Устройство для измерения резонансной частоты элементов конструкции

 

Использование: изобретение относится к технике исследования динамических характеристик элементов конструкций при проведении виброиспытаний и может быть использовано для определения частот колебаний при резонансе. Сущность: устройство включает блок 1 управления разверткой частоты, задающий генератор 2, регулятор 3 амплитуды, усилитель 4 мощности, вибростенд 5, вибропреобразователи 7 и 8, согласующие усилители 9, 10, фазовый детектор 11, блок 12 обратной связи, преобразователь 14 "Частота - напряжение", нуль-орган 13, коммутаторы 15 и 16, дешифратор 21, триггеры 17 - 20, элементы задержки 32 - 36, аналого-цифровые преобразователи 22 и 23, счетчики импульсов 24, 25, генератор 29 тактовых импульсов, ключ 30, делители 26, 27 частоты следования импульсов, индикатор 31. Введенные в устройство сумматор 28 и элемент И 38 уменьшают разрядность счетчика 24 импульсов и частоту следования импульсов, поступающих на вычитающий вход счетчика импульсов, что в свою очередь приводит к снижению вероятности сбоев в работе, а следовательно, к повышению помехоустойчивости и надежности устройства. 2 ил.

Изобретение относится к технике исследования динамических характеристик элементов конструкций при проведении виброиспытаний и может быть использовано для определения частот колебаний при резонансе.

Известно устройство для определения резонансной частоты элементов конструкции, содержащее последовательно соединенные блок развертки частоты, задающий генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности, вибростенд с установленными на нем и на объекте вибропреобразователями, двумя согласующими усилителями и фазовым детектором, входами подключенным к выходам соответствующих согласующих усилителей, входы последних соединены с выходами соответствующих вибропреобразователей, блок обратной связи, входом подключенный к выходу первого согласующего усилителя, выходом - к второму входу регулятора амплитуды, преобразователь "Частота - напряжение", блок памяти, сумматор, регистратор, причем выход блока памяти подключен к входу сумматора, выход которого подключен к входу регистратора, а также оно снабжено нуль-органом, двумя ключами, двумя усилителями с регулируемыми коэффициентами усиления, коммутатором, двумя триггерами, дешифратором, двумя элементами задержки, причем выход преобразователя "Частота-напряжение" через последовательно соединенные второй ключ и второй усилитель с регулируемым коэффициентом усиления подключен к суммирующему входу сумматора, а через последовательно соединенные первый ключ и первый усилитель с регулируемым коэффициентом усиления - к входу блока памяти, выход которого подключен к вычитающему входу сумматора, выход фазового детектора через нуль-орган подключен к входу коммутатора, первый выход которого подключен к управляющему входу первого ключа и входу "Запись" блока памяти непосредственно, а через второй элемент задержки - к единичному входу первого триггера, второй выход коммутатора подключен к управляющему входу второго ключа и входу "Чтение" блока памяти непосредственно, а через первый элемент задержки - к нулевому входу первого триггера, объединенному с нулевым входом второго триггера, единичный вход которого подключен к входу "Пуск" устройства, единичные выходы первого и второго триггеров подключены к входам дешифратора, первый выход которого подключен к первому управляющему входу коммутатора и первому входу блока развертки частоты, второй выход дешифратора к второму входу коммутатора и второму входу блока развертки частоты [1].

Недостатком данного устройства является недостаточная точность, обусловленная необходимостью аналогового функционального преобразования зафиксированных значений частот и элементов конструкции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для измерения резонансной частоты элементов конструкции, содержащее последовательно соединенные блок управления разверткой частоты, задающий генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности и вибростенд, предназначенный для установки испытуемого объекта, первый вибропреобразователь, предназначенный для установки на испытуемый объект, первый и второй согласующие усилители, входы которых соединены с соответствующими вибропреобразователями, фазовый детектор, входы которого соединены с выходами согласующих усилителей, блок обратной связи, вход которого соединен с выходом первого согласующего усилителя, а выход - с управляющим входом регулятора амплитуды, преобразователь "Частота-напряжение", вход которого соединен с выходом второго согласующего усилителя, последовательно соединенные нуль-орган, вход которого соединен с выходом фазового детектора, коммутатор, дешифратор, первый выход которого соединен с первыми управляющими входами блока управления разверткой частоты и коммутатора, а второй выход - с их вторыми управляющими входами, первый и второй триггеры, единичные входы которых соединены с соответствующими входами дешифратора, а нулевые входы через первый элемент задержки - с первым выходом коммутатора, второй элемент задержки, соединяющий второй выход коммутатора с единичным входом второго триггера, ключ, второй коммутатор, вход которого соединен с выходом преобразователя "Частота-напряжение, третий триггер, единичный и нулевой входы которого соединены соответственно с вторым и первым выходами первого коммутатора, а единичный выход через третий элемент задержки - с управляющим входом второго коммутатора, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, входы которых соединены с соответствующими выходами второго коммутатора, первый и второй счетчики импульсов, входы которых соединены с выходами соответствующих аналого-цифровых преобразователей, а входы "Запись" - с соответствующими выходами первого коммутатора, цифровой компаратор, выходы которого соединены с выходами соответствующих счетчиков импульсов, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом ключа, четвертый триггер, нулевой вход которого соединен с нулевым входом первого триггера, единичные вход - с выходом компаратора, а выход - с управляющим входом ключа, первый и второй делители частоты, входы которых соединены с выходом ключа и через четвертый элемент задержки - с управляющим входом цифрового компаратора, а выходы - со счетными входами соответствующих счетчиков импульсов, и индикатор, вход которого соединен с выходом второго счетчика импульсов, а управляющий вход через пятый элемент задержки - с выходом цифрового компаратора [2].

Недостатком данного устройства является недостаточная помехоустойчивость и надежность, обусловленные тем, что частота следования импульсов, поступающих на вычитающий вход первого счетчика импульсов, пропорциональна большей скорости развертки частоты, и, кроме того, разрядность первого счетчика импульсов определяется значением резонансной частоты при большей скорости развертки, что и повышает возможность сбоев в работе.

Цель изобретения - повышение надежности, обусловленное снижением разрядности первого счетчика импульсов и уменьшением частоты следования импульсов, поступающих на вычитающий вход первого счетчика импульсов.

Это достигается тем, что предлагаемое устройство для измерения резонансной частоты элементов конструкции дополнительно снабжено сумматором и элементом И, входы которого соединены с прямыми выходами разрядов первого счетчика импульсов, а выход - с единичным входом четвертого триггера, группы суммирующих и вычитающих входов сумматора подключены к выходам первого аналого-цифрового преобразователя и прямым выходом разрядов второго счетчика импульсов соответственно, входы первого счетчика импульсов подключены к выходам сумматора, вход "Прием" первого счетчика импульсов подключен через четвертый элемент задержки к первому выходу первого коммутатора, а вход "Прием" второго счетчика импульсов - к второму выходу первого коммутатора.

При равномерном изменении частоты ω с постоянной скоростью v от некоторого начального значения ω_o (резонансная частота) получают: ω=ω_o + vt, (1) где t - текущее время.

Для фиксированных значений частоты ω₁ и ω₂ при скоростях изменения частоты v₁ и v₂ соответственно: ω₁=ω_o + v₁t₁, (2) ω₂=ω_o + v₂t₂. (3) При условии t₁=t₂ соотношения (2), (3) принимают вид соответственно ω₁=ω_o + v₁t₁, (2a) ω₂=ω_o + v₂t₁. (3a) Из соотношений (2а), (3а) следует ω₁-ω₂ = (v₁ - v₂) t₁ (4) при v₁ > v₂, ω₁>ω₂, при v₁ < v₂, ω₁<ω₂.

Из (4) получим t₁= (5).

Из (3а) выразим ω_o
ω_o=ω₂- v₂t₁ (6).

Из соотношения (5) и (6) формируем следующий алгоритм определения ω_o. Если зафиксировать разность частот ω₁-ω₂=Δω и производить уменьшение величины Δω со скоростью Δ v= v₁ - v₂ (при v₁ > v₂), то при нулевом значении, уменьшающейся со скоростью Δ v разности Δω промежуток времени Δ t, равный Δt = и определяет ω_o из соотношения (6)
ω_o=ω₂-v₂˙Δ t (6a).

Другими словами, если уменьшать величину ω₂ со скоростью v₂ в течение промежутка времени Δ t, то можно легко определить ω_o по соотношению (6а).

Таким образом, введенные новые элементы и функциональные связи приводят к тому, что формируется алгоритм, по которому происходит уменьшение содержимого первого счетчика импульсов Δω , равного разности резонансных частот объекта при скоростях разверток v₁ и v₂ до установления нулевого значения за время Δ t с частотой следования импульсов равной разности скоростей разверток Δ v=v₁ - v₂. За то же время Δ t содержимое с второго счетчика импульсов от начального значения, равного значению резонансной частоты, зафиксированной при меньшей из двух скоростей разверток, уменьшится до значения, равного значению резонансной частоты в статическом режиме при частоте поступления импульсов пропорциональной меньшей из двух скоростей разверток. Уменьшаются разрядность первого счетчика импульсов и частота следования импульсов, поступающих на вычитающий вход счетчика импульсов, что приводит к снижению вероятности сбоев в работе, а следовательно, и повышается помехоустойчивость и надежность устройства.

На фиг. 1 представлена структурная схема предложенного устройства; на фиг.2 - структурная схема блока управления разверткой частоты.

Устройство для измерения резонансной частоты элементов конструкции содержит блок 1 управления разверткой частоты, задающий генератор 2, регулятор 3 амплитуды, усилитель 4 мощности, вибростенд 5 с установленным на нем испытуемым объектом 6, вибропреобразователи 7 и 8, согласующие усилители 9 и 10, фазовый детектор 11, блок 12 обратной связи, нуль-орган 13, преобразователь 14 "Частота-напряжение", первый и второй коммутаторы 15 и 16, четыре триггера 17-20, дешифратор 21, первый и второй аналого-цифровые преобразователи 22 и 23, первый и второй счетчики 24 и 25 импульсов, первый и второй делители 26 и 27 частоты следования импульсов, сумматор 28, генератор 29 тактовых импульсов, ключ 30, индикатор 31, первый - пятый элементы задержки 32-36, вход "Пуск" 37, элемент И 38.

Блок 1 управления разверткой частоты содержит первый и второй импульсные генераторы 39 и 40, триггеры 41, 42, 43, ключи 44, 45, 46, зарядный резистор 47, накопительный конденсатор 48, элементы ИЛИ 49, 50, 51, генератор 52 ступенчатого напряжения, выполненный на ключах 53, 54, конденсаторе 55, согласующем усилителе 56, токостабилизирующем двухполюснике 57 и одновибраторе 58, входы 59-62 и выход 63 блока управления, общую шину 64, элементы 65, 66 задержки, вход 67 "Сброс".

Выход блока 1 управления разверткой частоты подключен к управляющему входу задающего генератора 2, выход которого через последовательно соединенные регулятор 3 амплитуды и усилитель 4 мощности подключен к катушке возбуждения вибростенда 5 с установленным на нем испытуемым объектом 6.

На платформе вибростенда 5 и испытуемом объекте 6 установлены вибропреобразователи 7 и 8 соответственно, подключенные выходами к входам согласующих усилителей 9 и 10 соответственно, выходы которых соединены с входами фазового детектора 11. Выход согласующего усилителя 9 через блок 12 обратной связи соединен с управляющим входом регулятора 3 амплитуды. Выход согласующего усилителя 10 соединен через преобразователь 14 "Частота-напряжение" с входом коммутатора 16, первый выход которого через первый аналого-цифровой преобразователь 22, а второй выход через второй аналого-цифровой преобразователь 23 соединены с разрядными входами сумматора 28 и счетчика 25 импульсов соответственно, разрядные выходы которого соединены с второй группой входов сумматора 28, группа выходов которого подключена к разрядным входам первого счетчика 24 импульсов, выходы разрядов которого подключены к входам элемента И 38, выход которого подключен к единичному входу триггера 20 непосредственно, а через элемент 36 задержки - к входу "Прием" индикатора 31.

Единичный выход триггера 20 соединен с управляющим входом ключа 30, вход которого соединен с выходом генератора 29 тактовых импульсов, а его выход через первый и второй делители 26, 27 частоты следования импульсов - со счетными входами первого и второго счетчиков 24, 25 импульсов соответственно.

Выход фазового детектора 11 через нуль-орган 13 соединен с входом первого коммутатора 15, первый выход которого соединен с единичным входом триггера 19 и входом "Прием" счетчика 25 импульсов непосредственно, а через элемент 32 задержки - с единичным входом триггера 18, нулевой вход которого, объединенный с нулевыми входами триггеров 17 и 20, соединен через элемент 33 задержки с объединенным вторым выходом коммутатора 15, нулевым входом триггера 19 непосредственно, а через элемент 35 задержки - с входом "Прием" счетчика 24. Единичный выход триггера 19 соединен через элемент 34 задержки с управляющим входом коммутатора 16, а единичные выходы триггеров 17 и 18 - с входами дешифратора 21, первый и второй выходы которого соединены с объединенными первыми и вторыми входами блока 1 управления разверткой частоты и коммутатора 15 соответственно. Единичный вход триггера 17, нулевые входы триггеров 19 и 20 соединены с входом "Пуск" 37.

Элементы блока 1 управления разверткой частоты соединены следующим образом. Входы генераторов 39, 40 объединены и соединены через элемент 65 задержки с входом 59 "Пуск". Выходы генераторов 39, 40 соединены с Р-входами триггера 41 соответственно, инверсный и прямой выходы которого через ключи 44, 45 соответственно подключены через последовательно соединенные зарядный резистор 47 и накопительный конденсатор 48 с общей шиной 64. Параллельно конденсатору 48 подключен ключ 46.

Общая точка соединения резистора 47 и ключа 46 подключена к выходу 63 блока 1 управления разверткой частоты. Управляющие входы ключей 44 и 45 соединены с инверсным и прямым выходами триггера 42 соответственно, R-вход которого через элемент ИЛИ 49 соединен с входом 59 "Пуск", а S-вход через элемент ИЛИ 50 - с управляющим входом 60 блока 1 управления разверткой частоты. Второй вход элемента ИЛИ 49 соединен с управляющим входом 61, а второй вход элемента ИЛИ 50 через элемент 66 задержки - с управляющим входом 62.

Управляющий вход ключа 46 соединен с выходом элемента ИЛИ 51, первый вход которого соединен с выходом одновибратора 58, а второй вход - с прямым выходом триггера 43. Первый вход 59 блока 1 управления разверткой частоты подключен к внешнему входу "Пуск", объединенному с R-входом триггера 43, S-вход которого подключен к входу 57 "Сброс". Прямой выход триггера 43 соединен с управляющим входом ключа 53. Потенциальный выход источника Е питания через последовательно соединенные токостабилизирующий дувухполюсник 57, ключ 54 и согласующий усилитель 56 подключен к управляющему входу генератора 39. Управляющий вход ключа 54 соединен с выходом одновибратора 58, управляющий вход которого соединен с входом 61. Выход ключа 54 через параллельно соединенные конденсатор 55 и ключ 53 подключен к общей шине 64, управляющие входы генераторов 39, 40 - к инверсному выходу триггера 43. На выходах генераторов 39, 40 формируются импульсные последовательности только при наличии единицы на управляющих входах, т.е. при наличии единичного потенциала на управляющем входе 59 "Пуск".

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии триггеры 17 и 18 установлены в нуль, триггер 19 - в единицу, частота задающего генератора 2 - равной нижней частоте диапазона частот развертки. Коммутатор 15 установлен в нейтральное положение, при этом его вход отключен от обоих выходов, а блок 1 - в исходное состояние, при котором частота задающего генератора 2 фиксирована.

При поступлении сигнала на вход "Пуск" 37 триггер 17 устанавливается в единицу, на первом выходе дешифратора 21 появляется сигнал, поступающий на первый управляющий вход коммутатора 15 и первый управляющий вход блока 1. При наличии кодовой комбинации "00" на выходах дешифратора 21 на его выходах сигналов нет, при наличии кодовой комбинации "01" появляется сигнал на первом выходе дешифратора 21, при этом сигнал с входа коммутатора 15 поступает на его первый выход и появляется сигнал на первом входе блока 1.

При наличии кодовой комбинации "11" на входах дешифратора 21 появляется сигнал на его втором выходе, а сигнал с входа коммутатора 15 поступает на его второй выход и появляется сигнал на втором входе блока 1. При наличии сигнала на первом (втором) входе блока 1 происходит увеличение частоты задающего генератора 2 от заранее заданного начального значения со скоростью v₂(v₁).

Сигнал с выхода задающего генератора 2 через регулятор 3 амплитуды и усилитель 4 мощности поступает в катушку подвижной части вибростенда 5 с установленным на нем испытуемым объектом 6, сигнал с выхода вибропреобразователя 7 через согласующий усилитель 9 и блок 12 обратной связи - на управляющий вход регулятора 3 амплитуды для стабилизации уровня возбуждения вибростенда 5. Сигналы с выходов согласующих усилителей 9 и 10 поступают на входы фазового детектора 11. При совпадении изменяющейся со скоростью v₁(v₂) частоты возбуждения с резонансной частотой испытуемого объекта 6 разность фаз сигналов на входе фазового детектора 11 равна π/2, а сигнал на его выходе - нулю.

На выходе нуль-органа 13 появляется импульсный сигнал, который через коммутатор 15 поступает на вход "Прием" счетчика 25 импульсов, благодаря чему содержимое аналого-цифрового преобразователя 23 вводится в счетчик 25 импульсов. Одновременно триггер 19 устанавливается в единицу, благодаря чему через промежуток времени, определяемый элементом 34 задержки, коммутатор 16 устанавливается в состояние, при котором сигнал с его входа поступает на его первый выход. Кроме того, импульсный сигнал с первого выхода коммутатора 15 через элемент 32 задержки поступает на единичный вход триггера 18, устанавливая его в единицу.

Наличие на входе дешифратора 21 кодовой комбинации "11" приводит к скачкообразному уменьшению частоты задающего генератора 2 до его первоначального значения и ее увеличению со скоростью v₁.

При совпадении изменяющейся со скоростью v₁ частоты возбуждения с резонансной частотой испытуемого объекта разность фаз сигналов на входах фазового детектора 11 снова равна π/2, а сигнал на его выходе равен нулю. На выходе нуль-органа 13 снова возникает импульсный сигнал, который в этом режиме поступает на второй выход коммутатора 15.

Сигнал с второго выхода коммутатора 15 поступает через элемент 36 задержки на вход "Прием" счетчика 24 импульсов, благодаря чему к нулевому содержимому счетчика 24 добавляется содержимое сумматора 28, равное разности ω₁-ω₂ в цифровой форме. Причем, τ₃₄>τ₃₅. Триггер 19 устанавливается в исходное нулевое состояние импульсов со второго выхода коммутатора 15, благодаря чему через промежуток времени, определяемый элементом 34 задержки τ₃₄ коммутатор 16 устанавливается в исходное состояние, при котором его выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 23.

Сигнал с второго выхода коммутатора 15 через элемент 33 задержки поступает на нулевые входы триггеров 17, 18, 20, устанавливая их в нулевое состояние. При этом коммутатор 15 устанавливается в нейтральное положение, а через блок 1 управления разверткой частоты задающего генератора 2 устанавливается равной нижней рабочей частоте.

Ключ 30 замыкается и импульсы с выхода генератора 29 тактовых импульсов начинают поступать через делители 26, 27 частоты следования импульсов соответственно на вычитающие входы счетчиков 24 и 25 импульсов соответственно. Делители 26, 27 частоты следования импульсов выполнены с коэффициентами деления, соответствующими величинам v₁ - v₂ и v₁.

При установлении нулевого состояния счетчика 24 импульсов на выходе элемента И 38 формируется сигнал, поступающий на единичный вход триггера 20, устанавливая его в единицу, при этом ключ 30 размыкается. Кроме того, тот же сигнал через элемент 36 задержки поступает на вход "Прием" индикатора 31, передавая содержимое счетчика 25 в индикатор 31, где и происходит его индикация.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ, содержащее последовательно соединенные блок управления разверткой частоты, задающий генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности и вибростенд, предназначенный для установки испытуемого объекта, первый вибропреобразователь, установленный на неподвижной части вибростенда, второй вибропреобразователь, предназначенный для установки на испытуемый объект, первый и второй согласующие усилители, входы которых соединены с выходами соответствующих вибропреобразователей, фазовый детектор, входы которого соединены с выходами согласующих усилителей, блок обратной связи, вход которого соединен с выходом первого согласующего усилителя, а выход - с управляющим входом регулятора амплитуды, преобразователь частота-напряжение, инверсный вход которого соединен с выходом второго согласующего усилителя, последовательно соединенные нуль-орган, вход которого соединен с выходом фазового детектора, первый коммутатор, дешифратор, первый выход которого соединен с первыми управляющими входами блока управления разверткой частоты и первого коммутатора, а второй выход - с их вторыми управляющими входами, первый и второй триггеры, прямые выходы которых соединены с соответствующими входами дешифратора, а нулевые входы через второй элемент задержки - с вторым выходом первого коммутатора, первый элемент задержки, соединяющий первый выход первого коммутатора с единичным входом второго триггера, ключ, второй коммутатор, вход которого соединен с выходом преобразователя частота - напряжение, третий триггер, единичный и нулевой входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами первого коммутатора, а прямой выход через третий элемент задержки - с управляющим входом второго коммутатора, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, входы которых соединены с соответствующими выходами второго коммутатора, первый и второй счетчики импульсов, входы последнего из которых соединены с выходами второго аналого-цифрового преобразователя, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом ключа, четвертый триггер, нулевой вход которого соединен с нулевым входом первого триггера, а инверсный выход - с управляющим входом ключа, первый и второй делители частоты следования импульсов, входы которых соединены с выходом ключа, а выходы - со счетными входами соответствующих счетчиков импульсов, индикатор, входы которого соединены с прямыми выходами разрядов второго счетчика импульсов, а управляющий вход через пятый элемент задержки - с единичным входом четвертого триггера, четвертый элемент задержки, отличающееся тем, что оно снабжено сумматором и элементом И, входы которого соединены с прямыми выходами разрядов первого счетчика импульсов, а выход - с единичным входом четвертого триггера, группы суммирующих и вычитающих входов сумматора подключены к выходам первого аналого-цифрового преобразователя и прямым выходам разрядов второго счетчика импульсов соответственно, входы первого счетчика импульсов подключены к выходам сумматора, вход "Прием" первого счетчика импульсов подключен через четвертый элемент задержки к второму выходу первого коммутатора, а вход "Прием" второго счетчика импульсов подключен к первому выходу первого коммутатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2