УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА СЛУЧАЙНУЮ ВИБРАЦИЮ Российский патент 1994 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к вибрационным испытаниям, а именно к устройствам для испытания на случайную вибрацию.

Известно устройство для формирования спектра широкополосных случайных вибраций, содержащее параллельные каналы формирования, каждый из которых включает генератор шума, полосовой фильтр с регулируемой добротностью, регулируемый аттенюатор, выход которого подключен к управляющему входу полосового фильтра, а вход - к выходу фильтра, и регулируемый усилитель, второй выход которого через функциональный преобразователь подключен к управляющему входу аттенюатора. Выходы всех усилителей подключены к cумматору, выход которого через усилитель мощности подключен к входу возбудителя колебаний. Устройство содержит также вибродатчик, выход которого подключен к входу цепей обратной связи, каждая из которых включает полосовой анализирующий фильтр, измеритель дисперсии и блок сравнения, выход которого подключен к управляющему входу регулируемого усилителя [1] .

Однако данное устройство позволяет формировать заданный спектр вибраций только при линейной амплитудной характеристике вибратора в рабочем диапазоне частот. При наличии нелинейности вибротракта в контрольной точке испытуемого изделия возникают неуправляемые спектральные составляющие, которые искажают заданный спектр вибрации. Это приводит к дополнительной погрешности имитации, в отдельных случаях к полному нарушению управляемости формирующих каналов и невозможности проведения испытаний.

Прототипом предлагаемого изобретения является устройство [2] , содержащее параллельные каналы формирования колебаний, каждый из которых включает генератор шума, полосовой фильтр с регулируемой добротностью, регулируемый аттенюатор, выход которого подключен к управляющему входу полосового фильтра, а вход - к выходу фильтра, и регулируемый усилитель, второй выход которого через функциональный преобразователь подключен к управляющему входу аттенюатора. Выходы всех усилителей подключены к сумматору, выход которого через усилитель мощности подключен к входу возбудителя механических колебаний. Устройство содержит также вибродатчик, каналы обратной связи, каждый из которых включает полосовой анализирующий фильтр, измеритель дисперсии, схему сравнения, выход которой подключен к управляющему входу соответствующего регулируемого усилителя, ключ, вход которого подключен к выходу вибродатчика, а выход - к входам каналов обратной связи, последовательно соединенные коммутатор, коррелометр, АЦП, блок быстрого Фурье-преобразования, первый блок памяти, вычислитель, первый выход которого подключен к входу второго блока памяти, второй выход - к входу третьего блока памяти, схему сравнения, первый вход которой подключен к выходу второго блока памяти, второй вход - к выходу третьего блока памяти, выходы схемы сравнения подключены к входам задатчика режима, выходы которого подключены к вторым входам схем сравнения каналов обратной связи, а также блок управления, первый выход которого подключен к управляющему входу ключа, второй выход - к управляющему входу коммутатора, третий выход - к управляющим входам второго и третьего блоков памяти, четвертый выход - к управляющему входу первого блока памяти, пятый выход - к вторым управляющим входам регулируемых усилителей, шестой выход - к управляющему входу задатчика режима.

Такое устройство позволяет проводить испытания на случайную вибрацию при наличии нелинейности вибрационного тракта. Однако в тех частотных полосах, где проявляется нелинейность вибрационного тракта, не удается достичь требуемого уровня вибраций. Это приводит к недоиспытанию объекта в данной частотной полосе, что ухудшает качество испытаний.

Целью изобретения является повышение точности вибрационных испытаний и расширение класса испытуемых изделий путем уменьшения влияния нелинейности тракта вибровозбудитель-изделие.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные формирователь, каждый канал которого содержит генератор шума, полосовой фильтр и регулируемый усилитель, общий сумматор, усилитель мощности, вибровозбудитель механических колебаний, вибродатчик, коммутатор, первый вход которого соединен с вибродатчиком, второй вход - с выходом усилителя мощности, коррелятор, аналого-цифровой преобразователь и блок быстрого преобразования Фурье, один выход которого соединен с первым входом первого блока памяти, выход которого соединен с первым вычислителем, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми входами второго и третьего блоков памяти, выходы которых соединены с входами первой схемы сравнения, выходы которой подключены к задатчику режима, у которого выход подключен к первому входу второй схемы сравнения, выходы которой соединены с соответствующими управляющими входами регулируемых усилителей формирователя, вторые выходы блока управления соединены с третьими управляющими входами формирователями, третий выход - с вторым входом первого блока памяти, четвертый выход - с вторыми входами второго и третьего блоков памяти, пятый выход - с управляющим входом задатчика режима, шестой выход - с управляющим входом коммутатора, введен второй вычислитель, вход которого соединен с другим выходом блока быстрого преобразования Фурье, выходы второго вычислителя соединены с вторыми входами второй схемы сравнения, управляющий вход второго вычислителя соединен с первыми выходами блока управления, кроме того, каждый канал формирователя содержит три управляемых подканала, канальный сумматор.

Контроль нелинейности осуществляется путем измерения функции когерентности сигналов на входе и выходе тракта вибровозбудитель - изделие. Устройство имеет два режима работы. В первом режиме измеряются и запоминаются функции когерентности при воздействии на тракт сигнала малого уровня. Во втором режиме формируется сигнал возбуждения по заданному уровню случайной вибрации при одновременном измерении функции когерентности и сравнении ее со значением, полученным в первом режиме. В случае их различия в одноименных частотных подполосах уменьшают заданный уровень в этих подполосах, в противном случае настройку осуществляют обычным образом. Тем самым исключают влияние нелинейности тракта вибровозбудитель-изделие и устраняют возможность разрушения испытуемого изделия из-за появления неуправляемых сигналов в каналах формирования, вызванных нелинейными искажениями.

Предложенное техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг. 1 дана блок-схема устройства для испытания на случайную вибрацию; на фиг. 2 и 3 - графики спектров вибрации; на фиг. 4 - блок-схема управления; на фиг. 5 и 6 - эпюры работы блока управления и таблица вырабатываемых блоком управления кодов и их функций.

Устройство для испытания на случайную вибрацию содержит последовательно соединенные параллельные каналы формирователя 1, каждый подканал 2 которого включает генератор шума 3, полосовой фильтр 4, регулируемый усилитель 5, второй вход которого подключен к второй схеме сравнения 22, третий вход соединен с вторым выходом блока управления 23. Выходы усилителей 5 подканалов подключены к сумматору 6 подканала, выход которого подключен к общему сумматору 7. Устройство содержит также последовательно соединенные усилитель мощности 8, вибровозбудитель 9 механических колебаний и вибродатчик 10, коммутатор 11, первый вход которого соединен с выходом вибродатчика 10, а второй - с выходом усилителя мощности 8, последовательно соединенные коррелятор 12, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13 и блок 14 быстрого (БПФ) преобразования Фурье, первый выход которого соединен с входом второго вычислителя 15, а второй выход - с первым входом блока памяти 16, выход которого подключен к входу первого вычислителя 17, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами блоков памяти 18 и 19, выходы которых соединены с входами первой схемы сравнения 20, выходы которой подключены к входам задатчика режима 21, выходы которого соединены с входами второй схемы сравнения 22, другие входы которой соединены с выходами второго вычислителя 15. Выходы второй схемы сравнения 22 соединены с вторыми управляющими входами регулируемых усилителей 5 подканалов 2 формирования. Первый, третий и шестой выходы блока управления 23 соответственно соединены с управляющим входом второго вычислителя 15, вторым входом первого блока памяти 16, вторыми входами второго и третьего блоков памяти 18 и 19, управляющим входом задатчика режима 21 и управляющим входом коммутатора 11. Вторые выходы блока управления 23 соединены соответственно с третьими управляющими входами регулируемых усилителей 5 подканалов формирования.

Устройство работает следующим образом.

С второго выхода блока управления 23 на третьи управляющие входы регулируемых усилителей подканалов формирования поступает сигнал управлении, у последних выставляется коэффициент усиления, соответствующий малому уровню выходного сигнала. Случайный сигнал с непрерывным спектром в рабочем диапазоне частот с генератора шума 3 поступает через полосовой фильтр 4 и регулируемый усилитель 5 на канальный сумматор 6. С выхода сумматора 6 суммарный сигнал трех подканалов формирователя поступает на один из входов общего сумматора 7. С выхода последнего случайный сигнал, являющийся суммой сигналов каналов формирователя 1, поступает на вход усилителя мощности 8, который управляет вибровозбудителем 9 механических колебаний. Механические колебания преобразуются вибродатчиком 10 в электрический сигнал, который затем поступает на первый вход коммутатора 11, на второй вход которого поступает сигнал с выхода усилителя мощности 8. По управляющим сигналам, поступающим с шестого выхода блока управления 23, коммутатор 11 последовательно подключает к входам коррелятора 12 выход усилителя мощности 8 и вибродатчика 10. Сигнал с выхода коррелятора 12 описывает соответственно корреляционную функцию сигнала на входе и выходе тракта вибровозбудитель-изделие и взаимную корреляционную функцию сигналов на входе и выходе тракта вибровозбудитель-изделие. Этот сигнал, преобразованный в АЦП 13 в цифровую форму, поступает на вход блока 14 быстрого преобразования Фурье, в котором вычисляются спектры на входе и выходе тракта вибровозбудитель-изделие и взаимный спектр сигналов на входе и выходе тракта. Значение спектров и взаимный спектр на входе и выходе тракта вибровозбудитель-изделие заносят в первый блок памяти 16 по адресу, выставляемому на его управляющем входе блоком управления 23. Время подключения сигналов к входам коррелятора 12 определяется суммарным временем преобразования коррелятора 12, АЦП 13, блока 14 и задается блоком управления 23. После записи измеренных спектров в первый блок памяти 16 в первом вычислителе 17 производится вычисление функции когерентности в каждой подполосе ( Δω_ij) формирования по формуле
γ²(Δω_ij)= ;
Δω_ij-i-я подполоса в j-полосе формирования;
G_x(Δω_ij) - спектр сигнала на входе тракта вибровозбудитель-изделие в подполосе Δω_ij;
G_y( Δω_ij) - спектр сигнала на выходе тракта вибровозбудитель-изделие в подполосе Δω_ij;
G_xy( Δω_ij) - взаимный спектр сигналов на входе и выходе тракта вибровозбудитель-изделие в подполосе Δω_ij.

Данные о спектрах поступают в первый вычислитель 17 из первого блока памяти 16, а результаты записываются с выхода первого вычислителя 17 во второй блок памяти 18 по адресу, подаваемому с четвертого выхода блока управления 23, в виде отсчетов γ²(ω) во всем рабочем диапазоне частот. С первого выхода блока БПФ 14 сигнал в виде отсчетов, соответствующих спектральной плотности сигнала на выходе вибродатчика 10, поступает на вход второго вычислителя 15, на управляющий вход которого поступает сигнал управления на вычисление дисперсии в подполосах Δω_ij по формуле q(Δω_ij) = G(ω)dω, G_y(ω)= G_nrect (Δω_n), где rect (Δω_n)=
G_n - отсчеты функции G_y( ω).

Затем полученные значения дисперсии q(Δω_ij) сравниваются в схеме сравнения 22 с заданными дисперсиями q_зад ( Δω_ij), поступающими с задатчика режима 21. Сигналы, образуемые на выходе схемы сравнения 22, соответствующие разнице между измеренными дисперсиями q(Δω_ij) и заданными дисперсиями q_зад( Δω_ij) поступают на вторые входы регулируемых усилителей 5 и изменяют коэффициенты усиления так, чтобы разница между q(Δω_ij) и q_зад ( Δω_ij) уменьшилась до минимально достижимого значения Δ q_min. Минимальная разница между q( Δω_ij) и q_зад( Δω_ij), которая достигается в контуре управления при регулировании коэффициента усиления и усилителя 5, определяется суммарным коэффициентом усиления цепи обратной связи, образуемой цепью: вибродатчик 10, коррелятор 12, АЦП 13 и БПФ 14. При равенстве измеренной дисперсии и заданной дисперсии q(Δω_ij), q_зад( Δω_ij) в некоторой частотной подполосе Δω_ij процесс настройки в данной частотной подполосе Δω_ij прекращается. Подобный процесс настройки продолжается до тех пор, пока процесс установления заданных дисперсий вибраций не осуществится во всех частотных подполосах. По окончании настройки система готова к выходу на заданный уровень вибрации.

Для вывода системы к требуемому уровню вибрации производится увеличение коэффициента усиления регулируемых усилителей 5 в каждой подполосе Δω_ij на величину ΔK_ij. По управляющему сигналу, поступающему с пятого выхода блока управления 23, на управляющий вход задатчика режима 21 подается команда на последовательное (пошаговое) дискретное приближение к требуемому уровню вибраций. Измененное значение уровня заданной дисперсии в каждой подполосе Δω_ij поступает в схему сравнения 22, где сравниваются значения дисперсии q( Δω_ij), поступающие с второго вычислителя 15, с заданной (измененной) дисперсией q_зад( Δω_ij). Разность получаемых значений между q( Δω_ij) и q_зад( Δω_ij) на выходе второй схемы сравнения 22 поступает на вторые управляющие входы регулируемых усилителей 5 и изменяет коэффициенты усиления так, чтобы разница между q( Δω_ij) и q_зад( Δω_ij), стремилась к Δ q_min. Затем в задатчике режима 21 происходит новое увеличение и весь процесс повторяется до выхода системы на требуемый уровень вибраций.

В процессе вывода системы на заданный уровень вибраций (на каждом шаге см. фиг. 2 дискретного приближения) производится оценка новой функции когерентности γ_ij(f) для каждой полосы, т. е. производится вычисление нового значения функции когерентности γ_ij(f) при каждом увеличении коэффициента усиления на Δ К_ij. Процесс вычисления γ_ij(f) производится по приведенному порядку. Результаты вычисления на выходе первого вычислителя 17 записываются в третий блок памяти 19 по адресу, подаваемому с четвертого выхода блока управления 23. Хранящиеся во втором 18 и третьем 19 блоках памяти значения функций когерентности γ_ij(f) поступают в первую схему сравнения 20, где производится сравнение полученного значения функции когерентности γ_ij(f) при увеличенном значении коэффициента усиления регулируемых усилителей на Δ К_ij, записанного в третьем блоке памяти 19, со значением функции когерентности γ_зад(f), вычисленным в режиме малого уровня сигнала возбуждения, записанного во втором блоке памяти 18. Вычисление функции когерентности γ_ij(f) производится в каждой подполосе и также осуществляется сравнение.

При сравнении в первой схеме сравнения 20 двух функций когерентности γ_задij(f), вычисленная при малом сигнале возбуждения, когда не связываются нелинейность тракта вибровозбудитель-изделие, и γ_ij(f), вычисленная в процессе выхода на заданный уровень вибрации на каждом шаге приращения коэффициента усиления ΔК_ij, возможны два варианта результатов сравнения:
а) На очередном шаге приращения коэффициентов усиления нелинейность тракта вибровозбудитель-изделие не проявляется и значение функции когерентности в каждой подполосе γ_ij(f) не изменяется по сравнению с функцией когерентности γ _задij(f), вычисленной на малом уровне сигнала возбуждения, т. е. выполняется условие
γ _задij(f) -Δγ ≅γ_ij(f) ≅γ_задij(f)+ Δγ, где ±Δγ - погрешность измерения, определяющая поле допуска. Поле допуска определяется из конкретных условий испытаний объекта.

В случае непроявления нелинейности тракта вибровозбудитель-изделие режим выхода на заданный уровень вибрации осуществляется по приведенному порядку.

б) На очередном шаге приращения коэффициентов усиления Δ К_ijпроявляется нелинейность тракта вибровозбудитель-изделие и значение функции когерентности в определенной подполосе γ_ij(f) отлично по сравнению с функцией когерентности γ_задij(f), вычисленной на малом уровне сигнала возбуждения, т. е. выполняется условие γ_ij(f) ≅ γ_задij(f )- Δ γ .

В данной подполосе, где проявляется нелинейность, происходит остановка увеличения коэффициента усиления соответствующего регулируемого усилителя 5 (см. фиг. 3).

На фиг. 3 представлен случай проявления нелинейности тракта вибровозбудитель-изделие в подполосе Δω_i,2 полосы Δω_i. В этом случае коэффициент усиления регулируемого усилителя 5 подполосы Δω_i,2 не достигает заданного значения коэффициента усиления. Недостающее значение коэффициента усиления δ_i,2 = (К_i,2-K_i.2задан) компенсируется соответствующим приращением δ_i,j коэффициентов усиления регулируемых усилителей 5 подполосы Δω_i,1 и Δω_i,3, которое определяется из условия
δ_ij= , где j= 1 и 3.

В этом случае в полосе Δω _i выполняется требование равенства дисперсий заданной вибрации и дисперсии возбуждаемой вибрации, т. е. выполняется условие
q_ij(Δω_ij)= q(Δω_i).

При этом неравномерность δ_i спектра возбуждаемой вибрации в полосе Δω_i не должна превышать допустимое значение δ_iq, т. е. должно выполняться условие δ_i ≅ δ_iq, где δ_iq определяется из конкретных условий испытаний (см. фиг. 2, в).

Предлагаемое устройство было реализовано в процессе выполнения НИР. Значительная часть устройства реализована из стандартных узлов и блоков, широко используемых в аппаратуре для испытания на случайную вибрацию. Так, например, реализация генератора шума 3 базируется на рекомендациях книги Жовинского В. Н. (Жовинский В. Н. Генерирование шумов для исследования автоматических систем. М. : Энергия, 1968) с использованием стандартной схемотехники. Полосовой фильтр 4, канальный и общий сумматоры 6 и 7 реализованы по стандартным схемам на базе операционных усилителей серии К 140УД6 или К 140УД7 (Гутников В. С. Применение операционных усилителей в измерительной технике). Регулируемый усилитель 5 выполнен на микросхеме ЦАП К 572 ПА2 или КР 572 ПА2, аналого-цифровой преобразователь 13 - на микросхеме К 572 ПВ1 (Федорков Б. Г. и Телец В. А. Микросхемы ПАЦ и АЦП: Функционирование, параметры, применение. М. : Энергоатомиздат, 1990). Блок 14 быстрого Фурье преобразования - на микропроцессоре К 1815 ВФЗ (Басманов А. С. и Широков Ю. Ф. Микропроцессоры и однокристальные микроЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности. -Под редакцией док. тех. наук В. Г. Домрачева. М. : Энергоатомиздат, 1988, с. 122). Коммутатор 11 можно реализовать на миркосхемах К172КТ1 или К561КТЗ (Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. М. : Радио и связь, 1987). Коpрелятор 12 - на основе функциональных схем, приведенных в кн. Мирского (Мирский Г. Я. Характеристики стохастической возможности и их измерение. М. : Энергоиздат, 1982).

Блоки памяти 16,18 и 19 выполнены на базе микросхемы серии К 565 РУ5 (Лебедев О. Н. Микросхемы памяти и их применение М. : Радио и связь, 1990); схемы сравнения 20 и 22 выполнены на базе цифровых компараторов - микросхемы К 555 СП1 (Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. М. : Радио и связь, 1987). Вычислители 15 и 17 - на базе персональных ЭВМ типа ДВК-3. Задатчик режима 21 выполнен на основе цифровых элементов памяти К 155 РУ2. В качестве усилителя мощности 8, вибровозбудителя 9 и вибродатчика 10 используются вибростенд типа ВЭДС-100 с предусилением и вибродатчиком ИС-318.

Блок управления выполнен на микросхеме 155 серии, на фиг. 4 приведена блок-схема блока управления. Блок управления вырабатывает управляющие сигналы в виде кодов, приведенных в таблице фиг. 6, а на фиг. 5 показаны эпюры работы блока управления в первом режиме (режиме малого сигнала).

(56) 1. Авторское свидетельство СССР N 913095, кл. G 01 М 7/00, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР N 1427194, кл. G 01 M 7/00, 1988.

Изобретение позволяет повысить точность формирования заданного спектра случайной вибрации и расширить класс испытуемых изделий путем уменьшения влияния нелинейности тракта вибровозбудитель - изделие. Сущность: каждый канал формирователя содержит три управляемых канала и канальный сумматор. Контроль нелинейности осуществляют путем измерения функции когерентности сигналов на входе и выходе тракта вибровозбудитель - изделие сначала при воздействии на тракт сигналами малого уровня, затем при сигнале заданного уровня и сравнения значений функции когерентности, полученных в двух режимах в каждой подполосе. В случае их различения в подполосе какого-либо подканала формирователя уменьшают заданный уровень в этой подполосе, но при этом одновременно увеличивают уровни в других подполосах данного канала формирователя так, что средний уровень спектра в данной полосе соответствует заданному. 6 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА СЛУЧАЙНУЮ ВИБРАЦИЮ, содержащее N-канальный формирователь, последовательно соединенные сумматор, усилитель мощности, вибровозбудитель механических колебаний, вибродатчик, коммутатор, коррелятор, аналого-цифровой преобразователь, блок быстрого преобразования Фурье, первый блок памяти и первый вычислитель, второй и третий блок памяти, первые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами первого вычислителя, последовательно соединенные первую схему сравнения, задатчик режима и вторую схему сравнения, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом задатчика режима, второй выход - с вторым входом первого блока памяти, третий выход - с вторыми входами соответственно второго и третьего блоков питания, четвертый выход - с управляющим входом коммутатора, третий вход которого соединен с выходом усилителя мощности, второй выход - с вторым входом коррелятора, входы первой схемы сравнения соединены соответственно с выходами второго и третьего блоков памяти, отличающееся тем, что, с целью повышения точности вибрационных испытаний и расширения эксплуатационных возможностей путем уменьшения влияния нелинейности тракта вибровозбудитель - изделие, оно снабжено вторым вычислителем, первый вход которого соединен с выходом блока быстрого преобразования Фурье, второй вход - с пятым выходом блока управления, а выход - с вторым входом второй схемы сравнения, каждый из N каналов формирователя выполнен в виде трех управляемых подканалов и дополнительного сумматора, входы которого соединены с выходом каждого из подканалов, а выход - с соответствующим N-м входом сумматора, каждый из подканалов выполнен в виде последовательно соединенных генератора шума, полосового фильтра и регулируемого усилителя, выход которого является выходом каждого из подканалов, вторые входы регулируемых усилителей каждого из подканалов объединены и соединены с выходом второй схемы сравнения, третьи входы регулируемых усилителей объединены и соединены с шестым выходом блока управления.