Вибростенд Советский патент 1985 года по МПК G05D19/02 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытаний объектов на гармонические вибрации с фиксированной или непрерывно меняющейся частотой.

Известен вибростенд, у которого компрессия возбуждающего сигнала (при стабилизации колебаний стола по некоторому параметру, например, по вироускорению) осуществляется различными способами. Например, в устройстве используется электромеханический способ: уровень сигнала изменяется с помощью потенциометра, подвижный контакт которого подключен к входу объекта регулирования и механически соединен с валом двигателя, перемещающего контакт на величину разности фактического и заДанного напряжений.

Наиболее, близок к предлагаемому по технической сущности вибростенд ZJ, у которого компрессия сигнала осуществляется с помощью двузатворного полезного транзистора. На первый затвор полевого транзистора (МОП-тетрода) поступает сигнал возбуждения от задающего генератора, на второй затвор приходит сигнал с выхода элемента сравнения. Каскад на полевом транзисторе повторяет сигнал, подаваемьй на первьй затвор, с коэффициентом передачи, пропорциональным напряжению второго затвора.

Как известно 3j , полевой транзистор может обеспечить линейность регулировки сигналй в диапазоне, не превьшающем 40 дБ. Этот диапазон оказывается недостаточным, если требуется, например, осуществить сканирование в пределах изменения частоты от 20 до 20000 Гц при постоянном значении одного из вибрационных параметров. Статический метод регулирования, использованный в указанном стенде, не допускает отступления от линейности регулировочной характеристики компрессора, на которую могут влиять различные дестабилизирующие факторы, например изменение нагрузки на стенд или зависящие от частоты явления (например, субрезонансные). С их появлением значение стабилизируемого параметра резко изменяется, что приводит к ухудшению точности воспроизведения вибростола. Поскольку 40 дБ - предельное значение диапазона линейности, точность регулировки вибрации, определяемая отношением разности фактического и заданного уровней к заданному уровню вибрации в данном стенде даже при идеальных условиях эксплуатации не лучше 1%.

Цель изобретения - повышение точности вибростенда путем повышения точности воспроизведения вибрации.

Поставленная цель достигается тем, что вибростенд, содержаишй задающий генератор, последовательно соединенные усилитель мощности, вибратор, вибропреобразователь, согласующий усилитель и среднеквадратичный детектор, содержит резистивную матрицу типа R-2 R , переключатели, масштабный усилитель, двоичньй реверсивный счетчик, элементы И, ИСЮтаЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два компаратора, два одновибратора, генератор пилообразного напряжения и блок памяти, причем первьй выход задающего генератора соединен с первыми входами переключателей и через первый одновибратор с входом генератора пилообразного напряжения, выход которого соединен с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы которых связаны соответственно с источником опорного напряжения и выходом блока памяти, а выходы - с входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к первому входу элемента И, соединенного вторым входом с шиной тактовых импульсов, а выходом - со счетным входом двоичного реверсивного счетчика, уцравляюш й вход которого связан с выходом первого компаратора, а выходы - с управляющими входами переключателей вторые входы которых соединены с корпусной щиной, а выходы - с управляющими входами резистивной матрицы типа R-2 R , первьй вывод последовательной цепи резисторов которой подключен к корпусной щине, а последний - к входу масштабного усилителя, соединенного выходом с входом усилителя мощности, второй выход задающего генератора связан через второй одновибратор со входом установки.в О блока памяти, вход которого соединен с выходом среднеквадратичного детектора.

фиг. 1 показана функциональная схема вибростенда; на фиг.2 временная диаграмма.

Вибростенд содержит усилитель 1 мощности, вибратор 2, вибропреобразователь 3, согласующий усилитель-4 среднеквадратичный детектор 5, блок памяти 6, масштабный усилитель 7, резистивную матрицу 8 типа R-2 R одновибраторы 9 и 10, переключатели 11-13, задающий генератор 14, генератор 15 пилообразного напряжения, двоичньй реверсивный счетчик 16, элемент И 17, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ШМ 18, компараторы 19 и 20 (соответственно первый и второй) и источник 21 опорного напряжения.

Источником сигнала возб -ждения вибростенда является задающий генератор 14. Он вырабатывает гармонический сигнал с максимально допустимой по условиям работы стенда амплитудой и подает его на свой прямой первый выход. Одновременно такой же по форме, но сдвинутый на полпериода по фазе сигнал постпает на фазоинверсный второй выход генератора. Сигнал, снимаемый с прямого выхода, обрабатывается компрессорной системой (элементы 11-13, 8 и 7) и затем передается в силовую часть устройства на вход усилителя 1 мощности. Усилитель 1 мощности приводит в действие вибратор 2, который раскачивает стол вибростенда. Закрепленный на столе вибропреобразователь 3 формирует информационный сигнал, по которому стабилизируются механические колебания. Этот сигнал повторяется согласующим усилителем 4 и подаемс на среднеквадратичный детектор 5, вычисляющий его текущее среднеквадратичное значение. Блок памяти 6 запоминает среднеквадратичное значние, выбираемое однократно в течен периода. Началом периода считается момент появления положительной полуволны сигнала на фазоинверсном выкоде генератора 14. Перепад знака полуволны служит толчком для выдачи одноБибратором 10 короткого импульса, устанавливающего блок в О.

После обнуления блок памяти 6 запоминает новое значение сигнала за время, не превышающе-о половины периода. Чере: полпериода положительная полуволна сигнала появляется на прямом выходе генератора 14 и вызьшает аналогичное срабатьшание одновибратора 9. В результате на

запускающий вход генератора 15 пилообразного напряжения проходит импульс, по которому однократно стартует процесс линейного нарастания выходного уровня напряжения

(пилы). Компараторы 19 и 20

сравнивают пилу с опорным и фактическим уровнями возбуждения, а логические элементы 18 и 17 определяют в импульсно-временной форме

разность этих уровней и, воздействуя на счетчик 16 компрессорной системы, стремятся свести указанную разность к-нулю.

Как видно из эпюр на фиг. 2,

начало второй половины каждого периода прямого сигнала U| сопровождается импульсом Ug одновибратора 9, с момента возникновения которого среднеквадратичное значение U сигнала вибропреобразователя 3 считается записаиньм в блок 6. Значение и может быть равным опорному значению , которое задается оператором в качестве номинального уровня возбуждения, или отличаться от него.

Допустим, что для некоторого, М-го, периода сигнала U, характерно соотношение Ug , свидетельствующее о недовозбуждении стенда. В результате, пила U, достигнет значения Ug раньше, чем опорного уровня Ujj . Как только произойдет совпадение U и U,5 (это случится

в момент ), компаратор 20,

сравнивающий эти величины, начнет выдавать единичный логический сигнал на вход элемента ИСКЛЮЧАЩЕЕ Ш1И 18. Элемент 18 будет повторять

эту 1 на выходе (U,e 1) до тех пор, пока не пpOIiзoйдeт совпадение величин и ,5 и U2I на компараторе 19, то есть пока U|cj будет оставаться равным нулю. Сигнал Ujg 1

разрещит прохождение тактовых импульсов ТИ через элемент И 17 на счетный выход двоичного реверсивного счетчика 16. В то же время нулевое значение Ujq будет задавать

режим суммирования счетчику 16 по его управляющему входу. Как только и 15 дорастет до уровня U, (момент t((n), сработает компаратор 19 и на другом входе, элемента 18 появится сигнал U , 1. В результате и 12 примет значение О, элемент И 17 запрется и счет импульсов U|7 прекратится. Таким образом, код счетчика 16 возрастет на величину, прямо пропорциональную разности t q -t2oM зависящую непосредственно от степени рассогласования уровней и и 21,

При соотношении U/ U

на21

пример в N-M периоде интенсивность колебаний вибростенда будет выше нормы, и тогда первым сработает компаратор 19 (момент ), единичньй сигнал которого задаст режим вычитания счетчику 16 и по цепи элемента 18 разрешит прохождения импульсов ТИ через элемент И 17. Счетчик 16 будет регистрировать эти импульсы до тех пор, пока не сработает компаратор 20, и уменьшит таким образом свое содержимое на величину пропорциональную разности t oN -iqf В случае нормального возбуж,дения стенда ( ) оба компаратора 19 и 20 будут срабатьшать одновременно, в результате код счетчика 16 не изменится.

- на (Ьиг. 2 обоЗнаками +

значены области суммирования и вычитания импульсов счетчика 16.

Элементы 11-13, 8 и 7 образуют компрессор, структурно напоминающий цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) , но имеюш 1Й два принципиальных отличия от него: во-первых, переключатели 11-13 должны быть расчитаны на коммутацию биполярного сигнала, что не обязательно для ЦАП, преобразующего модульную часть кода в напряжение одного знака; во-вторых, уровень выходного сигнала компрессора зависит не только от величины управляющего кода, но и от напряжения на первых подключенных к выходу задающего генератора входах переключателей 11-13 вЦАП на эти входы подают строго стабилизированное постоянное напряжение т.е. если ЦАП - двухполюсник, то компрессор - трехполюсник.

С помощью компрессора осуществляют управление вибростендом. Возбуждаю дий сигнал на выходе масштабного усшштепя 7 определяется произведением трех величин: напряжения генератора 14, кода счетчика

16 и масштабного коэффициента усилителя 7. Зависимость сигнала возбуждения от кода счетчика 16 реализует резистивная матрица В типа R-2 R . Поскольку цепочка резисторов матрицы 8 является линейной цепью, ее работу можно проанализировать методом суперпозиции: рассчитывая вклад в выходной сигнал компрессора от каждого разряда в отдельности, определить результат как общую сумму вкладов. Для этого звено 2 R рассматриваемого разряда необходимо считать подключенным к выходу генератора 14 (соответствующим переключателем), а остальные звенья - к шине О. Тогда становится очевидным, что эквивалентное сопротивление цепи со стороны младших разрядов равно 2R , со стороны сташих разрядов эквивалентное сопротивление цепи также равно 2 R , если входной вывод операционного усилителя, использованного в масштабном усилителе 7, фактически имеет потенциал корпуса (равен нулю); ток остается одинаковым независимо от веса разряда, составляющая данного тока, обтекающая резистор, подключенный к масштабному усилителю (суммирующий резистор), прямо пропоциональна двоичному весу разряда. Следовательно, сумма токов от всех единичных разрядов, а значит, падение напряжения на суммирующем резисторе и выходное напряжение компрессора оказьгоается пропорциональным значению кода на выходе счетчика 16. Увеличение или уменьшение этого кода вызывает соответственно усиление или ослабление сигнала возбуждения, передаваемого компрессором на силовую часть устройства. В результате амплитуда и сигнала вибропреобразователя 3 стабилизируется на уровне U.. с высокой точностью.

Точность воспроизведения вибраци в предлагаемом устройстве зависит от количества разрядов матрицы 8 и может иметь значение 0,1-0,01% при использовании резистивных матриц типа К312НР12 (десятиразрядных), К313НР1 (двенадцатиразрядных), а в качестве переключателей - реле РЭС55 илц пар аналоговых ключей ти, па К284КН1, объединенных по схемам переключателей.

; В существую1цих стендах точность воспроизведения вибратщн нормируется в пределах 10-20%, так как статическая система регулирования вибрации подвержена неблагоприятным внешним влияниям. Предлагаемый вибростенд более устойчив, так как реализует эстетическое регулирование, компенсируя уход стабилизируемого параметра

U2I независимо О

и от заданного уровня о

причины,которая его вызвала,

Кроме того, изменение частоты тактовых импульсов ТИ на входе элемента И 17 эквивалентно изменению постоянной времени усреднения фильтра в устройстве-прототипе, при этом, так как частота пилы синхронно повторяет частоту задающего генератора, то усреднение в предложенном устройстве характеризуется не абсолютным временем, а числом периодов.

ВИБРОСТЕНД, содержащий задающий генератор, последовательно соединенные усилитель мощности, вибратор, вибропреобразователь, согласующий усилитель и среднеквадратичньй детектор, отличающийся- тем, что, с целью повышения точности вибростенда, он содержит резистивную матрицу типа R -2R , переключатели, масштабный усилитель, двоичный реверсивньш счетчик, элементы И, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два компаратора, два одновибратора, генератор пилообразного напряжения и блок памяти. Причем первьш выход задающего генератора соединен с первыми входами переключателей и через первьш одновибратор с входом генератора пилообразного напряжения, выход которого соединен с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы которых связаны соответственно с источником опорного напряжения и выходом блока памяти, а выходы - с входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к первому входу элемента И, соединенного вторым входом с шиной тактовых импульсов, а выходом со счетным входом двоичного реверсивного счетчика, управляющий вход которого связан с выходом .первого (Л компаратора, а выходы - с управляющими входами переключателей, вторые входы которых соединены с корпусной щиной, а выходы - с управлякмаи№1 входами резистивной матрицы типа 1 -2 R , первьй вывод последовательной цепи резисторов которой подключен к корпусной шине, а последний к входу масштабного усилителя, соеел диненного выходом с входом усилителя мощности, второй выход задаю05 щего генератора связан через второй о одновибратор с входом установки ,в N3 О блока памяти, вход которого соеет динен с выходом среднеквадратичного детектора.

М-й период

N-й период