3. МНОГОКАНАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Состав оборудования. Полный состав многоканального оборудования содержит технические средства возбуждения, измерения и регистрации сил и кинематических величин (рис. 10) [2, 5, 12, 13, 20, 23, 24].

При испытаниях с многоточечным возбуждением необходимо применять многоканальное оборудование, которое обеспечивает возможность одновременного приложения сил во многих точках (10—12). При этом гармоническое возбуждение осуществляют с помощью средств, позволяющих регулировать амплитуду и фазовые сдвиги как всех сил одновременно, так и независимо в каждой точке возбуждения. Для этой Цели, как правило, используют специальные возбудители (силовозбудители) электродинамического типа (ЭДВ).

ЭДВ питаются от усилителей мощности — генераторов тока, на вход которых Подается сигнал задающего синусоидального генератора с помощью специальных регулирующих элементов — блоков подбора сил

Вибрации измеряют с помощью датчиков перемещения, скорости и ускорения (либо их комбинации), сигналы которых через коммутатор подают на вход измерительных приборов Для регистрации установившихся процессов (форм колебаний, амплитудно- и фазочастотиых характеристик) сигналы датчиков фильтруют и с помощью аналого-цифровых преобразователей кодируют для регистрации на цифро-печатающей машине (ЦПМ) или перфоленте. Переходные процессы регистрируют с помощью шлейфовых осциллографов либо инструментальных магнитофонов.

Рис. 10. Структурная схема многоканального оборудования для резонансных испытаний: 1 — аппаратура возбуждения; 2 - ЭДВ; 3 - испытуемая конструкция; 4 — датчики и прнборы измерения; 5 — аппаратура регистрации; 6 — опорные сигналы возбуждения

Рис. 11. Структурная схема аппаратуры возбуждения колебаний и электродинамические возбудители (ЭДВ): а — аппаратура возбуждения: 1 — общий блок подбора сил; 2 - блоки подбора отдельных сил; 3 - усилитель мощности — генератор тока; 4 - ЭДВ; 5 - выходной каскад (20 — 40 транзисторов); в — предварительный усилитель; 7 — отрицательная обратная связь (Rb - эталонное сопротивление); б - разрез ЭДВ: 1 - подшипниковые направляющие; 2 — подвижная катушка; 3 — обмотка электромагнита; 4 — магннтопровод

Средства возбуждения (рис. 11). Генератор гармонических сигналов (ГС) вместе с блоками подбора сил обеспечивает возможность установки частоты (вручную, с автоматической разверткой или внешними сигналами) в диапазоне от десятых долей Гц до нескольких сотен Гц (или нескольких килогерц). При этом регулируются уровень возбуждения и фазовый сдвиг. Значение частоты, определяемое с точностью до пятого знака, отсчитывается либо по соответствующим показаниям генератора, либо с помощью отдельного цифрового частотомера. В последнем случае часто определяют период колебаний, что существенно быстрее измерения частоты, особенно на низких частотах.

Усилители мощности — генераторы тока — имеют глубокую отрицательную обратную связь по выходному току и высокое выходное сопротивление. Они преобразуют входное электрическое напряжение (5—10 В) в пропорциональный ему выходной ток с амплитудным значением до А в случае ламповых выходных каскадов и на порядок выше в случае транзисторных, при фазовом сдвиге на частотах Гц.

Возбудители (ЭДВ) специальной конструкции, обеспечивающей постоянство градуировки сила — ток при максимальных перемещениях, рассчитаны на получение выходной силы амплитудой Используют различные возбудители с номинальными силами, отличающимися в 4—5 раз. Отношение выходной силы к весу подвижной системы не менее 30 (табл. 1).

(см. скан)

Измерение и регистрация (рис 12). Амплитуду сигналов датчиков, составляющую от сотых долей до нескольких десятков вольт, определяют с помощью низкочастотных милливольтметров, их форму наблюдают на экране электронного осциллографа или многоканального индикатора. В последнем случае может быть получено суждение о распределении амплитуд и фаговых сдвигов колебаний по длине конструкции.

Общее число датчиков может составлять от одного — двух десятков до нескольких сотен, поэтому для регистрации необходимо коммутировать сигналы датчиков. Фильтрация осуществляется посредством синхронного детектирования — выделения амплитуды синфазной и квадратурной составляющих основной гармоники сигнала [3, 5, 9, 13]. В блоке синхронного детектирования (СД) аппаратурными средствами реализуется умножение исследуемого сигнала на один из опорных сигналов генератора фазой или 90° с последующим отфильтровыванием переменной составляющей.

Рис. 12. Структурная схема аппаратуры многоканального измерения и регистрации; 1 — программный коммутатор и блок управления. 2 — блок синхронного детектирования, 3 — фильтр нижних частот, 4 — двухкоордннатный построитель; 5 - АЦП, 6 - ЦПМ; 7 - ленточный перфоратор, 8 — электронный осциллограф, 9 — измерительный магнитофон; 10 - шлейфовый осциллограф; 11 — многоканальный индикатор

Приведенный на рис. 10—12 максимальный состав оборудования в случае более простых испытаний может быть сокращен как по количеству точек возбуждения и измерения, так и по составу аппаратуры.

При большом числе точек измерения форму колебаний измеряют посредством регистрации сигналов большого числа датчиков, соединенных с конструкцией в течение всего времени испытаний. При малом числе точек измерения и их относительно легкой доступности форму целесообразно измерять с помощью двух датчиков. Один из них располагают в фиксированной точке конструкции для контроля уровня вибраций, а другой — перемещают по отдельным точкам конструкции с поочередной регистрацией сигнала. В этом случае число точек измерения может доходить до нескольких десятков

При большом числе датчиков регистрацию можно ускорить увеличением числа наиболее «инерционных» каналов, осуществляющих преобразование переменного сигнала в постоянный. Так, увеличение числа пар синхронных детекторов до 10—20 позволяет с помощью групповой коммутации (усложнением коммутирующей аппаратуры) сократить время регистрации в 5—20 раз.

Применение аналоговых вычислительных блоков. В ряде случаев аппаратуру, используемую для возбуждения и измерения вибраций, дополняют различными элементами аналоговой вычислительной техники. В частности, для формирования суммарного сигнала и минимизируемой величины (при подборе сил) можно использовать элементы аналоговых вычислительных устройств — микросхемные операционные усилители. Суммарный сигнал формируется двумя последовательно соединенными сумматорами (рис. 13, а) посредством включения сигнала каждого из

выбранных датчиков на вход одного из сумматоров в зависимости от необходимого знака

В случае минимизации сигнала его величина формируется преобразованием выходных напряжений блоков синхронного детектирования с помощью квадраторов и операционных усилителей (рис. 13 б).

Подавая суммарный сигнал на вход одной пары синхронных детекторов, получают два постоянных напряжения — амплитуды составляющих Обращение в нуль первой из них является критерием резонанса, величина второй характеризует уровень колебаний, который может поддерживаться автоматически изменением коэффициента усиления общего блока подбора сил. Для автоматизации поддерживания частоты резонанса условие реализуется соответствующим блоком управления частотой генератора. Оба контура работоспособны при больших значениях их постоянных времени, значительно превышающих наибольшее значение периода исследуемых колебаний.

Рис. 13. Структурные схемы аналоговых вычислительных блоков для формирования. а — суммарного сигнала минимизируемой величины 1 — блок сннхронного детектирования; 2 — фильтр ннжннх частот

Рис. 14. Структурная схема многоканального оборудования с мини-ЭВМ: 7 - сигналы управления возбуждением, -мннн ЭВМ (остальные обозначения см рис 10)

Применение ЭВМ. Большие возможности открывает использование мини-ЭВМ [11, 12, 26, 14] в составе многоканального оборудования (рис. 14). Их характеризует высокое быстродействие (цикл памяти порядка сотен наносекунд), большой объем оперативной памяти (десятки килобайт), возможность работы с внешними устройствами — телетайпом, перфоратором,

При использовании внешних запоминающих устройств (накопителей на магнитной ленте, магнитных дисков), а также устройств отображения информации (графический и алфавитно-цифровой дисплей, графопостроитель) вычислительные возможности мини-ЭВМ расширяются. Все эти качества позволяют использовать мини-ЭВМ для замены части измерительной и преобразующей аппаратуры многоканального оборудования, для частичной обработки информации, а также для управления отдельными этапами испытаний (см. рис. 14).

ЭВМ может реализовать простейшие программы первичной обработки данных; умножение и деление показаний на коэффициент усиления, чувствительность, частоту или квадрат частоты, вычитание поправки на уход нуля и т. п. При этом со временем программа обработки может совершенствоваться.

При указанном простейшем применении мини-ЭВМ предусматривается ее работа при наличии блоков синхронного детектирования. Возможна замена этих блоков соответствующей программной реализацией, когда умножение и суммирование выполняются над выбранными в дискретные моменты времени значениями входных

сигналов (если выборки повторяются достаточное число раз за период на протяжении многих периодов).

Обработка данных при расширении вычислительных возможностей мини-ЭВМ может быть усложнена и дополнена построением частотных характеристик, форм колебаний, расчетом обобщенных параметров, диагностикой работоспособности отдельных элементов. Например, соотношение (25) следует из известного выражения МНК (для линейной регрессии): где векторы с компонентами матрица с элементами Решение этой системы с помощью мини-ЭВМ дает значение (равное и обоб щенной массы

Помимо измерительных функций мини-ЭВМ осуществляет определенные задачи управления [14, 1]. С этой целью основные блоки возбуждения дополняют элементами согласования с ЭВМ, обеспечивающими преобразование кодовых сигналов в изменение частоты или уровня возбуждения и т. п. Тогда реализуется автоматическое измерение частотной характеристики с переменным шагом по частоте, или изменение уровня возбуждения по определенному алгоритму, например поддерживание условий резонанса (по амплитуде и частоте). При разработке эффективной программы возможен подбор сил возбуждения для выделения одного тона собственных колебаний. Последнее реально в режиме диалога оператора с мини-ЭВМ.

При дополнении многоканального оборудования мини-ЭВМ расширяются возможности эксперимента, но одновременно усложняется его проведение. Такое усложнение оправдано в случае регулярных, дорогостоящих испытаний с использованием большого объема оборудования.

В ряде случаев проще использовать микро-ЭВМ или микропроцессорные системы [17, 4]. Функциональные возможности их несколько меньше, чем мини-ЭВМ, однако они компактны, имеют низкую стоимость и с успехом могут заменить измерительные, преобразующие, или управляющие устройства. Микро-ЭВМ обладают повышенной надежностью и большой гибкостью. Они могут быть многорежимными, а при построении мультимикропроцессорных систем быстродействие их работы повышается. Оптимальное соотношение средств вычислительной техники и традиционной аппаратуры в составе многоканального оборудования выявляется по мере накопления опыта разработки и эксплуатации таких систем при проведении динамических испытаний.

Погрешности измерения. Определение характеристик собственных колебаний связано с двумя видами погрешностей: аппаратурных и методических. Первые носят случайный характер и зависят от класса измерительных Приборов, а также от алгоритма обработки измерений, например при определении обобщенных масс. Методические погрешности обусловлены тем, что характер колебаний исследуемой конструкции отличается от предполагаемого, так как, например, на форму колебаний влияет механическая догрузка, обобщенные массы искажаются влиянием ЭДВ и т. п. Эти погрешности являются систематическими, поэтому их влияние может быть скорректировано при получении окончательных результатов.

Случайные погрешности. Влияние аппаратурных погрешностей на результаты определяется видом основных соотношений для обобщенных параметров, получаемых при испытаниях. Поскольку погрешности измерительной аппаратуры задаются максимальными значениями для всей области изменения измеряемых величии, так что появление какой-либо погрешности любого знака имеет случайный характер, функциональная связь между среднеквадратичными ошибками аргумента и а функции имеет известный вид (при независимости измерений

Если функция нелинейна, то это соотношение получается с помощью линеаризации функции и справедливо при малом изменении аргументов.

Детальный анализ погрешностей может быть проведен в каждом случае отдельно. Относительное отклонение (отношение к среднему значению измерений

периода может составлять несколько сотых долей процента, перемещений сил возбуждения декремента колебаний — до и обобщенной массы при механической догрузке — до Указанные значения получены для конкретных условий с учетом характеристик современного многоканального оборудования и при тщательной подготовке и проведении измерений.

Получаемые на основании (25) конкретные аналитические соотношения для погрешностей определения обобщенных параметров при резонансных испытаниях позволяют сформулировать требования к метрологическим характеристикам оборудования. Кроме того, в процессе испытаний можно получить погрешности эксперимента и непосредственно как характеристики рассеивания.

Поскольку временем и условиями испытаний число экспериментальных точек например функции или ограничено, значение можно оцеьнть исходя из надежности а эксперимента, т. е. вероятности попадания истинного значения измеряемой величины в заданный (доверительный) интервал [6, 8, 18]. Так, для пяти экспериментальных точек при отношение абсолютной погрешности измерения к выборочной среднеквадратичной, зависящее от числа измерений и от надежностиа [коэффициент распределения Стьюдента составляет 2,13. При увеличении до 10 (при том же т. е. уменьшение незначительно, в то время как трудоемкость испытаний практически удваивается. При разница коэффициентов также невелика. При числе точек менее четырех трудно исключать какую-либо из них, поэтому минимальное число должно быть 4—5.

Исключение грубых ошибок-промахов производят с помощью одного из статистических критериев по отклонению от среднего или от значения, полученного по МНК с использованием выборочной оценки среднеквадратичной погрешности [8, 18].

Систематические погрешности. Методическая погрешность (в ряде случаев существенная) возникает также из-за искажения колебательных характеристик испытуемого объекта, вызванного влиянием ЭДВ, датчиков и т. п. При известных характеристиках элементов оборудования (в основном ЭДВ) погрешности измеряемых параметров и 6° устраняют пересчетом на основе оценки их влияния [5, 15].

Обозначив через приведенные массу и жесткость упругого подвеса подвижной системы ЭДВ в точке возбуждения частота собственных колебаний подвижной системы ЭДВ, не соединенного с испытываемой конструкцией), приращение обобщенной массы тона

Тогда, определяя экспериментально в первом приближении и полагая, что форма собственных колебаний не изменяется вследствие влияния ЭДВ, можно определить истинные значения частоты собственных колебаний и обобщенных параметров из соотношений

где логарифмический декремент колебаний подвижной системы «свободного» суммирование, как и в (26), производится по номерам точек возбуждения.

Одна из наиболее важных в методическом плане — систематическая погрешность определения характеристик, вызванная изменением формы в процессе измерений (при известных величинах этого изменения), также может быть найдена и использована для дальнейшего корректирования результатов [5, 6, 25].

Как показывает анализ факторов, влияющих на точность определения характеристик собственных колебаний упругой системы при резонансных испытаниях с многоточечным возбуждением, погрешности результатов могут быть сведены до приемлемых значений. Для получения удовлетворительных результатов (в частности, обобщенных масс) в первую очередь необходимо достаточно точно выделить

исследуемые тона и обеспечить основные метрологические характеристики средств возбуждения и измерения (чувствительности ЭДВ, датчиков и измерительной аппаратуры).

Список литературы

(см. скан)