Способ определения метрологических характеристик виброакустической аппаратуры

 

Использование: в виброизмерительной технике для определения спектральных метрологических характеристик измерительной аппаратуры. Сущность изобретения: на вход контролируемой аппаратуры подают сигнал белого шума. Определяют амплитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики измерительного и образцовых каналов. Определяют спектральную динамическую погрешность из выражения Ддин ( О) ) . / 1 -Но(й))2 + « Но(«0 slo2-MI l , где Н0( со ) - отношение АЧХ измерительного и образцового каналов, Ав ( а) ) - ФЧХ измерительного канала, сдвинутая относительно ФЧХ образцового канала. (/) С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК тя)5 6 01 M 7/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Лдин (о )—

2 ЬО(ОЗ} (21) 4773725/28 (22) 25.12.89 (46) 15.05.93. Бюл. М 18 (71) Летно-исследовательский институт им.

М,М.Громова (72) В.И.Конычев, В.Б.Митенков и Л.П.Рябов (56) ГОСТ 25965-83. Средства измерения вибрации с пьезоэлектрическими виброиэмерительными преобразователями.

ГОСТ 8.009 — 84. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. С34-37. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ (57) Использование: в виброизмерительной технике для определения спектральных метрологических характеристик измериИзобретение относится к виброизмерительной технике и может быть использовано для определения спектральных метрологических характеристик сквозных регистрирующих каналов измерительной аппаратуры, прежде всего для формирования спектральной динамической погрешности, возникающей при измерении амплитудных спектров случайных вибрационных или акустических нагрузок. Способ рекомендуется использовать в приборо- и агрегатостроительной промышленности, преимущественно в тех случаях, когда решают целевую задачу в области вибрационной надежности, связанную в частности с прогнозированием вибрационной прочности (усталостной долговечности) конструкции изделия в ожидаемых условиях, отличающихся вибрационными или акустическими нагружениями на приборы и агрегаты, „„Я2„„1815601 А1 тельной аппаратуры. Сущность изобретения: на вход контролируемой аппаратуры подают сигнал белого шума, Определяют амплитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики измерительного и образцовых каналов. Определяют спектральную динамическую погрешность из выражения где Н (в ) — отношение АЧХ измерительного и образцового каналов, ЛО (ж ) — ФЧХ измерительного канала, сдвинутая относительно ФЧХ образцового канала.

Целью изобретения является повышение достоверности информативности путем формирования спектральной динамической погрешности с учетом совместной псгрешности АЧХ и ФЧХ измерительного канала.

Для достижения цели производят формирование в частотной области спектральной динамической погрешности сквозных регистрирующих каналов виброизмерительной аппаратуры. Определяют спектральные метрологические характеристики средств измерений, спектральную динамическую погрешность применительно к случайным виброакустическим процессам с широкополосными спектрами. В итоге оценивается доля погрешности виброиэмерений, вносимый регистрирующей аппаратурой. Полученный способ определения динамической погрешности позволяет непосредственно решать прикладные задачи.

1815601

Предлагаемый способ определения метрологических характеристик виброакустической аппаратуры заключается в том, что подают на входы измерительного и образцового каналов контролируемой виброакустической аппаратуры виброакустические воздействия, снимают выходные электрические сигналы измерительного и образцового каналов контролируемой виброакустической аппаратуры, сопоставляют выходные электрические сигналы измерительного и образцового каналов и получают АЧХ и ФЧХ контролируемой виброакустической аппаратуры, На входы образцового и измерительного каналов контролируемой виброакустической аппаратуры подают сигнал белого шума и определяют спектральную динамическую погрешность из выражения

Л дин(в ) = (1 — Нл(в ) + 4Но(в )31п х

° — -Я-"- -) n, где Но(N )=

N — отношение АЧХ

Нэ измерительного канала контролируемой аппаратуры к АЧХ образцового канала;

М (в )=(О (й) )- тэ (в ))-ФЧХ измерительного канала, сдвинутая относительно ФЧХ образцового канала.

В предлагаемом способе динамическая погрешность представлена как спектральная характеристика, слагающаяся из погрешностей от искажений, вносимых в измерения АЧХ и ФЧХ регистрирующих каналов аппаратуры; выявляется раздельная роль каждой из этих характеристик в образовании динамической погрешности.

Предлагаемый способ устанавливает методику,.определения динамической погрешности средств измерений как спектральной погрешности наряду с ФЧХ и АЧХ по алгоритму, включающему материальные операции по определению указанных метрологических операций: обеспечен аппаратурными средствами; предусматривает решение задач в области прогнозирования вибрационной надежности.

Предусматривается два этапа материальных действий.

1-й этап: формирование спектральной динамической погрешности измерительной аппаратуры.

1.1. На вход регистрирующего канала средств измерений подается исходный случайный сигнал (с), преимущественно белый шум, с выхода регистрирующего канала снимается случайный Y(t).

Параллельно исходный сигнал (г) регистрируется образцовым каналом, с выхода которого снимается случайный сигнал

X(t).

1,2. Случайные сигналы g (t), X(t), Y(t) c помощью дискретных преобразований по

Фурье трансформируются с привлечением средств вычислительной техники в амплитудные спектры соответственно

10 0 в),Х0 в)Y(JN)

1.3, Устанавливаются технические требования к безыскаженной регистрации сигнала ((t) n

Х(Юс4=нэ(1С4 Т(1О - Нэ(Ы Е " ((ju)> го "(Ф="(Ф ((Ф= Н(4 е (a)

Здесь Нэ(в )О,э(в ), Н(в ),0 (в )

ЧХ и ФЧХ образцового и измерительного каналов соответственно.

1.4. Формируется динамическая по25 грешность в соответствии с алгоритмом

Л (j в )=X(j в ) — Y(JN ) или

3О (1Ц1= 1- — Е J(el i " (")1.Х()

В соответствии с этим модуль относительной динамической погрешности дается формулой

35 Ь )в

-(N) =l . l= E1-Н(в ) )+;

X jN

+.4 - (в ).з;п2 в ) /2, 40

Но в где Н,(в ) =

Нэ асдвигЛО (в)=(0 (в ) — т э в ).

2-й этап. Экспериментальное определение с привлечением средств вычислительной техники спектральных метрологических характеристик — АЧХ и ФЧХ в составе динамической погрешности.

2.1. Строится отношение

H в -1@Э)-гав)

JN) В

=Но(в)

2.2. Формируется комплексное сопряжение амплитудных спектров Х (J N)

Y (J в ) и получают для эксперимента определительные алгоритмы для АЧХ

1815601 (Hp(o)))г— — . c0h <> (в), г д ФЧХ

Нз — Н „дН

Нэ Нэ

ЛО(и) = агсто

Wxy(N )=X() N ) YQ N ).

Wyy(и ) = (УО и ) .

Wxx(и) = Х() в)I, г Π— язв) д0

4Hps(О гэв =(г — тз) и (1 — Hp(в))г-4Hp(в ).з!и . ЛО (в )/2.

40 язв=510 с 8 О =02, тодля в =2 л f 2 л .2000 находим 4.0,8.sin (0,2) = 4 0,8 0,04 = 0;13.

В итоге имеем

Принимаем Н(в ) = Н; Нз(и ) = H>, 45

Л g = 0,16-0,143 0,54 (54 ).

0(в)=О,Оэ(в)= — r> в

Н=Н ч-д Н;

О=О«+дО;

Нэ

=О, г — r, =О.

Нэ (1 — Но(иЯ = 0.04

Второе слагаемое находится путем

Взаимный спектр Wxy(в ) создается путем усреднения статистических ошибок

Автономные спектры вычисляются по алгоритмам усреднения статистических оценок где Im(Wxy(в )) и Re(Wxy(и)) — мнимая и действительная части взаимного спектра.

Функция когерентности Coh xy(в ) исг пользуется как спектральный фильтр для очищения выходного сигнала

Wyy (в) от возможных непроизводительных помех, чем и обеспечивается качество метрологического эксперимента.

Таким образом динамическая погрешность Ьд н(и) подтверждена и обеспечена экспериментальными материалами и способами для образования ее слагаемых, т.е.

Первый вариант.

Статистические оценки для вычисления

АЧХ и ФЧХ являются смещенными.

В ходе статической обработки устанавливаются усреднения для рабочего диапазона частот задается условие, вытекающее из определения д Нэ<< д Н, до«д0 образцового регистратора.

Первое слагаемое динамической погрешности находится по формуле:

5 (1 — Но(в )) -(1 — — H+- H l = г Н дН 2

Нэ Нэ

Нэ — Н где „вЂ” относительное смещение н оценки АЧХ;

15 дН вЂ” предельная динамическая соНэ ставляющая оценки АЧХ.

В частности, когда получается

Нэ — Н дН вЂ” 0,2, а = 0,2, то (1 — Hp(и ) )г=

Нэ Нэ

20 «015

Второе слагаемое динамической погрешности можно представить в виде смещение оценки ФЧХ здесь составляет

Принимая во внимание, что усреднение

Оформируется как Π— т, в,, то смещение становится равным

Если в ходе статистической обработки выявлено, что

Второй вариант

АЧХ и ФЧХ представлены несмещенны50 ми оценками.

По условию заданы;

Первое слагаемое вычисляется как

1815601

4.1, sin (0,2) = 0.16.

Значит

Л дин = 0,04-0,16 = 0,45, Т =1-(1 Л.-)

То

Тр = (1 + Лдин),То.

P(A(N) > Ан) г.г, Т Т т.е.

"о или

1 ++ =(1 +Qèí) о

I h, jar !

Лин 1Х 3 !

Ан=А+Кн о А

Иэ элементарных расчетов явствует, что преобладающую роль в образовании динамической погрешности играет ее фазово-частотная составляющая, Отметим, кстати, что в прототипе при расчете динамической составляющей ФЧХ не придается никакого значения, Динамическая погрешность представляется (наряду с АЧХ, ФЧХ, Coh )(у! в форме спектральной характеристики.

Спектральная динамическая погрешность может быть использована для решения целевых задач, являющихся в то же время критериальными признаками для назначения исходной величины этой погрешности.

В области прогнозирования в ожидаемых условиях эксплуатации вибрационной надежности изделий в качестве типовых задач служат, например, о цен ка ресурсной вибро п рочности (усталостной долговечности) изделия, устанавливаемого на объекте; оценка вибрационной совместимости изделия с бортом объекта: формирование испытательных вибронормативов для оценки ресурсной вибропрочности изделия по его установки на борт объекта, 1. Оценка ресурсной вибропрочности изделия базируется на алгоритме усталостной долговечности при воздействии случайной вибронагрузки с амплитудным спектром, где To — ресурс изделия при вибронагрузке, .определенной входнымспектром X(j а ) 1; Л Т вЂ” поправка ресурса на воздействие вибронагрузки со спектром X(j в )

+-(Л O м) 1;

m — показатель степени кривой устало.ти по Велеру, обычно m = 4,6;

Л дин — предельный уровень динамической погрешности.

В данной задаче возможны два варианта решения.

5 Первый вариант, когда имеет место

10 Тогда фактический ресурс Тр равен

Второй вариант возникает при условии

ЛТ

=(1 — Л д„)

П)

То

Фактический ресурс составляет

Тр = (1 — Л дин) .То, Практический смысл приобретает условие

Тр (1 + Л дин) То.

Таким образом фактический вибропрочностный ресурс изделия приобретает интервальные значения и может оказаться неопознанным при больших погрешностях измерений, Задание вариации Л Т/То может служить критерием для назначения исходной погрешности измерений.

2. Оценка вибрационной совместимости изделия с бортом объекта производится с привлечением вероятностного неравенства

40 где А(а ) =! X(j в ) — реальная вибронагрузка на объект, представленная амплитудным спектром;

Ан — вибронормативы, установленные в

45 НТД;

Q — вероятностный риск, с каким ожидается выполнение неравенства в квадратных скобках.

При изучении статистики находятся усреднения по индексу I

A = 1iп Д, cr A =(A, - A): A(rv ) = A. !

=1

Затем устанавливается аппроксимация

1815601

А — А11

Кн =

A и A — Ап

+ — = ад oА

0,5а, аа 4 а,, 0,02 а 0,2. аддин (®) 2 ЛО rrl} и определяется соответствующее значение

Кн

Предельное вероятностное неравенство записывается в канонической форме

1, 1

PfA — A)>Кн а A) —; =а=—

К2 К2 (обычно а =0,05).

Если теперь принять во внимание, что измерения осуществляются уровнями, включающими динамическую погрешность, ЛА =! Л() в)! т.е. А+.ЛА, то

= K.11 ËÊ =Кп(1 К )

Кп

Вследствие этого риск а принимает интервальные значения (Т ((П (1+-@-} (1+- -}

Так, в частности, при Л К/К = 0,5 получается т.е. вместо ранее принятого риска a = 0,05 получаем фактический риск в интервале значений

3, Формирование испытательных виб. ронормативов осуществляется с привлече. нием алгоритма усталостной долговечности при воздействии случайных вибронагрузок. где Тн — заданная продолжительность виброиспытаний при вибронагруэке с уровнем

А;

Тн — корректируемая и родолжител ьность виброиспытаний, соответствующая вибронагрузке А 1 Л А.

При этом T„=(1 ) . Тн, ЛА где Л А/А — динамическая погрешность.

С учетом динамической погрешности

ЛА/А воспроизведения вибро11агрузок на испытательном вибростенде фактическая продолжительность виброиспытаний при5 обретает интервальное значение (1 — „") Т<Т<)1 — — А ) ,кТи, 10 В соответствии с этим в целях достоверности результатов должна производиться корректировка режима виброиспытаний на ресурсную вибропрочность.

Таким образом, удалось установить пря15 мое (а не косвенное, как обычно) влияние погрешностей виброизмерений на результаты решения материальных задач, являющихся в свою очередь критериальными признаками для назначения исходной вели20 чины погрешностей виброизмерений.

Формула изобретения

Способ определения метрологических характеристик виброакустической аппаратуры, заключающийся в том, что подают на

25 входы измерительного и образцового каналов контролируемой виброакустической аппаратуры виброакустические воздействия, снимают выходные электрические сигналы измерительного и образцового каналов кон30 тролируемой виброакустической аппаратуры, сопоставляют выходные электрические сигналы измерительного и образцового каналов и получают амплитудно-частотную (АЧХ) и фаза-чатсотную (ФЧХ) характери35 стики контролируемой виброакустической аппаратуры, отл ича ю щи йс я тем, что, с целью повышения достоверности и информативности путем учета совместной погрешности АЧХ и ФЧХ измерительного

40 канала, на входы образцового и измерительного каналов контролируемой виброакустической аппаратуры подают сигнал белого шума и определяют спектральную динамическую погрешность из выражения:

45 где Н (в)=

Н в — отношение АЧХ

Нэ измерительного канала контролируемой an55 паратуры к АЧХ образцового канала;

ЛО(в) =(В(в) — т, (в)) — ФЧХ измерительного канала, сдвинутая относительно

ФЧХ образцового канала.

1815661

Составитель

Техред M,Moðãåíòàë Корректор О Густи

Редактор

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

Заказ 1634 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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