информации, а также системы 6 возбуждения колебаний изделия 7. Автодин состоит из последовательно подключенных термостатированного автогенератора 8, направленного ответвителя 9, второй выход которого подключен на вход амплитудного детектора 10, фазовращателя 11 и рупорной антенны 12 с радиопрозрачным тепловым экраном 13.

Тракт обработки и регистрации информации включает последовательно соединенные следящий фильтр 14, подключенный входом к выходу амплитудного детектора 10 и выходом к блоку 4 управления и измерения координат, регистратор 15, m+1 входы которого подключены к m измерительным выходам блока 4 управления и измерения координат, и задающий генератор 16, подключенный вторым выходом на второй вход следящего фильтра 14, а также регулируемый источник 17 питания, подключенный первым выходом на вход автогенератора 8, а вторым — на второй вход фазовращателя

11.

Система 6 возбуждения колебаний изделия 7 включает вибростенд 18, подключенный на вход усилителя 19 мощности, вход которого подключен на первый выход задающего генератора 16, второй вход которого,подключен на выход виброизмерительного преобразователя 20 (ВИП), установленного на столе вибростенда.

Устройство работает следующим образом, Сигнал, излучаемый автогенератором 8, в виде узкого луча с помощью рупорной антенны 12 направляют на изделие 7, колебания которого возбуждают вибростендом 18 и поддерживают на заданном уровне с помощью цепи обратной связи с выхода ВИП 20 на второй вход задающего генератора 16, При взаимодействии прямого и промодулированного по фазе отраженных сигналов на нелинейной проводимости автогенератора 8 возникает затягивание и синхронизация частоты излучения автодина 1, 5

Автогенератор 8 переходит в режим чувствительного элемента вибрации исследуемого изделия 7. Через второй выход направленного ответвителя 9 промодулированный по амплитуде и частоте сигнал подают на вход амплитудного детектора 10, на выходе которого выделяют огибающую несущей частоты, которая характеризует зависимость уровня вибрационного воздействия от частоты возбуждения. За счет термостатирования автогенератора 8 и термостабилизации элементов СВЧ-тракта. а также использования радиопрозрачного теплового экрана 13 антенны 12 влияние изменения режимов термокамеры 2 на функционирование автодина 1 будет минимальным, С выхода амплитудного детектора 10 сигнал подают на вход тракта 5 обработки и регистрации. Отстройку частоты основной гармоники измеряемого сигнала от фона Iloбочных частот осуществляют следящим фильтром 14, Напряжение выходного сигнала задающего генератора 16 использую-. для возбуждения через усилитель 19 мощности вибростенда 18, à по второму выходу— для синхронизации частоты возбуждения с частотой основной гармоники фильтра 14, выходной сигнал которого подают на первый вход регистратора 15 уровня. Выходным сигналом регистратора 15 синхронизируют скорость сканирования частоты генератора 16, При воздействии температуры одновременно с вибрацией могут возникать тепловые деформации, которые при фиксированных режимах испытаний и угловых координатах антенны будут приводить к изменениям направления приема сигналов максимальных уровней, совпадающих с направлением нормали К эффективной отражающей поверхности исследуемого элемента изделия. Вместо одномерной могут возникать пространственные составляющие вектора вибрации, которые при фиксированном направлении оси антенны будут приводить к снижению уровня сигнала на выходе детектора 10, а следовательно, к возникновению методической составляющей погрешности за счет тепловых деформаций. С помощью координатного устройства 3 и фазовращателя 11 для каждого фиксированного К-го уровня возбуждения при различных ii 1 температурных уровнях осуществляют выравнивание текущих значений к первоначально кон ролируемым значениям i-ro уровня. Выравнивание осуществляют угловыми перемещениями измерительной c0l1021:.н . втодина с антенной 12, а такж„à и",i .",ñíà.ii чин фазового набега сигнала и.:лу ен .: тлели образом, 1677533

30

50 чтобы на выходе детектора 10 достигались максимальные значения сигналов вибрации, которые контролиауют по показаниям регистратора 15 уровня. При изменении уровней регистрируемых с;;r .-1алав относительно первоначально установленных и контролируемых значений блок 4 управления и измерения координат вырабатывает сигнал ошибки, который запускает следящий привод координатного устройства 3 и перемещает измерительную головку автодина 1. При достижении нулевого значения сигнала ошибки привод отклю:ается, и осуществляются измерения угловых координат. Сигнал ошибки представляет собой разность между двумя контролируемыми уровнями напряжений сигналов с выхода следящего ф1лльтра 14, соответствующлх! и !

+1 значениям температурных уровней. С выхода блока 4 измерения коардлнат напряжения сигналов угловых координат регистрируют многоканальным регистратором 15. Статадинамические параметры исследуемого изделия лли его элементов определяют для различных i и К уровней на основании регистрируемой зависимости максимальных значений сигнала вибрации на частотах резонансных и вынужденных колебаний от угловых координат оси антенны, Величину скорости выравнивания выбирают выше скорости сканирования частоты возбуждения иэ условия обеспеченля заданной погрешности измерений. При необходимости исследования нескольких элементов измерительную головку автодина 1 перемеща|от с помощью координатного устройства 3 в плоскости измерений на фиксированном расстоянии между антенной 12 и изделием 7. Напряжения сигналов линейных координат элементов изделий с выхода блока 4 подают на вход регистратора 15 уровня. На основании измеренных значений урсвней сигналов вибрации и соответствующих координат определяют величину и направления тепловых деформаций, Уровни деформаций определяют относительно первоначально контролируемого положения элемента изделия при нормальных условиях (i =- О) и отсутствии вибрации (К = 0) либо относительно основания — стола вибростенда посредством преобразования угловых координат оси антенны 12 в линейные перемещения (деформации) каждого иэ элементов. Одновременно определяют амплитудные значения вибросмещений деформированных элементов изделий на частотах вынужденных и резонансных колебаний, Регулированием в заданных пределах выходных напряжен и источника 17 пастояннагО така саотВРтствРнно па каналу осуществляют дистанционное управление режимами функционирования автогенератора 8, по 2-му каналу фазовращателя 11, Воспользуемся обозначениями фиг.2, предполагая, что измерение статодинамических параметров осуществляется в дальней зоне излучения антенны автодина. 3э счет разности хода приходящих в точку С лучей отраженных сигналов 1 и 2 возникает фазовь.й набег: лдпя =+br(t);

g (!< ц(- 2х(0)с0$Й С

cosA в

Ђ”! s! П 1 где 0 0 Сл оптический путь луча 1;

ВС вЂ” оптический путь луча 2; и) (t ) — частота сигнала излучения: с — скорость света;

Aq — угол между нормалями поил .

Можно показать, что в режиме динамического затягивания частоты cur (< ) фаза отраженного сигнала с учетом соотношения (1) будет равна:

Ь (ЩИ) = p((1 + @ sin(QL + а)) (2)

8 = (1 о );a = агсщ-< ;

1 о),coo, 2м(о о С (3) где 3N» — соответственно параметры, определяющие уровни преобразования фаэьI ll согласования тракта автодина с нагрузкой (исследуемым изделием);

p),ûä — фазовый набег и частота сигll3 ла излучения при согласованной нагрузке;

Ao>(0) — амплитудное значение фазового набега за счет динамического затягивания частоты;

Аоэ,Жо (о) — соответственно диапазоны статического и динамического затягивания частоты автогенератора;

L< — расстояние между антенной и изделием.

Из соотношений (2) и (3) следует, что предлагаемый способ измерений по сравнению с известнь м обладает более вь!сокой чувствительность:э преобразования, так как при Að (o) AJ) (o)AO относительный коэффициент фалы эа счет динамического затягивания P)l 1 для à".åõ значений лу(u) 0 .

Полагая, что диапазоны длнамическаго и ста ическога затягивания чэ:таты удовл.:; -c,ðÿþò ус-овию

1677533 ()< «1 (4) с 4 а также ограничиваясь первой гармоникой частоты огибающей тока амплитудного детектора l(t), для коэффициента преобразования статодинамических параметров способа измерений имеем:

A = „0 =Bow0P; (5)

Р = Роехр(-2ао о) („и с ()+а„т )) (1+ (-) ) a

2в Л

Qo

Яь

5 (6)

2л;С с где Р Д = = — — соответственно мощ Ж fo ность и длина волны излучения;

ao — коэффициент затухания;

o — температурный коэффициент сопротивления материала стенок;

Т вЂ” температура окружающей среды, оС

܄— аппаратный параметр, не зависящийот М4и Р, В соответствии с соотношениями (5) и (6) величина погрешности измерений параметров вибрации при комплексных испытаниях может быть представлена как — "ф — w() +(й ()

За счет использования термостабилизации автогенератора и термоизоляции измерительной головки автодина величину составляющей погрешности можно (N4 сделать не хуже 10 -10 5. С учетом данных из соотношения (7) для волны излучениями

8 мм имеем 10% . дА

В соответствии с обозначениями фиг.2 и соотношением (1) уровни и направления относительных тепловых деформаций поверхности конструктивного элемента могут быть определены как где о - напряжения тепловых деформаций, Š— модуль упругости.

Полагая, что при воздействии температуры возникающие на единице поверхности материала элемента изделия напряжения

55 о в первом приближении пропорциональны изменению температуры Л П, имеем

Лд = аткЛТГ, где а тк — коэффициент пропорциональности.

При Ау«1 и фиксированном направлении от измерительной системы автодина суммарный фазовый набег отраженного сигнала в С за счет вибрации и температуры будет равен: л ф) = лp(o)cosQt — л ъ; ьу(о) — х(о), М вЂ” к « П (9)

2ай1

Из соотношений (8) и (9) видно, что при фиксированных координатах оси антенны с изменением температуры уровень сигнала, характеризующего взаимодействие между полем излучения и иэделием, может уменьшаться.

При A>pe(t)W независимо оттого, что ь (TI,х(0)),x(o,ë7 ) 0, амплитудное значение тока детектора !(О) О, Достижение первоначально установленного максимального уровня (О) обеспечивают компенсацией фаэовращателем 10 фазового набега h, ро о и изменением направления оси антенны на угол Лд(ЛТГ), так чтобы направление нормали к поверхности исследуемого элемента при изменении температуры в пределах

АТ =Тг+ > — Тг совпадало с направлением оси измерений, т.е. соответствовало максимуму направления излучения — приема диаграммы направленности антенны, Осуществив выравнивание !(О) к первоначальному значению, в соответствии с соотношением (8) и (9) определяют величину и направление ЛtjизменениемЛр,(Лд) и угла поворота оси антенны при Т = Тон1 относительно значений при Т = Т ь

Так как определение h y осуществляют измерениями i(0), точность измерений величины и направления тепловых деформаций будет определяться величиной методической погрешности соотношения (7), а также инструментальной погрешностью блока 4 измерения координат.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый способ измерений обеспечивает повышение точности измерений статодинамических параметров элементов иэделий при комплексных испытаниях; 60-. лее высокую чувствительность измерений вибрационных характеристик на частотах резонансных и вынужденных колебаний; измерение тепловых деформаций для одной и той же точки(микроминиатюрного элемен1677533

10 та) иэделия в реальном масштабе времени вибрационного воздействия.

Формула изобретения

Способ измерения статодинамических параметров изделий при воздействии виб- 5 рации и температуры, заключающийся в том, что изделие облучают электромагнитной волной СВЧ механическими колебаниями, свипируют фазу волны СВЧ и регистрируют амплитуды волн, рассеянных 10 изделий, по которым определяют резонансные частоты, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений, свипируют частоту волны СВЧ, колебания на резонансных и нереэонансных частотах 15 возбуждения определяют а I 0,1.2... тем пературных уровнях и K 0,1,2,... уровнях вибрации изделия, для чего амплитуды рас сеянных волн при I-м К-м уровнях выравни вают с амплитудами для каждого I-fo температурного при каждом К-м уровне вибрации соответственно, при 0-м температурой и 0-м уровне вибрации соответственно путем изменения фазы и направления облучения электромагнитной волны, по результатам выравнивая судят о вибрационных характеристиках, а также об относительных величинах и направлениях тепловых деформаций элементов изделия.

1677533 х(8)

— (o)Jag

Фит . 2:

Составитель Е,Воронин

Редактор Л.Веселовская Техред М,Моргентал Корректор 0,0ипле

Заказ 3106 Тираж 3©0 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101