УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к виброизмерительной технике, и может быть использовано для измерения виброперемещений как в виброкалибровочных устройствах, так и при испытаниях конструкций и деталей на моногармоническую вибрацию в машиностроении и самолетостроении.

Известен "Датчик вибраций" (а.с. N 265489, кл. G 01H 11/02) для измерения низкочастотных колебаний, содержащий корпус, установленный в нем с возможностью осевого перемещения измерительный стержень из парамагнитного материала и датчик. Существенным недостатком такого устройства является возможность измерения вибраций только в области низких частот.

Известно также устройство, содержащее датчик в виде пластин с делениями, закрепляемый на подвижной части вибратора, и преобразователь в виде отсчетного микроскопа, устанавливаемого на неподвижную часть вибростенда (Стационарное виброкалибровочное устройство СОВКУ-68. Техническое описание и инструкция по эксплуатации). В процессе калибровки вибродатчика или проведения виброиспытаний с помощью микрометрической шкалы визуально определяется размах виброперемещения какого-либо деления пластинки. Недостатками такого устройства являются низкая точность измерения больших виброперемещений ( до 10 мм размаха), ограниченная возможностями визуального процесса через объектив микроскопа и сравнения его со шкалой, большая трудоемкость измерений, возможность появления субъективных ошибок.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является "Устройство для измерения виброперемещений" (авт.св. N 1809295, кл. G 01H 11/02, G 01B 7/28, 1993 г.), содержащее преобразователь в виде токопроводящей скобы, установленной на испытываемом объекте, датчик в виде размещенных в корпусе измерительного стержня и зубчато-реечного механизма, электронную схему контроля и управления, шаговый двигатель, вал которого жестко соединен с входной осью зубчато-реечного механизма. Недостатками такого устройства являются низкая надежность, связанная с возможностью повреждения зубчато-реечного механизма из-за случайного жесткого касания измерительного стержня со скобой, увеличение погрешности измерений при подгорании точек контакта.

Технический результат изобретения повышение надежности и точности измерений.

Для этого устройство для измерения виброперемещений, содержащее вибростенд с установленными на его подвижной части преобразователем и на неподвижной части датчиком с измерительным стержнем, связанным с зубчато-реечным механизмом, шаговый двигатель, соединенный с последним, формирователь, соединенные последовательно интегратор, пороговый элемент, микроЭВМ, кодово-импульсный преобразователь и блок питания, подключенный к шаговому двигателю, снабжено вторым формирователем, элементом ИЛИ, преобразователь выполнен в виде штатива со светонепроницаемой шторкой, к торцу измерительного стержня датчика прикреплена параллельно подвижной части вибростенда консоль с прорезью и размещенными на ее поверхностях парами фотодатчиков, выходы которых соединены с формирователями, выполненными в виде формирователей сигналов фотодатчиков и соединенными с соответствующими входами элемента ИЛИ, преобразователь и датчик установлены с возможностью перемещения шторки в прорези консоли.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2-4 - алгоритм работы устройства.

Устройство содержит светонепроницаемую шторку 1, закрепленную на штативе 2, который установлен на подвижной части вибростенда 4, зубчато-реечный механизм 6, заключенный в корпус 10, преобразующий угловые перемещения входной оси 6 в линейные перемещения измерительного стержня 8, к торцу последнего прикреплена консоль с прорезью 9 с размещенными на ее поверхности двумя фотодатчиками 11. Шторка 1 имеет возможность проходить в прорезь консоли 9 между светодиодами и фотодиодами фотодатчиков 11, перекрывая тем самым световой поток. Кроме того, в устройство входят формирователь импульсов фотодатчиков 12, входы которых соединены с выходом фотодатчиков 11, элемент ИЛИ, входы которого подключены к выходам формирователей импульсов 12, интегратор 14, вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ 13, пороговый элемент 15, вход которого соединен с выходом интегратора 14, микроЭВМ 16, на шину ввода которой подключен выход порогового элемента 15, кодово-импульсный преобразователь 17, вход которого соединен с шиной вывода микроЭВМ 16, блок питания 17, вход которого подключен к выходу кодово-импульсного преобразователя 17, шаговый двигатель 19, вход которого соединен с выходом блока питания 18, а вал двигателя жестко соединен с входной осью 7 зубчато-реечного механизма 6.

На фиг. 2-4 изображен алгоритм работы устройства (сплошными линиями показан алгоритм работы при выключенном стенде, а пунктирными линиями - дополнительные блоки при работе с включенным стендом. Обозначения и названия записей блок-схемы алгоритма приведены в таблице).

Устройство работает следующим образом.

Перед началом испытаний производится измерение разности двух величин: ширины шторки L' и расстояния между фотодатчиками L (фиг.1,б). Измерение производится в автоматическом режиме при неработающем стенде. В процессе измерения микроЭВМ 16 вырабатывает кодовые сигналы определенной тактовой последовательности, которые преобразуются кодово-импульсным преобразователем 17 в управляющие импульсы, воздействующие на токовые ключи блока питания 18. Количество токовых ключей равно числу обмоток шагового двигателя 19. Количество разрядов кодовой посылки также соответствует этому числу.

В соответствии со значением кодовой посылки одного такта открываются соответствующие кодовые ключи и по обмоткам шагового двигателя, включенным последовательно с токовыми ключами и источником питания, начинает перетекать ток. При этом вал двигателя поворачивается на один угловой шаг. При следующем такте кодовой посылки вал двигателя поворачивается еще на один угловой шаг и т.д. Скорость и направление дискретного углового перемещения вала шагового двигателя зависит от значения кода посылки, частоты тактовой последовательности посылок, определяемой программой микроЭВМ. Вместе с валом двигателя дискретно поворачивается и жестко связанная с ним входная ось 7 зубчато-реечного механизма 6. Зубчато-реечный механизм преобразует угловое перемещение входной оси в линейное перемещение измерительного стержня 8. Допустим, от микроЭВМ задана последовательность кодовых сигналов, соответствующая перемещению измерительного стержня 8 вниз. В момент прохождения нижней кромки шторки нижним фотодатчиком 11 появляются сигнал на выходе соответствующего формирователя 12. Электрический сигнал, пройдя элемент ИЛИ 13, интегратор 14 и пороговый элемент 15, будет принят микроЭВМ 16, которая прекратит выдавать кодовые сигналы первоначального значения и начнет вырабатывать кодовые сигналы, соответствующие перемещению измерительного стержня 8 вверх. При этом программно начнется счет шагов углового перемещения вала шагового двигателя и соответственно шагов линейного перемещения измерительного стержня 8. В момент прохождения верхней кромки шторки 1 верхним фотодатчиком 11 сработает схема верхнего формирователя 12, микроЭВМ прекратит счет шагов перемещения и выдаст на вход кодово-импульсного преобразователя 17 кодовую последовательность на перемещение измерительного стержня в среднее положение фотодатчиков между кромками шторки.

Подсчитанное количество шагов линейного перемещения измерительного стержня будет соответствовать искомой разности. Указанную операцию проводят несколько раз с целью статистической обработки получаемых результатов. После включения вибростенда также производится измерение вышеуказанной разности в аналогичном порядке, но с учетом того, что размер светонепроницаемого пространства между двумя движущимися кромками шторки L" будет меньше первоначального на размах виброперемещения 2A=L'-L"(фиг.1 б, в). При этом формирователи 12 при каждом приближении фотодатчиков к кромкам шторки будут выдавать периодическую последовательность импульсов с частотой, равной частоте вибропроцесса, и длительностью, зависящей от степени приближения фотодатчика к кромке шторки. Пройдя элемент ИЛИ 13 и попав в интегратор 14, последовательность импульсов будет преобразована в сигнал постоянного уровня, который сравнивается в пороговом элементе 15 с заранее определенным значением. При равенстве измеренного уровня интегрированных импульсов и эталонного значения на выходе порогового элемента появится сигнал, воспринимаемый микроЭВМ как команда на остановку шагового двигателя или перемещение его вала в противоположном направлении. Разность отсчетов в двух случаях измерения (при включенном вибростенде) определит величину искомого размаха виброперемещения
L'- L (L''- L) L'- L''=2A.

Использование одного фотодатчика для измерения непосредственно размаха виброперемещения путем фиксации границ перемещения какой-либо одной движущейся кромки шторки возможно, но с увеличением погрешности измерений за счет гистерезисных явлений в фотодатчике при переходе им границ "тень-свет" и "свет-тень".

Устройство для измерения виброперемещений выполнено на фотодатчиках, основными элементами которых являются светодиоды АЛ107 и фотодиоды ФДК. Формирователи импульсов фотодатчиков выполнены по схемам, приведенным в статье О. Онищенко "Точный фотодатчик" ("В помощь радиолюбителю", вып.107, 1990 г. с. 21). Ширина шторки выбрана из условия L'-L=2A_maх, где 2A_maх- max измеряемый размах виброперемещения. В качестве зубчато-реечного механизма применен индикатор часового типа ИЧ-10 с измерительным диапазоном 0-10 мм и ценой деления шкалы 0,01 мм. В устройстве использован шаговый двигатель типа ШД-300/300-А, вал которого жестко связан с осью часового индикатора. Угловой шаг вала 3, следовательно, один полный оборот вал совершает за 120 шагов. Стрелка часового индикатора за 1 полный оборот проходит 100 делений шкалы, что соответствует 1 мм перемещения измерительного стержня. Исходя из вышеуказанного следует, что за 1 шаг углового перемещения вала измерительный стержень перемещается на величину 0,008333 мм. Эту величину можно принять за цену деления предлагаемого устройства. При этом размах измеряемых виброперемещений может быть до 10 мм. При использовании специально изготовленного зубчато-реечного механизма шаг дискретизации и соответственно диапазон измеряемых перемещений могут варьироваться.

Интегратор выполнен в виде RC-цепочки, пороговый элемент собран на микросхеме К554САЗА. В качестве микроЭВМ использован комплекс ДВК-3 с внешним интерфейсом И-2. Кодово-импульсный преобразователь играет роль согласующего звена между микроЭВМ и токовыми ключами блока питания и выполнен на микросхемах серии К 176. Токовые ключи собраны на транзисторах КТ603Б и КТ801Б по известной схеме (см.ж. "Радио", N 4, 1977, стр.32). Источник питания - источник постоянного тока напряжением 24 В.

Использование: для измерения виброперемещений как в калибровочных устройствах, так и при испытаниях конструкций и деталей на моногармоническую вибрацию в машиностроении и самолетостроении. Технический результат - повышение надежности и точности измерений. Для этого преобразователь выполнен в виде штатива 2 со светонепроницаемой шторкой 9, установленного на подвижной части вибростенда 4, а датчик содержит корпус 10, измерительный стержень 8, к торцу которого прикреплена консоль с прорезью 9 и фотодатчиками 11 на ее поверхностях, зубчато-реечный механизм 6, служащий для преобразования углового перемещения оси шагового двигателя 19 в линейные перемещения измерительного стержня. Корпус датчика установлен на неподвижной части вибростенда. Преобразователь и датчик расположены относительно друг друга так, что светонепроницаемая шторка может свободно перемещаться в прорези консоли между светодиодами и фотодиодами фотодатчиков, перекрывая тем самым световой поток. Управление работой шагового двигателя и подсчетом шагов перемещения его вала через кодово-импульсный преобразователь 17 и блок питания 18 осуществляет микроЭВМ 16, принимающая сигналы через пороговый элемент 15 и интегратор 14, и элемент ИЛИ 13 от формирователей сигналов фотодатчиков 12, входы которых соединены с выходами фотодатчиков. 4 ил., 1 табл.

Устройство для измерения виброперемещений, содержащее вибростенд с установленным на его подвижной части преобразователем и на неподвижной части датчиком с измерительным стержнем, связанным с зубчато-реечным механизмом, шаговый двигатель, соединенный с последним, формирователь, соединенные последовательно интегратор, пороговый элемент, микроЭВМ, кодово-импульсный преобразователь и блок питания, подключенный к шаговому двигателю, отличающееся тем, что оно снабжено вторым формирователем, элементом ИЛИ, преобразователь выполнен в виде штатива со светонепроницаемой шторкой, к торцу измерительного стержня, датчика прикреплена параллельно подвижной части вибростенда консоль с прорезью и размещенными на ее поверхностях парами фотодатчиков, выходы которых соединены с соответствующими формирователями, выполненными в виде формирователей сигналов фотодатчиков и соединенными с соответствующими входами элемента ИЛИ, преобразователь и датчик установлены с возможностью перемещения шторки в прорези консоли.