Устройство для определения резонансных частот объекта

 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения динамических характеристик объектов. Цель изобретения - повышение производительности, достигается благодаря использованию менее сложного алгоритма для определения резонансных частот объекта, позволяющего исключить необходимость введения двух разных скоростей разверток частоты. Устройство содержит блок 1 развертки частоты, генератор 2, регулятор 3 амплитуды, усилитель 4 мощности, вибростенд 5 с установленным на нем испытуемым объектом 6, вибропреобразователи 7, 8, согласующие усилители 9, 10, индикатор 11, преобразователь 12, преобразователь 13 "частота-напряжение", первый и второй блоки 14 и 15, формирователи 18 и 19 импульсов, блок 20 управления разверткой, первый и второй знакочувствительный элементы 21, 22, элемент ИЛИ 23, триггер 24, вход "Предустановка" 25, первый и второй элементы 26, 27 задержки, сумматор 28, первый, второй, третий ключи 29, 30, 31, первый и второй пиковые детекторы 32, 33, блок 34 определения модуля, пороговый элемент 35, первый и второй элемент И 36, 37, нуль-орган 38. 3 ил.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения динамических характеристик объектов.

Известно устройство для определения резонансных частот объекта, содержащее последовательно соединенные блок развертки частоты, генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности, вибростенд с установленным на нем испытуемым объектом и установленными на объекте и вибростенде вибропреобразователя, двумя согласующими усилителями и индикатором, входами подключенными к выходам соответствующих согласующих усилителей, а входы последних соединены с выходами соответствующих вибропреобразователей, преобразователь, входом подключенный к выходу первого согласующего усилителя, выходом - к второму входу регулятора амплитуды, последовательно соединенные преобразователь "частота-напряжение", первый блок памяти, вычислительный блок и регистратор, второй блок памяти, входом соединенный с выходом преобразователя "частота-напряжение", а выходом - с вторым входом вычислительного блока, последовательно соединенные формирователь импульсов и блок управления развертки, выход которого соединен с входом блока развертки частоты, второй формирователь импульсов, входом соединенный с входом первого формирователя импульсов и с выходом индикатора, второй вход которого соединен с входом преобразователя "частота-напряжение", выход второго формирователя импульсов соединен с вторым входом второго блока памяти, а второй вход первого блока памяти соединен с выходом первого формирователя импульсов.

Недостаток этого устройства - ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием возможности определения характера испытуемого объекта - линейный или нелинейный с жесткой или мягкой характеристикой восстанавливающей силы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения резонансных частот объекта, содержащее последовательно соединенные блок развертки частоты, генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности и вибростенд, устанавливаемые на объекте и вибростенде первый и второй вибропреобразователи, первый и второй согласующие усилители, входы которых соединены с соответствующими вибропреобразователями, индикатор, входы которого соединены с выходами согласующих усилителей, преобразователь, вход которого соединен с выходом первого согласующего усилителя, а выход - с управляющим входом регулятора амплитуды, преобразователь "частота-напряжение", вход которого соединен с выходом первого согласующего усилителя, первый и второй формирователи импульсов, входы которых соединены с выходом индикатора, блок управления разверткой частоты, выход которого соединен с управляющим входом генератора, а первый вход - с входом "Пуск", первый блок памяти, второй блок памяти, вход "Запись" которого соединен с выходом второго формирователя импульсов, вычислительный блок и регистратор, первый коммутатор, вход которого соединен с выходом первого формирователя импульсов, а первый выход - с входом "Запись" первого блока памяти, первый элемент задержки, соединяющий первый выход первого коммутатора с вторым входом блока управления разверткой частоты, вторым коммутатором, вход которого соединен с выходом второго формирователя импульсов, а первый выход - через второй элемент задержки с третьим входом блока управления разверткой частоты, третьим коммутатором, вход которого соединен с выходом преобразователя "частота-напряжение", а первый выход - с входами первого и второго блоков памяти, первым триггером, нулевой вход которого соединен с входом "Пуск", единичный вход - с третьим входом блока управления разверткой частоты, а прямой выход - с управляющими входами первого, второго и третьего коммутаторов, третьим блоком памяти, вход "Запись" которого соединен с вторым выходом первого коммутатора, первым элементом ИЛИ, первый вход которого через третий элемент задержки соединен с вторым выходом первого коммутатора, а выход - с входами "Чтение" первого и третьего блоков памяти, четвертым блоком памяти, вход которого соединен с входом третьего блока памяти и с вторым выходом третьего коммутатора, а вход "Запись" - с вторым выходом второго коммутатора, вторым элементом ИЛИ, вход которого через четвертый элемент задержки соединен с вторым выходом второго коммутатора, а выход - с входами "Чтение" второго и четвертого блоков памяти, вторым триггером, нулевой вход которого соединен с входом "Пуск", третий формирователь импульсов, вход которого соединен с прямым выходом второго триггера, а выход - с вторыми входами первого и второго элементов ИЛИ, ключом, вход которого через пятый элемент задержки соединен с вторым выходом первого коммутатора, а выход - с четвертым входом блока управления разверткой частоты, четвертым коммутатором, управляющий вход которого соединен с прямым выходом второго триггера, четыре входа - с выходами соответствующих блоков памяти, а четыре выхода первой группы - с входами вычислительного блока, первым блоком сравнения, входы которого соединены с вторым и третьим выходами второй группы, вторым блоком сравнения, входы которого соединены с первым и четвертым выходами второй группы, первым и вторым знакочувствительными элементами, входы которых соединены с выходом первого блока сравнения, выходы первого - с управляющим входом ключа, а выход второго - с первым входом регистратора, третьим и четвертым знакочувствительными элементами, входы которых соединены с выходом второго блока сравнения, выход третьего - с вторым входом регистратора, а выход четвертого - с единичным входом второго триггера, прямой выход первого триггера соединен с управляющими входами первого, второго и третьего коммутаторов.

Недостаток известного устройства - сложность аппаратурной реализации, обусловленная сложность алгоритма определения резонансных частот испытуемых объектов за счет необходимости введения двух разных по величине разверток частоты и в лучшем случае, фиксации значений резонансной частоты для каждой из разверток, а в худшем случае фиксации четырех значений резонансных частот по двум значениям для каждой из скоростей разверток при изменении каждой скорости развертки как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, что в конечном итоге снижает производительность устройства.

Целью изобретения является повышение производительности.

Это достигается тем, что устройство для определения резонансных частот объекта, содержащее последовательно соединенные блок развертки частоты, задающий генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности и вибростенд, установленные на объекте и вибростенде первый и второй вибропреобразователи, первый и второй согласующие усилители, входы которых соединены с соответствующими вибропреобразователями, индикатор, входы которого соединены с выходами согласующих усилителей, преобразователь, вход которого соединен с выходом первого согласующего усилителя, а выход - с управляющим входом регулятора амплитуды, преобразователь "частота-напряжение", вход которого соединен с выходом первого согласующего усилителя, первый и второй формирователи импульсов, входы которых соединены с выходом индикатора, блок управления разверткой частоты, выход которого соединен с управляющим входом генератора, а первый вход - с входом "Пуск", первый блок памяти, второй блок памяти, вход "Запись" которого соединен с выходом второго формирователя импульсов, вычислительный блок, регистратор, элемент ИЛИ, триггер, сумматор, ключ, первый, второй элементы задержки, первый и второй знакочувствительный элементы, входы которых объединены и соединены с выходом сумматора, выход вычислительного блока соединен с третьим входом регистратора, снабжено вторым и третьим ключами, первым и вторым пиковыми детекторами, блоком определения модуля, пороговым элементом, первым и вторым элементами И, нуль-органом, причем объединенные входы второго и третьего ключей подключены к выходу первого согласующего усилителя, выход первого из которых через первый пиковый детектор подключен к суммирующему входу сумматора, к вычитающему входу которого подключен через второй пиковый детектор выход третьего ключа, выход сумматора через последовательно соединенные первый ключ и блок определения модуля подключен к входу порогового элемента, выход которого подключен к объединенным входам первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены к выходам первого и второго знакочувствительных элементов соответственно, выходами первого и второго элементов И соединены с первым и вторым входами регистратора, вход "Запись" первого блока памяти объединен с управляющим входом второго ключа и подключен к выходу первого формирователя импульсов, который через второй элемент задержки подключен к второму входу блока управления разверткой частоты, выход второго формирователя импульсов подключен к управляющему входу третьего ключа непосредственно, к единичному входу триггера - через первый элемент задержки, выходы первого и второго блоков памяти подключены к входам вычислительного блока, выходы первого и второго элементов И подключены к входам элемента ИЛИ, к третьему входу которого через нуль-орган подключен выход сумматора, а к четвертому - вход "Предустановка", выход элемента ИЛИ подключен к нулевому входу триггера, прямой выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, а выход нуль-органа подключен к входам "Чтение" первого и второго блоков памяти.

Устройство построено по принципу развертки частоты в сторону ее возрастания с постоянной скоростью v₁, после фиксации значения Y₁ максимума резонансной характеристики развертка частоты изменяется в сторону ее уменьшения с первоначальной постоянной скоростью v1 до фиксации значения Y₂ максимума резонансной характеристики.

При выполнении условия Y₁>Y₂ фиксируют нелинейность с жесткой характеристикой восстанавливающей силы, при выполнении условия Y₁<Y фиксируют нелинейность с мягкой характеристикой восстанавливающей силы. При выполнении условия Y₁ Y Y₂ Y₂ фиксируют резонансную частоту ω_о линейной характеристики, равную ω₀= (ω₁+ω₂).

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для определения резонансных частот объекта; на фиг.2 представлены эпюры динамических амплитудно-частотных характеристик; а - случай линейной амлиптудно-частотной характеристики; б - случай нелинейной амплитудно-частотной характеристики при жесткой характеристике восстанавливающей силы; в - случай нелинейной амплитудно-частотной характеристики при мягкой характеристике восстанавливающей силы; на фиг.3 - структурная схема блока развертки частоты.

Устройство для определения резонансной частоты объекта содержит блок 1 развертки частоты, генератор 2, регулятор 3 амплитуды, усилитель 4 мощности, вибростенд 5 с установленным на нем испытуемым объектом 6, вибропреобразователи 7, 8, согласующие усилители 9, 10, индикатор 11, преобразователь 12, преобразователь 13 "частота-напряжение", первый и второй блоки 14, 15 памяти соответственно, вычислительный блок 16, регистратор 17, первый и второй формирователи 18 и 19 импульсов, блок 20 управления разверткой частоты, первый и второй знакочувствительные элементы 21, 22, элемент ИЛИ 23, триггер 24, вход "Предустановка" 25, первый, второй элементы 26, 27 задержки, сумматор 28, первый, второй и третий ключи 29-31 соответственно, первый и второй пиковые детекторы 32, 33 соответственно, блок 34 определения модуля, пороговый элемент 35, первый и второй элементы И 36, 37 соответственно, нуль-орган 38, вход "Пуск" 39.

Блок 20 управления разверткой частоты содержит импульсные генераторы 40, 41, ключи 42-44, триггеры 45-47, зарядный резистор 48, накопительный конденсатор 49, элемент задержки 50, выход 51, управляющий вход 52, вход "Предустановка" 53.

Блоки и элементы устройства соединены следующим образом.

В устройстве последовательно соединены блок 1 развертки частоты, генератор 2, регулятор 3 амплитуды, усилитель 4 мощности, вибростенд 5 с установленным на нем испытуемым объектом 6 и установленным на вибростенде 5 и на объекте 6 вибропреобразователями 7 и 8, выходы которых через согласующие усилители 9 и 10 соответственно подключены к входам индикатора 11, выход усилителя 9 подключен через преобразователь 12 к второму входу регулятора амплитуды 3. Выход индикатора 11 подключен к объединенным входам формирователя импульсов 18, 19; выход первого из которых подключен к объединенному входу "Запись" блока 14 памяти, управляющему входу ключа 30 непосредственно, а через элемент 27 задержки - к управляющему входу 52 блока управления 20 развертки частоты, а выход второго - к объединенным входу "Запись" блока 15 памяти, управляющему входу ключа 31 непосредственно, через элемент 26 задержки - к единичному входу триггера 24, прямой выход которого подключен к управляющему входу ключа 29. Выход усилителя 9 подключен к объединенным информационным входам ключей 30, 31, выход первого из которых через пиковый детектор 32, а выход второго через пиковый детектор 33 подключены к суммирующему и вычитающему входам сумматора 28 соответственно. Выход сумматора 28 через последовательно соединенные ключ 29, блок 34 определения модуля и пороговый элемент 35 подключен к первым объединенным входам элемента И 36, 37, вторыми входами подключенным к выходам первого и второго знакочувствительных элементов 21, 22 соответственно, входы которых объединены и подключены к выходу сумматора 28.

Выходы элементов И 36, 37 подключены к первому и второму входам регистратора 17 соответственно. Выходы элементов И 36, 37 подключены через элемент ИЛИ 23 к нулевому входу триггера 24. Выход усилителя 9 подключен через преобразователь 13 "частота-напряжение" к объединенным информационным входам блоков 14, 15 памяти, выходами подключенными к входам вычислительного блока 16, выходом подключенного к третьему входу регистратора 17. Выход сумматора 28 через нуль-орган 38 подключен к входам "Чтение" блоков памяти 15 и 14, третьему входу элемента ИЛИ 23, четвертый вход которого подключен к входу "Предустановка" 25.

Вход "Пуск" 39 подключен к нулевому входу триггера 46, единичному входу триггера 47 непосредственно, а через элемент 50 задержки - к входам "Пуск" генераторов 40, 41 импульсов, выход первого из которых подключен к нулевому входу триггера 45, а выход второго - к единичному входу триггера 45. Инверсный выход триггера 45 подключен к входу ключа 42, прямой выход триггера 45 подключен к входу ключа 43. Выходы ключей 42, 43 объединены и соединены через последовательно соединенные зарядный резистор 48 и накопительный конденсатор 49 с общей шиной 54. Потенциальный вывод накопительного конденсатора 49 подключен к выходу 51 блока 20 управления развертки частоты. Параллельно конденсатору 49 подключен ключ 44. Управляющие входы ключей 42-44 подключены к инверсному прямому выходу триггера 46 и инверсному выходу триггера 47 соответственно. Единичный вход триггера 46 подключен к управляющему входу 52, нулевой вход триггера 47 подключен к входу "Предустановка" 53, входы "Стоп" генераторов 40, 41 подключены к инверсному выходу триггера 47.

На выходе вычислительного блока 16 формируется сигнал, равный среднему арифметическому сигналов, поступающих на его входы, при наличии сигнала на его управляющем входе, т.е. это полусумматор. Регистратор 17 - это устройство индикации. При поступлении на первый и второй входы блока 17 сигналов высокого уровня функционирует световая индикация типа "да-нет", при наличии сигнала на третьем входе функционирует световое табло с указанием значения ω_о.

Устройство для определения резонансной частоты объекта работает следующим образом.

Блок 1 развертки частоты осуществляет линейное увеличение частоты генератора 2 со скоростью V₁. С выхода генератора 2 через регулятор 3 амплитуды и усилитель 4 мощности сигнал поступает на вибростенд 5 с установленным на нем испытуемым объектом 6. Сигнал с вибропреобразователя 7, установленного на платформе вибростенда 5, поступает через согласующий усилитель 9 и преобразователь 12 на управляющий вход регулятора 3 амплитуды, образуя контур стабилизации уровня возбуждения.

При изменении частоты ωгармонические сигналы с выхода вибропреобразователя 7 и вибропреобразователя 8 через согласующие усилители 9 и 10 соответственно поступают на входы индикатора 11. При совпадении частоты возбуждения с резонансной частотой объекта 6 амплитуда сигнала на выходе усилителя 10 резко возрастает, а фаза изменяется на π/2, что вызывает изменение уровня напряжения с высокого на низкий на выходе индикатора 11. При этом на выходе формирователя 18 формируется импульс требуемой длительности для введения в блок 14 памяти напряжения, пропорционального резонансной частоте ω₁ в динамическом режиме, и фиксации в пиковом детекторе 32 максимального полуразмаха сигнала Y₁ на частоте ω₁( ω₁=2 π/f₁) за счет замыкания ключа 30. Одновременно импульс с выхода формирователя 18 через элемент 27 задержки поступает на управляющий вход 52 блока 20 управления разверткой частоты. При этом происходит линейное изменение частоты ωот значения ω₁ в сторону ее уменьшения с первоначальной скоростью v₁.

При совпадении частоты возбуждения с резонансной частотой объекта амплитуда сигнала на выходе усилителя 10 снова резко возрастает, а фаза колебаний изменяется на π/2, что вызывает изменение уровня напряжения на выходе индикатора 11 с низкого на высокий. При этом формируется импульс на выходе формирователя 19, в блок 15 памяти вводится напряжение, пропорциональное значению разонансной частоты ω₂ в динамическом режиме. В пиковом детекторе 33 фиксируется максимальный полуразмах сигнала Y₂ на частоте ω₂ за счет замыкания ключа 31.

На выходе сумматора 28 формируется разностный сигнал ΔY=Y₁-Y₂, который при установлении триггера 24 в единицу импульсом с выхода формирователя 19, поступающего через элемент 26 задержки на единичный вход триггера 24, и замыкании ключа 29 поступает на вход блока 34 определения модуля.

Сигнал с выхода блока 34 поступает на вход порогового элемента 35, на выходе которого сигнал формируется при некоторой заранее заданной малой величине ΔY.

При условии ΔY>0 на выходе знакочувствительного элемента 21 формируется сигнал, а при условии ΔY<0 сигнал формируется на выходе знакочувствительного элемента 22. Таким образом, при ΔY>0 сигнал поступает на первый вход регистратора 17 и производится индикация γ>0 (характеристика восстанавливающей силы жесткая), при ΔY<0 сигнал поступает на второй вход регистратора 17 и производится индикация γ< 0 х арактеристика восстанавливающей силы мягкая). При наличии нулевого (малого) сигнала на выходе сумматора 28 срабатывает нуль-орган 38, а на выходе вычислительного блока 16 формируется сигнал ω_о, поступающий на третий вход регистратора 17.

При формировании сигналов на выходах элементов И 36, 37, нуль-органа 38 триггер 24 устанавливается в исходное нулевое состояние.

Блок 20 управления разверткой частоты работает следующим образом.

Частоты генерации импульсных генераторов 40, 41 подбираются близкими с таким расчетом, чтобы частота биений, которая определяет период следования сформированного линейно изменяющегося напряжения была на несколько порядков ниже, а период следования линейно изменяющегося напряжения был таким, чтобы перекрывался диапазон частот воспроизводимых вибраций.

Первоначальная настройка - частота импульсного генератора 41 выше частоты генератора 40. В исходном состоянии триггер 47 установлен в нуль, ключ 44 замкнут, накопительный конденсатор 49 не заряжен. При поступлении на вход "Пуск" 39 сигнала на выходах генераторов 40, 41 формируются последовательности импульсов. Выходные импульсы генераторов 40, 41 управляют состоянием триггера 45, на одном выходе которого (нулевом) образуется последовательность прямоугольных импульсов линейно нарастающей длительности, а на другом выходе - последовательность импульсов линейно убывающей длительности.

По сигналу на входе "Пуск" 39 триггер 46 устанавливается в нуль, ключ 42 замыкается, ключ 43 размыкается. Через ключ 42 импульсы линейно нарастающей длительности через зарядный резистор 48 поступают на конденсатор 49, заряжая его. На выходе 51 формируется нарастающий участок выходного напряжения.

При появлении сигнала на втором управляющем входе 52 блока 20 управления разверткой частоты триггер 46 устанавливается в единицу. При этом ключ 43 замыкается, ключ 42 размыкается. Накопительный конденсатор 49 через резистор 48 подключается к прямому выходу триггера 45, на котором формируется последовательность импульсов линейно убывающей длительности, а на выходе 51 формируется линейно падающий участок выходного напряжения.

При появлении сигнала на входе "Предустановка" 53 триггер 47 устанавливается в нуль, ключ 44 замыкается, блок 20 управления разверткой частоты устанавливается в исходное состояние, генераторы 40, 41 импульсов выключаются.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ ОБЪЕКТА, содержащее последовательно соединенные блок развертки частоты, задающий генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности и вибростенд, установленные на вибростенде и объекте первый и второй вибропреобразователи, первый и второй согласующие усилители, входы которых соединены с соответствующими вибропреобразователями, индикатор, входы которого соединены с выходами согласующих усилителей, преобразователь, вход которого соединен с выходом первого согласующего усилителя, а выход - с управляющим входом регулятора амплитуды, преобразователь частота - напряжение, вход которого соединен с выходом первого согласующего усилителя, первый и второй формирователи импульсов, входы которых соединены с выходом индикатора, блок управления разверткой частоты, выход которого соединен с управляющим входом генератора, а первый вход - с входом "Пуск", первый блок памяти, второй блок памяти, вход "Запись" которого соединен с выходом второго формирователя импульсов, вычислительный блок, регистратор, элемент ИЛИ, триггер, сумматор, ключ, первый и второй элементы задержки, первый и второй знакочувствительные элементы, входы которых объединены и соединены с третьим входом регистратора, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности, оно снабжено вторым и третьим ключами, первым и вторым пиковыми детекторами, блоком определения модуля, пороговым элементом, первым и вторым элементами И и нуль-органом, объединенные входы второго и третьего ключей подключены к выходу первого согласующего усилителя, выход первого ключа через первый пиковый детектор подключен к суммирующему входу сумматора, к вычитающему входу которого подключен через второй пиковый детектор выход третьего ключа, выход сумматора через последовательно соединенные первый ключ и блок определения модуля подключен к входу порогового элемента, выход которого подключен к объединенным входам первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены к выходам первого и второго знакочувствительных элементов соответственно, выходы первого и второго элементов И соединены с первым и вторым входами регистратора, вход "Запись" первого блока памяти объединен с управляющим входом второго ключа и подключен к выходу первого формирователя импульсов, который через второй элемент задержки подключен к второму входу блока управления разверткой частоты, выход второго формирователя импульсов подключен к управляющему входу третьего ключа непосредственно, к единичному входу триггера - через первый элемент задержки, выходы первого и второго блоков памяти подключены к входам вычислительного блока, выходы первого и второго элементов И - к входам элемента ИЛИ, к третьему входу которого через нуль-орган подключен выход сумматора, а к четвертому - вход "Предустановка", выход элемента ИЛИ подключен к нулевому входу триггера, прямой выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, а выход нуль-органа - к входам "Чтение" первого и второго блоков памяти.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3