Устройство тестирования спортивных покрытий



Устройство тестирования спортивных покрытий
Устройство тестирования спортивных покрытий
Устройство тестирования спортивных покрытий
Устройство тестирования спортивных покрытий

 

G01H1 - Измерение механических колебаний или ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых колебаний (генерирование механических колебаний без измерений B06B,G10K; определение местоположения, направления или измерение скорости объекта G01C,G01S; измерение медленно меняющегося давления жидкости G01L 7/00; измерение дисбаланса G01M 1/14; определение свойств материалов с помощью звуковых или ультразвуковых колебаний, пропускаемых через эти материалы G01N; системы с использованием отражения или переизлучения акустических волн, например формирование акустических изображений G01S 15/00; сейсмология, сейсмическая разведка, акустическая разведка G01V 1/00; акустооптические устройства как таковые G02F; получение

Владельцы патента RU 2475711:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ГОУ ВПО "МГУЛ") (RU)
Савохина Анна Валерьевна (RU)

Изобретение относится к виброизмерительной технике. Устройство содержит возбуждающий элемент в составе скамейки на 4 ножках, установленной на покрытие, сменной инерционной массы, закрепляемой на скамейке, и набора баскетбольных мячей разной упругости накачки, сбрасываемых на скамейку при проведении измерений, и измеритель в составе последовательно подключенных пьезоакселерометра, закрепленного на скамейке, усилителя заряда из активных фильтров верхних и нижних частот, аналого-цифрового преобразователя, флэш-памяти и ноутбука с программным обеспечением для расчета спектра Фурье регистрируемого сигнала. Техническим результатом является реализация измерений параметров спортивного покрытия в естественных условиях, непосредственно перед соревнованием, на месте их укладки. 4 ил.

 

Изобретение относится к виброизмерительной технике и может быть использовано при подготовке команд высших спортивных достижений в легкой атлетике.

Необходимость тестирования напольных покрытий обусловлена тем, что на современных спортивных сооружениях - теннисных кортах, беговых дорожках, дорожках для разбега прыгунов в длину, высоту, тройном прыжке - уложены специальные покрытия, представляющие собой виброизолирующий материал с распределенными параметрами. Спортивный результат зависит как от потенциальных возможностей спортсмена, так и от сочетания упругих характеристик спортивной экипировки и качества покрытий. Например, при прыжках в высоту при различных климатических условиях используемых покрытий результат может отличаться от рекорда на несколько "см". Одним из важнейших параметров упругой системы является ее амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Испытания изделий и измерения их АЧХ проводят, как правило, в лабораторных условиях на вибростендах. Часто возникает необходимость таких измерений непосредственно в местах расположения изделий. Ведущей фирмой в области виброизмерений является фирма "Брюль и Къер", Дания.

Известна конфигурация оборудования многофункциональной системы анализа АЧХ - PULSE 3560 [см., например, http://www.bk.dk. "Определение модальных параметров простых конструкций с использованием анализатора PULSE", статья, Свенд Гейд и др., рис.1 - аналог].

Конфигурация оборудования содержит: ударный молоток, перемещаемый вдоль конструкции к каждой измеряемой точке, мини-вибратор 4810, динамометрический преобразователь 8200, генератор случайного сигнала, силовой усилитель 2706, акселерометр, многофункциональную систему анализа на базе персонального компьютера.

Недостатками известного аналога являются:

- невозможность непосредственного применения для тестирования спортивных покрытий;

- искажение формы сигнала тестирования при установке акселерометра на покрытие из-за демпфирования удара покрытием;

- отсутствие связи параметров ударного молотка с размерами пучковой части стопы спортсмена.

Известны системы для измерения механического удара [см. "Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара". Справочник, кн. 2, под редакцией В.В.Клюева, М.: Машиностроение, 1978 г., с.239-240, рис.32 - ближайший аналог].

Структурная схема для измерения и частотного анализа механического удара ближайшего аналога содержит вибропреобразователь - акселерометр, предусилитель, измерительный магнитофон, цифровое записывающее устройство, гетеродинный анализатор, самописец уровня.

Недостатками аналога являются:

- невозможность непосредственного использования, поскольку акселерометр не может устанавливаться непосредственно на напольное покрытие, которое за счет демпфирования удара вносит большие искажения в измеряемый процесс;

- отсутствует система внешнего возбуждения покрытия, без которой измерения невозможны;

- морально устаревшая техническая база.

Задача, решаемая заявляемым устройством, состоит в реализации оперативного измерения параметров спортивного покрытия в естественных условиях, непосредственно перед соревнованием, на месте их укладки.

Технический результат достигается тем, что устройство тестирования спортивных покрытий содержит возбуждающий элемент в составе сменной инерционной массы, закрепляемой на скамейке с четырьмя ножками, установленной на покрытие с суммарной площадью контакта 4 ножек с покрытием, равной площади пучковой части стопы спортсмена, набора баскетбольных мячей разной упругости, поочередно сбрасываемых на скамейку, и измеритель в составе последовательно подключенных пьезоакселерометра, жестко закрепленного на скамейке, усилителя заряда из активных фильтров верхних и нижних частот, аналого-цифрового преобразователя, флеш-памяти и ноутбука с программным обеспечением для расчета спектра Фурье регистрируемого сигнала.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема устройства;

фиг.2 - зависимость длительности возбуждающих импульсов упругого удара мяча о скамейку от степени накачки мяча;

фиг.3 - измеренные резонансные спектры АЧХ тестируемых покрытий;

фиг.4 - передаточная функция спортивных покрытий.

Устройство тестирования спортивных покрытий (фиг.1) содержит тестируемое покрытие 1, возбуждающий элемент 2 в составе скамейки 3, установленной на покрытие с площадью контакта ножек 4 скамейки с покрытием, равной площади пучковой части стопы спортсмена, сменной инерционной массы 5, закрепляемой на скамейке, набора баскетбольных мячей 6 разной упругости накачки, сбрасываемых на скамейку, измеритель 7 в составе последовательно подключенных пьезоакселерометра 8, закрепленного на скамейке, усилителя заряда 9 из активных фильтров 10, 11 верхних и нижних частот, аналого-цифрового преобразователя 12, флеш-памяти 13, ноутбука 14.

Динамика взаимодействия элементов устройства и техническая сущность измерений состоят в следующем.

Протестировать спортивное покрытие - это значит измерить АЧХ системы "покрытие (виброизолятор) - масса спортсмена" с выделением модальных (резонансных) частот.

Известна зависимость собственной частоты (ω0) вибросистемы от массы (m) нагружения и жесткости (с) виброизолятора, см., например, Справочник, т.6, "Вибрация в технике", под ред. К.В.Фролова, М.: Машиностроение, 1981 г., с.172, формула 2:

Жесткость плоского виброизолятора задается формулой:

где Е - модуль упругости первого рода, для синтетического материала покрытия Е≈4,5·105 Н/м2, S - площадь виброизолятора, h - толщина покрытия. Если принять площадь виброизолятора S (const) равной площади пучковой части стопы спортсмена (при прыжке, отталкивании с носка), то резонансные свойства вибросистемы (при гостированной толщине покрытия h) полностью определяются модулем упругости покрытия Е. Все покрытия выполняются из синтетического материала на основе резины, а упругие свойства резины существенно зависят от климатических условий. При низких температурах резина выкрашивается и теряет свои упругие свойства. В то же время синтетический материал сохраняет свои упругие свойства до - 60°С, но количественная величина модуля упругости может изменяться на порядок при изменении климатических условий. Для определения резонансных частот необходимо изменять частоту возбуждения. В качестве возбуждающего элемента 2 в устройстве служит система из баскетбольных мячей 6 разной степени накачки и скамейка 3 с инерционной массой, установленной на покрытие. Разная степень накачки баскетбольных мячей при их сбрасывании с некоторой высоты на скамейку дает разное время их соприкосновения со скамейкой - от слишком короткого до продолжительного. Этим имитируется изменение частоты возбуждающего источника. Зависимость длительности возбуждающих импульсов удара мяча о скамейку от степени накачки мяча иллюстрируется фиг.2. Изменение веса спортсмена имитируется изменением инерционной массы 5, закрепляемой на скамейке.

Если покрытие имеет высокое качество (добротность Q≥1,5) то под действием возбуждающих импульсов возникает колебательный процесс системы "покрытие - инерционная масса". Преобразование колебательного процесса в электрический сигнал осуществляют посредством пьезокерамического акселерометра 8. Для неискаженного воспроизведения формы электрического сигнала рекомендуют [см., например, "Пьезоэлектрические датчики", под ред. В.М.Назарова, М.: Техносфера. - 2006 г., рис.13.11] использовать эквивалентную схему с источником заряда и последующим усилителем заряда 9. Одновременно для неискаженного воспроизведения формы сигнала пьезоакселерометра в электронной схеме используют активные фильтры верхних и нижних частот 10, 11. Обработку результатов измерений осуществляют посредством вычислительных средств с использованием специализированного программного обеспечения ПЭВМ. Для чего функцию сигнала преобразуют в цифровую форму посредством аналого-цифрового преобразователя 12. Оцифрованные массивы измерений записывают в запоминающее устройство флеш-память 13.

Электрический сигнал измеряемого процесса содержит всю информацию о параметрах покрытия. Для извлечения этой информации из функции сигнала программным методом рассчитывают АЧХ зарегистрированной функции путем разложения ее в ряд Фурье в соответствии с зависимостью:

Программа прямого преобразования Фурье входит в комплект специализированного математического обеспечения MATHCAD [см., например, MATHCAD 6.0 PLUS, изд. 2-е, M.: Информиздат. дом "Филинъ", 1997. - С.412]. Результат программного расчета АЧХ и выявление резонансных спектров иллюстрируется фиг.3 (распечатка с экрана ноутбука 14). После выявления резонансных частот определяют качество спортивного покрытия.

Добротность (качество) покрытия можно определить по резонансной характеристике вибросистемы Δω/ω0=1/Q, где Q - добротность (качество) энергоемкого элемента [см., например, "Справочник по радиоэлектронике", под редакцией А.А.Куликовского, т.2, M.: Энергия. - 1968 г. - с.34.].

Измеренные параметры протестированных спортивных покрытий представлены табл.1.

Тип покрытия Температура воздуха, °С Влажность, % Резонансная частота, Гц Ширина полосы на уровне 0,5 max Добротность изделия
Conipur SP (на основе резиновой крошки "тэ-пинг") 27 47 19 5 ~4
Conipur SW (на основе резиновой крошки "тэпинг") 27 47 23 4 ~6

Эффективность спортивного покрытия характеризуется коэффициентом передачи. По определению [см., например, справочник "Вибрация в технике", т.6, под ред. К.В.Фролова, M.: Машиностроение. - 1981 г. - С.175, рис.4] коэффициент передачи вибросистемы представляет собой отношение абсолютных ускорений объекта и источника:

где ν - коэффициент демпфирования, равный ν=1/2Q;

Q - качество энергоемкого элемента;

z - отношение частоты кинематического возбуждения (ω) к собственной частоте вибросистемы (ω0).

На фиг.4 иллюстрируется зависимость коэффициента передачи покрытия в диапазоне частот толчкового импульса спортсмена. Для достижения высокого спортивного результата собственная резонансная частота покрытия должна выбираться выше максимальной частоты спектра толчкового импульса спортсмена.

Элементы устройства выполнены на существующей технической базе и по известным электронным схемам. Пьезокерамический акселерометр фирмы Bruel & Kjer тип 861 285, частотный диапазон 0,5…5000 Гц, перегрузка 50 g, вес 70 г.

Активные фильтры верхних и нижних частот выполнены на операционных усилителях типа К1446УД5Р по электронной схеме, см., например, Ж. Марше, пер. с фр., "Операционные усилители и их применение", §8.3 "Активные фильтры на базе усилителей с обратной связью". Л.: Энергия. - 1974 г. - С.190-194.

Аналого-цифровой преобразователь и флеш-память реализованы на многофункциональном блоке модуль 3560-L, фирма Bruel & Kjer.

Управляющая ПЭВМ типа "Notebook" фирмы Samsung модель RC510.

Эффективность устройства характеризуется оперативностью и достоверностью контроля параметров спортивных покрытий в естественных условиях, в месте их укладки, непосредственно перед соревнованиями.

Устройство тестирования спортивных покрытий содержит возбуждающий элемент в составе сменной инерционной массы, закрепляемой на скамейке с четырьмя ножками, установленной на покрытие с суммарной площадью контакта четырех ножек с покрытием, равной площади пучковой части стопы спортсмена, и набора баскетбольных мячей разной упругости, поочередно сбрасываемых на скамейку, и измеритель в составе последовательно подключенных пьезоакселерометра, жестко закрепленного на скамейке, усилителя заряда из активных фильтров верхних и нижних частот, аналого-цифрового преобразователя, флэш-памяти и ноутбука, с программным обеспечением для расчета спектра Фурье регистрируемого сигнала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для регистрации инфранизкочастотных колебаний в морской воде. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерителям вибрации с помощью пьезодатчиков (акселерометров) в экстремальных условиях эксплуатации - при больших и быстрых изменениях температур среды, в которой установлен датчик.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения вибрации электроприводов различных приборов. .

Изобретение относится к атомной и полупроводниковой технике, в частности к изготовлению маломощных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводниковых преобразователей.

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано при прочностной аэродинамической доводке осевых турбин и компрессоров, а также при создании систем диагностики осевых турбомашин в авиации и энергомашиностроении.
Изобретение относится к передатчикам параметра процесса, преимущественно, чтобы управлять или наблюдать за производственными процессами. .

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для оценки акустики объемных помещений. .

Изобретение относится к способу измерения энергии квантовой нелокальности частиц, совершающих инфинитное движение. .

Изобретение относится к области измерения механических колебаний по величине сигнала отражения и может быть использовано для бесконтактного измерения и непрерывного контроля параметров колебаний турбинных и компрессорных лопаток в эксплуатационных условиях

Изобретение относится к способу и устройству для определения параметров газожидкостного потока в трубопроводе и может быть использовано в нефтедобывающей и других отраслях промышленности, где требуется высокая точность определения параметров

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерения инфразвуковых колебаний газообразной или жидкой среды

Изобретение относится к микромеханике и предназначено для измерения амплитудно-частотных характеристик подвижных элементов микромеханических устройств

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использовано при ультразвуковом исследовании и идентификации твердых материалов, например, в криминалистике

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к виброметрии, и может быть использовано для измерения амплитуды механических колебаний поверхностей твердых тел в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, в частности для измерения амплитуды колебаний многополуволновых излучателей переменного сечения ультразвуковых колебательных систем, используемых в составе аппаратов, предназначенных для интенсификации технологических процессов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения амплитуды, скорости и ускорения механических колебаний контролируемого объекта

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения мощности гидроакустических излучателей разного типа, входящих в состав гидролокаторов, систем гидроакустической связи, телеметрии, комплексов гидроакустического телеуправления и т.д., в процессе их диагностики в реальных условиях эксплуатации

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована для определения параметров гидроакустических пьезоэлектрических преобразователей. Способ предполагает этапы, на которых формируют линейно нарастающую цифровую последовательность, преобразуют ее в тестовый управляемый аналоговый сигнал с заданной амплитудой и линейно нарастающей частотой в заданном диапазоне частот, пропускают тестовый сигнал через пьезопреобразователь, измеряют параметры его отклика (тока и напряжения), по значениям которых и по заданному алгоритму определяют амплитудно-частотную характеристику, частоты механического и электромеханического резонансов, импеданс пьезопреобразователя на этих частотах. Измеритель параметров включает устройство прямого цифрового синтеза, подключенное через усилитель мощности и через включенный последовательно с пьезопреобразователем измерительный шунт к испытуемому пьезопреобразователю. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) соединены своими выходами через интерфейс связи с компьютером, а вход АЦП через делитель напряжения подключен к выходу усилителя мощности. Цифровой сигнальный процессор (ЦСП) шиной данных соединен с устройством прямого цифрового синтеза (УПЦС) и выходами АЦП, вход АЦП подключен к пьезопреобразователю и измерительному шунту. Первый, второй и третий выходы ЦСП соединены соответственно с управляющими входами АЦП и УПЦС. Технический результат: измерение параметров в автоматическом режиме, повышение точности и надежности измерений. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области измерений и может быть использовано для определения положения центра масс статически неопределимых многоопорных объектов энерго-, тяжелого и транспортного машиностроения, например крупногабаритных энергоблоков атомных электростанций. Заявленный способ заключается в многократном взвешивании объекта в различных пространственных положениях (в горизонтальном и в наклоненном состояниях). Начальное пространственное положение объекта принимают за горизонтальное, для него определяют суммарный вес объекта и координаты точки центра масс в горизонтальной плоскости. Для определения веса объекта суммируют значения реакций в опорах, определенных по силовым характеристикам, а координаты точки центра масс в горизонтальной плоскости получают из уравнений механики. Для определения высоты положения точки центра масс объект наклоняют только по длинной стороне (по углу крена), пошагово определяя реакции в опорах, а также усилие, развиваемое в устройствах подъема (например, в гидродомкратах). Реакции в опорах определяются на основании замеров их деформаций по силовым характеристикам, а усилия в домкратах - по давлению подаваемой в них жидкости. Подъем выполняется до момента, пока сумма реакций в опорах, расположенных в поднимаемой стороне, и усилия в домкратах не станут уменьшаться в сравнении с предыдущим шагом, а сумма реакций опор по противоположной стороне не начнет, соответственно, стабильно расти. Данным на этом шаге подъема (поворота по крену) используются для расчета по уравнениям моментов высоты положения центра масс объекта. Технический результат заключается в возможности проведения измерений в случаях отсутствия средств прямого взвешивания объектов, в режиме эксплуатации, и условиях ограниченного пространства, с обеспечением точности измерений протяженных объектов переменной жесткости. 3 ил.
Наверх