НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ВИБРОСТЕНД Российский патент 1995 года по МПК G01M7/04 

Изобретение относится к виброиспытательной технике, а именно к горизонтальным стендам для испытаний сейсмометрической аппаратуры в диапазоне инфранизких частот от 0,01 до 20 Гц.

Известен автоколебательный вибростенд [1], который содержит подвижную систему, установленную в упругом подвесе, датчик скорости, подвижная часть которого закреплена на подвижной системе, а статор - на корпусе. Выход датчика скорости через усилитель соединен с входом магнитоэлектрического или электромагнитного возбудителя колебаний. Возбуждение синусоидальных колебаний в таком стенде осуществляется за счет положительной обратной связи, содержащей датчик скорости, усилитель и возбудитель колебаний. Недостаток такого вибростенда заключается в нестабильности частоты и амплитуды воспроизводимых синусоидальных колебаний, которая обуславливается изменением сил трения в подвесе, изменением во времени коэффициента передачи обратной связи, переходными тепловыми процессами в обмотке возбудителей колебаний и другими причинами. Кроме того в таком стенде затруднительна перестройка частоты автоколебаний. По этой причине он может использоваться лишь для воспроизведения синусоидальных колебаний на фиксированных частотах в диапазоне от 0,01 до 20 Гц.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является низкочастотный вибростенд [2], содержащий виброплатформу, взаимодействующий с ней первый электродинамический вибровозбудитель, подключенные к нему последовательно соединенные первый усилитель и первый блок сравнения, взаимодействующий с виброплатформой датчик перемещений, подключенный к нему первым входом второй блок сравнения, взаимодействующий с виброплатформой второй электродинамический вибровозбудитель, подключенный к нему второй усилитель, к выходу которого подключен третий блок сравнения, первый блок коррекции, вход которого соединен с выходом второго блока сравнения, а выход - с входами первого и третьего блоков сравнения, подключенные к токовым катушкам электродинамических вибровозбудителей, и последовательно соединенные дифференциальный усилитель, второй блок коррекции, третий усилитель, второй выход которого подключен к второму входу третьего блока сравнения, и инвертор, выходом соединенный с вторым входом первого блока сравнения. Стенд содержит также последовательно соединенные двухполупериодный амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом датчика перемещений, интегратор, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, и управляющий генератор, выход которого соединен с вторым входом второго блока сравнения. Подвижная система вибростенда представляет собой виброплатформу, которая через упругие шарниры посредством двух стоек соединена с основанием. Такой вибростенд воспроизводит вынужденные синусоидальные колебания, частоты и амплитуда которых задаются генератором.

Основной недостаток низкочастотного вибростенда, выбранного прототипом, заключается в том, что из-за несовершенства параллелограммного подвеса при движении подвижной системы возникают ее наклоны в плоскости горизонта. При этом по оси воспроизводимых колебаний ОХ действует проекция ускорения свободного падения, значение которой
W_x = g ^.sin α , (1) где g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения;
α - угол наклона подвижной системы в плоскости горизонта.

Например, при амплитудах воспроизводимых колебаний, равных 1 мм, на частоте 0,01 Гц и наклонах подвижной системы 0,25'' погрешность воспроизведения от ускорения (1) будет составлять 300%; на частоте 0,1 Гц она уменьшится до 3%. Таким образом на частотах от 0,01 до 0,1 Гц, на которых работают многие сейсмические приборы, эксплуатация таких стендов затруднительна из-за высокой погрешности воспроизводимых колебаний.

Цель изобретения - повышение точности воспроизведения инфранизкочастотных синусоидальных колебаний путем уменьшения наклонов подвижной системы относительной плоскости горизонта.

Цель достигается тем, что низкочастотный вибростенд, содержащий подвижную систему, соединенную через упругие шарниры с основанием посредством двух стоек, два возбудителя колебаний, датчик перемещений, последовательно соединенные первый блок сравнения и первый усилитель, выход которого соединен с входом первого возбудителя колебаний, генератор, первый выход которого соединен с первым входом первого блока сравнения, второй возбудитель колебаний, второй усилитель и второй блок сравнения, дополнительно содержит третий возбудитель колебаний, причем оси симметрии второго и третьего возбудителей колебаний смещены относительно оси, проходящей через центры упругих шарниров, установленных на подвижной системе, наклономер, установленный на подвижной системе так, что его измерительная ось расположена в плоскости горизонта перпендикулярно оси воспроизводимых колебаний, последовательно соединенные программируемый усилитель, второй блок сравнения, фильтр низких частот, блок коммутации, выход которого соединен с входом второго усилителя, прямой и инверсный выходы которого соединены соответственно с входами второго и третьего возбудителей колебаний, дешифратор, вход которого соединен с вторым выходом генератора, а выход - с управляющим входом программируемого усилителя, вход которого соединен с выходом датчика перемещений и вторым выходом первого блока сравнения, датчик скорости, выход которого соединен с третьим входом первого блока сравнения, выход наклономера соединен с вторым входом второго блока сравнения, третий выход генератора через двенадцативходовую схему ИЛИ соединен с управляющим входом блока коммутации.

На чертеже изображена функциональная схема низкочастотного вибростенда.

Низкочастотный вибростенд содержит подвижную систему 1, соединенную с основанием 2 через упругие шарниры посредством двух стоек 3, три электродинамических возбудителя 4 колебаний, датчик 5 скорости электродинамического типа, емкостный датчик 6 перемещений, первый 7 и второй 8 блоки сравнения, первый 9 и второй 15 усилители, генератор 10 синусоидальных колебаний, маятниковый наклономер 11, программируемый усилитель 12, фильтр 13 низких частот (апериодическое звено), блок 14 коммутации, выполненный на реле, дешифратор 16 двоично-десятичного кода в двоичный и двенадцативходовую схему ИЛИ 17. Оси симметрии второго и третьего возбудителей 4 колебаний смещены относительно оси, проходящей через центры упругих шарниров, установленных на подвижной системе 1. Наклономер 11 установлен на подвижной системе 1 так, что его измерительная ось расположена в плоскости горизонта перпендикулярно оси воспроизводимых колебаний.

Первый блок 7 сравнения последовательно соединен с первым усилителем 9, выход которого соединен с входом первого возбудителя 4 колебаний. Первый выход генератора 10 соединен с первым входом первого блока 7 сравнения. Программируемый усилитель 12, второй блок 8 суммирования, фильтр 13 низких частот, блок 14 коммутации соединены последовательно. Выход блока 14 коммутации соединен с входом второго усилителя, прямой и инверсный выходы которого соединены соответственно с входами второго и третьего возбудителей 4 колебаний. Дешифратор 16 двоично-десятичного кода в двоичный соединен своим входом с вторым выходом генератора 10, а выходом - с управляющим входом программируемого усилителя 12, вход которого соединен с выходом датчика 6 перемещений и вторым входом первого блока 7 сравнения. Выход наклономера 11 соединен с вторым входом второго блока 8 сравнения. Третий выход задающего генератора 10 через двенадцативходовую схему ИЛИ 17 соединен с управляющим входом блока 14 коммутации. Выход датчика 5 скорости соединен с третьим входом первого блока 7 сравнения.

Низкочастотный вибростенд работает следующим образом.

Сигнал с первого (аналогового) выхода генератора 10 через последовательно соединенные первый блок 7 сравнения, первый усилитель 9 поступает на вход первого возбудителя 4 колебаний, который создает силу, перемещающую по оси ОХ подвижную систему 1. Перемещения подвижной системы 1 измеряются емкостным датчиком 6, выходной сигнал которого поступает на второй вход первого блока 7 сравнения. Таким образом последовательно соединенные датчик 6 перемещений, первый блок 7 сравнения, первый усилитель 9 и первый возбудитель 4 колебаний образуют контур отрицательной обратной связи по перемещению подвижной системы 1. Для обеспечения высокого качества воспроизводимых колебаний и устойчивости в контур отрицательной обратной связи по перемещению вводится сигнал с датчика 5 скорости.

Для уменьшения наклонов подвижной системы 1 относительно плоскости горизонта в вибростенд введена система стабилизации подвижной системы 1 в плоскости горизонта. Она состоит из последовательно соединенных наклономера 11, установленного на подвижной системе 1 так, что его измерительная ось расположена в плоскости горизонта и направлена перпендикулярно оси воспроизводимых колебаний, фильтра 13 низких частот, блока 14 коммутации и второго усилителя 15, прямой и инверсный выходы которого соединены соответственно с входами второго и третьего возбудителей колебаний.

Система стабилизации наклонов работает следующим образом.

При наклоне подвижной системы 1 наклономер 11 вырабатывает сигнал, пропорциональный углу наклона. Этот сигнал после фильтрации и усиления поступает на входы второго и третьего возбудителей колебаний, которые создают момент, возвращающий подвижную систему 1 в плоскость горизонта. Значение этого момента М_в = К_н^. К_у^. К_в^. К_ф^. l₁^. (g α + A ω² sin ω t), (2) где К_н, К_у, К_в, К_ф - коэффициенты передачи соответственно наклономера 11, усилитель 15, возбудителя 4 колебаний и фильтра 13;
l₁ - расстояние от оси симметрии второго и третьего возбудителей колебаний до оси, проходящей через центры упругих шарниров, через которые подвижная система 1 соединяется со стойками 3;
α - угол наклона подвижной системы 1 в плоскости горизонта;
g - ускорение свободного падения;
ω - круговая частота воспроизводимых синусоидальных колебаний;
А - амплитуда колебаний подвижной системы.

Для исключения влияния составляющей А ω^2. sin ω t в контур стабилизации введен программируемый усилитель 12, соединенный входом с датчиком 6 перемещений, а выходом - с вторым входом второго блока 8 сравнения.

Коэффициент передачи программируемого усилителя 12 выбирается из условия:
K_пр = (3) где К_е - коэффициент передачи емкостного датчика 6 перемещений.

На втором блоке сравнения осуществляется суммирование сигналов с наклономера 11 и емкостного датчика 6 перемещений. В результате на выходе второго блока 8 сравнения имеется сигнал
U_cр = К_н^. g ^. α. (4)
Таким образом погрешность компенсации наклонов от составляющей А ω^2. sin ω t исключается.

Управление программируемым усилителем осуществляется дешифратором 16, который преобразует двоично-десятичный код выходной частоты генератора 10 в двоичный. На частотах, превышающих 0,2 Гц, погрешность от наклонов подвижной системы 1 не превышает долей процента. Поэтому на частотах f > 0,2 Гц система стабилизации отключается с помощью двенадцативходовой схемы ИЛИ 17 и блока 14.

Подвижная система 1, стойки 3, основание 2, первый возбудитель 4 колебаний, емкостный датчик 6 перемещений, первый блок 7 сравнения, первый усилитель 9 и генератор 10 входят в комплект образцовой установки ПСГУ, серийно изготавливаемой ОКБ ИФЗ АН СССР.

Второй и третий возбудители 4 колебаний и датчик 5 скорости выполнены аналогично возбудителю колебаний, входящему в состав установки ПСГУ, а второй усилитель 15 аналогичен первому усилителю 9 и выполнен на операционных усилителях и транзисторах. Программируемый усилитель 12 и фильтр 13 выполнены на операционных усилителях, дешифратор 16 и логическая схема ИЛИ 17 - на микросхемах серии К155, 133 или 564.

В соответствии с предлагаемым техническим решением наклоны подвижной системы уменьшены с 1" до 0,01" по сравнению с прототипом, а погрешность воспроизведения синусоидальных сейсмических колебаний, вызванная наклоном подвижной системы относительно плоскости горизонта, в диапазоне частот 0,01-0,2 Гц уменьшена со 100 до 1%.

Использование: для испытаний сейсмометрической аппаратуры в диапазоне инфранизких частот от 0,01 до 20 Гц. Цель - повышение точности воспроизведения колебаний. Сущность изобретения: низкочастотный вибростенд содержит подвижную систему, соединенную через упругие шарниры с основанием посредством двух стоек, два возбудителя колебаний, датчик перемещений, последовательно соединенные первый блок сравнения и первый усилитель, генератор, второй возбудитель колебаний, второй усилитель и второй блок сравнения, третий возбудитель колебаний, причем оси симметрии второго и третьего возбудителей колебаний смещены относительно оси, проходящей через центры упругих шарниров, установленных на подвижной системе, наклономер, установленный на подвижной системе так, что его измерительная ось расположена в плоскости горизонта перпендикулярно оси воспроизводимых колебаний, последовательно соединенные программируемый усилитель, второй блок сравнения, фильтр низких частот, блок коммутации, дешифратор. Положительный эффект: повышение точности воспроизведения колебаний (уменьшение погрешности до 1%). 1 ил.

НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ВИБРОСТЕНД, содержащий основание, подвижную систему, соединенную через упругие шарниры с основанием посредством двух стоек, последовательно соединенные первый блок сравнения, первый усилитель и первый возбудитель колебаний, взаимодействующий с подвижной системой, генератор, первый выход которого соединен с первым входом первого блока сравнения, датчик перемещения подвижной системы, второй возбудитель колебаний, взаимодействующий с подвижной системой, второй усилитель и второй блок сравнения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности воспроизведения инфранизкочастотных колебаний, он снабжен третьим возбудителем колебаний, наклономером, установленным на подвижной системе так, что его измерительная ось расположена перпендикулярно к оси воспроизводимых колебаний и параллельно основанию, программируемым усилителем, последовательно соединенными фильтром низких частот и блоком коммутации, выход которого соединен с входом второго усилителя, дешифратором, вход которого соединен с вторым выходом генератора, выход - с управляющим входом программируемого усилителя, двенадцативходовой схемой ИЛИ, входы которой соединены с третьим выходом генератора, выход - с управляющим входом блока коммутации, датчиком скорости подвижной системы, выход которого соединен с третьим входом первого блока сравнения, с вторым входом которого соединен выход датчика перемещения и второй вход программируемого усилителя, прямой и инверсный выходы второго усилителя соединены соответственно с входами второго и третьего возбудителей колебаний, второй вход второго блока сравнения соединен с выходом наклономера, первый вход - с выходом программируемого усилителя, второй и третий возбудители колебаний расположены так, что оси их симметрии смещены относительно оси, проходящей через центры упругих шарниров, установленных на подвижной системе.