5. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА

Аппаратура при возбуждении гармонической силой. Наиболее распространенный метод измерения частотных характеристик заключается в приложении к объекту синусоидальных сил, медленно изменяющих свою частоту, и в получении основных результатов (амплитуды и фазы отклика) в графической или табличной форме. Преимущества этого метода перед другими в том, что соответствующая аппаратура хорошо отработана; достигается (с сопровождающими фильтрами) высокое отношение сигнал/шум; малы нелинейные искажения; обеспечивается широкий диапазон нагрузок. Подача на ЭВМ данных, обработанных аналоговой аппаратурой, существенно упрощает цифровую обработку, что важно на первых этапах внедрения цифровой техники в эту область измерений.

Измерительный комплекс, полностью состоящий из серийно выпускаемой аппаратуры (рис. 12), содержит несколько измерительных схем более узкого назначения и может использоваться частями. В него входят звуковой генератор 1 медленно изменяющейся частоты, усилитель мощности 2 и вибровозбудитель 3. Вибровозбудитель установлен на испытуемом объекте вместе с импедансной головкой 4, содержащей встроенные датчик силы с выходом 5 и датчик ускорения с выходом 6. Сигналы Датчиков 5 и 6 (для измерения в точке возбуждения), а также датчика ускорения 7

(для измерения передаточных характеристик) поступают на предварительные усилители 8. Корректирующая схема, содержащая усилитель 9 с фазойивертором и сумматор 10, выполняет преобразование согласно уравнению Сигнал на ее выходе в идеальном случае соответствует силе, действующей на объект со стороны переходника. Эта коррекция существенна при измерении малых имнедансов и позволяет снизить нижний предел измерения в 5—8 раз Далее сигналы ускорения можно интегрировать (блоки 11). Сигналы силы и скорости ускорения подлежат дальнейшей обработке по одной из схем или В.

Регистрация модуля и фазы (схема А). Сигналы поступают на идентичные сопровождающие узкополосиые фильтры 12, перестраиваемые синхронно с генератором 1 и управляемые его сигналами. Выход канала силы подается на регулирующий вход в генератора 1,

Рис. 12. Структурная схема комплекса для измерения частотных характеристик с аналоговой и цифровой обработкой результатов

Через него осуществляется такое регулирование (компрессия) выходного напряжения генератора, при котором амплитуда основной гармоники вынуждающей силы остается постоянной В этом случае среднеквадратичное значение скорости записанное на самописец 13, развертка которого синхронизирована с генератором, есть в определенном масштабе частотная характеристика модуля подвижности Параллельно, с помощью фазометра 14 с регистрирующим устройством записывается фазочастотиая характеристика Так как полярность сигналов зависит от положения датчиков и полярности пьезопластин, необходимо проверять соответствие фазы данным табл. (для сигналов и Vг) и при необходимости вводить поправку 180°.

Регистрация действительной и мнимой части (схема Б). В каналз силы применяют сопровождающий фильтр 12, где имеется широкополосный фазовращатель вводимый с помощью переключателя. При подаче на синхронный детектор опорного сигнала и сигнала самописец 16 регистрирует действительную часть харакгеристнки При подаче опорного сигнала сдвинутого на 90°, получается мнимая часть

Цифровая обработка результатов (схема В). Вместо генератора непрерывно изменяющейся частоты используют генератор фиксированных звуковых частот (частотный синтезатор) 19, частота и выходное напряжение которого изменяются с

помощью ЭВМ 18 непосредственно или через специальный блок управления ЭВМ, получая кодированные значения сигналов с выхода аналого-цифрового преобразователя 17, при наличии помех может определять среднеквадратичные значения силы, ускорения, скорости (путем деления на модуля импеданса и подвижности (путем взаимного деления величин), фазового угла (через вычисление авто- и взаимно-корреляционных функций). Результаты выводятся на цнфропечатающее устройство и (или) используются при дальнейших вычислениях (идентификация, определение собственных частот и форм, обращение матриц и

Генератором можно управлять по жесткой программе Существуют также про граммы регулировки шага по частоте в зависимости от крутизны получаемого

Варианты (с использованием сопровождающих фильтров) требуют боль затрат времени на анализ (время измерения импеданса одной точки в диапазоне 20—5000 Гц с фильтрами полосой Гц порядка 15 мин). Схема В с цифровым анализом позволяет производить измерения при значительно более быстром изменении частоты

Измерения при импульсном и случайном возбуждении. Благодаря развитию современной вычислительной техники, в особенности мини- и микро-ЭВМ, а также появлению необходимых алгоритмов обработки сигналов, особенно быстрого преобразования Фурье, все больше распространяются методы измерения частотных характеристик при импульсном воздействии на механический объект. Импульсы вынуждающей силы и отклика подвергаются преобразованию Фурье, и по соотношению гармоник определяется нужная характеристика. Отношение сигнал/шум может быть повышено путем промежуточного преобразования анализируемых сигналов с помощью авто- и взаимно-корреляционных функций [18] Соответствующие возбудители зачастую оказываются значительно проще и меньше, чем электродинамические, не требуют специального крепления (что особенно важно при перестановке), дают значительное усилие в импульсе Общее время испытаний и выдачи результатов снижается до величины порядка нескольких миллисекунд (в специализированных быстродействующих ЭВМ). Можно назвать несколько примеров реализации импульсного метода.

1 Возбуждение в виде однократного импульса. Используется легкий молоточек со встроенным пьезодатчиком [20], не требуется никаких крепежных приспособлений, обеспечивается развязка возбудителя и объекта во время затухающих колебаний последнего Однако импульс не получается «стандартным» и годится главным образом для массивных объектов в области низких частот

2. Возбуждение в виде периодических импульсов. Одна из технических реализаций [20] использует обычный электродинамический возбудитель, подвижная система которого имеет боек с полусферической головкой Катушка питается от сети переменного напряжения Импульс длительностью при амплитуде позволяет определять характеристики в диапазоне до

3 Возбуждение в виде импульса заданной формы, например полусинусоиды. Производится с помощью обычной аппаратуры, предназначенной для синусоидальных виброиспытаний [19] В сочетании с автокорреляционным методом для устранения шума в широкой полосе частот [18] обеспечивает практически полное совпадение с обычным анализом в диапазоне 20—200 Гц Время обработки (включая построение графиков) 3 мин

Частотные характеристики можно получить при возбуждении в объекте случайной вибрации, измеряя ссбственную и взаимную спектральную плотность [16]. Для увеличения измеряемого сигнала применяют генераторы узкополосного шума с плавно изменяющейся средней частотой Измерение отклика системы на шум в относительно широкой полосе позволяет получить усредненную частотную характеристику многорезонансной системы, что может быть полезно для выявления основных резонансов [11]

При испытаниях сложных и уникальных объектов по матрицам частотных характеристик определяют движения объекта под действием заданных сил и воспроизводят его в замедленном виде с помощью дисплея [14].