Устройство для измерения жесткости упругих элементов Советский патент 1986 года по МПК G01M7/00 G01C25/00 

телв 3, фазовый Детектор 4, усилитель 5, интегратор 6, коммутатор 7, а также выпрямитель П, сумматор 12, коммутатор 1.3 управляет частотой и амплитудой сигнала с выхода управляемого генератора 8. В установившемся режиме измерите тьная система, образованная датчиком 1 виброскорости и возбудителем 10 колебаний, зак- рбпленными на контролируемом элементе 20, будет колебаться с частотой, равной собственной, с заданной амплитудой. Для компенсации фазовых сдвигов, присущих элементам 3,4,8, 9,10, во втором такте измерения аналоговые запоминающие блоки 14, 15 переводятся по сигналам блока 19 управления сначала в режим выборки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь- зовано для измерения жесткости упругих элементов в приборостроении, например элементов гироскопических приборов.

Цель изобретения - увеличение точности измерений жесткости за счет компенсации фазовых погрешностей элементов устройства, влиякяцих на результат измерения.

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные датчик 1 виброскорос- ти, первый коммутатор 2, предварительный усилитель 3, фазовый детектор 4, второй суммирующий усилитель 5, интегратор 6, третий коммутатор 7, управляемый генератор 8, усили- тель 9 с регулируемым коэффициентом усиления, магнитоэлектрический возбудитель 10 колебаний. Устройство содержит также последовательно сое диненные выпрямитель 11, первый сум- мирующий усилитель 12 и второй коммутатор 13, первый 14, второй 15 и третий 16 аналоговые запоминающие блоки, последовательно соединенные вычислитель 17 жесткости и отсчетный блок 18, блок 19 управления. Первый вход фазового детектора 4 подключен

а затем - считывания, коммутаторы 2,7,13 - в положение, противоположное исходному. В результате при наличии фазовых погрешностей элементов устройства аналоговый запоминающий блок 16 запоминает напряжение, пропорциональное этой погрешности с выхода интегратора 6. На третьем этапе измерения в процессе-настройки на собственную частоту колебаний учитываются фазовые погрешности устройства, пропорциональный им сигнал поступает на второй вход суммирующего усилителя 5. По собственной частоте колебаний измерительной системы вычислитель 17 вычисляет жесткость, которая индуцируется бло-, ком 18. 1 ил.

к предварительному усилителю 3, втб- рой вход - к второму входу управляемого генератора 8, выход фазового детектора 4 подключен на первый вход второго суммирующего усилителя 5, выход интегратора. 6 подключен на первый вход третьего коммутатора 7 и на информационные входы второго 15 и третьего 16 аналоговых запоминаю щих блоков, выход второго аналогового запоминающего блока 16 подключен к второму входу второго суммирующего усилителя 5 . Первый выход управляемого генератора 8 подключен к первому входу усилителя 9 с регулируемым коэффициентом усиления и к первому входу вычислителя 17 жесткости. Выпрямитель 11 подключен к выходу предварительного усилителя 3, его выход подключен к первому входу суммирующего усилителя 12, а выход первого суюадрующего усилителя 12 подключен к первому входу второго коммутатора 13 и к входу первого аналогового запоминающего блока 14, выход первого аналогового запоминающего блока 14 подключен к второму входу второго коммутатора 13. Выход второго коммутатора 13 подключен к второму входу усилителя 9 с регулируемым коэффициентом усиления. Датчик 1 вибро- скорости подключен к первому входу

3

первого коммутатора 2, выход по току возбудителя 10 колебаний подключен к второму входу первого коммутатора 2. Датчик 1 виброскорости и возбудитель 10 колебаний образуют измерительную систему, которая зак- рехшена на контролируемом упругом элементе 20. Блок 9 управления подключен к вторым входам первого суммирующего усилителя 12, вычислителя 17 жесткости и интегратора 6, управляющие входы первого 2, второго 13 и третьего 7 коммутатора, а также к первому, второму и третьему управляющим входам первого 14, второго 15 и третьего 16 запоминающих блоков соответственно.

В процессе работы устройства коммутаторы 2,7 и 13 могут находится в одном из двух возможных состояний. При отсутствии напряжения на управляющих входах первый информационный вход коммутатора соединен с его выходом, при наличии напряжения второй информационный вход коммутатора соединен с его выходом.

Аналоговые запоминающие блоки 14 16 могут работать в режимах сброса накопленной информации, выборки, хранения , считывания и выборки-считывания. Выбор соответствзпощего режима производится подачей сигнала управления на один из трех управляющих входов . Первый вход служит для. перевода аналогового запоминающего устройства в режиме сброса, второй - в режим выборки или хранения, тр етий - в режим считывания. Если сигнал управления одновременно поступает на второй и третий входы, то аналоговое запоминающее устройство работает в режиме выборки-считывания.

Управление интегратором 6 производится подачей сигнала на его вто- ..рой вход. При этом происходит сброс накопленной информации.

Сигнал от блока 19 управления на втором входе управляемого генератора 8 задает начальное значение частоты колебаний, сигнал на в тором входе суммирующего усилителя 12 устанавливает заданное значение амплитуды колебаний, сигнал на втором входе вычислителя 17 жесткости -вводи момент инерции в вычислитель. Управляемый генератор 8 имеет два квадратурных выхода.

Устройство работает следующим образом.

44530

В исходном состоянии коммутаторы 2,7 и 13 находятся в исходном положении. Сигнал с блока 19 управления на втором входе управляемого генера- 5 тора 8 соответствует заданному значению начальной частоты колебаний, сигнал на втором входе суммирующего усилителя 12 - заданному значению амплитуды колебаний, сигнал на вто- 10 ром входе вычислителя 17 жесткости - моменту инерции измерительной систет мы , интегратор 6 и аналоговые запоминающие блоки 14 - 16 обнулены.

Весь цикл измерения. разбит на три )5 этапа. На первом этапе производится определение собственной частоты колебаний с ошибкой, определяемой фазовыми погрешностями элементов измерителя, на втором этапе - 2Q оп ределение и запоминание напряжения, пропорционального ошибке измерения собственной частоты,на третьем этапе - измерение собственной частоты с одновременной компенсацией фазорых 25 погрешностей.

Первый этап работы происходит следующим образом.

Управляемый генератор 8 формирует колебания с частотой, пропорциональной напряжению на его втором входе. Синусоидальное напр.яжение на первом выходе генератЪра 8 усиливается в усилителе 9 и поступает на обмотку возбудителя 10 колебаний. Воз.б.уди- тель 10 колебаний преобразует вход- 35 ное напряжение в момент, пропорциональный току, протекающему по обмотке возбудителя колебаний. Под действием приложенного момента измерительная система вместе с контролиру- . емым упругим элементом 20 совершает колебания с частотой, равной частоте сигнала генератора 8. Колебания измеряются датчиком 1 виброскорости. Сигнал с датчика 1 виброскорости, пройдя через коммутатор 2 и усили-; тель 3, поступает на первый вход фазового детектора 4. На второй вход фазового детектора . 4 поступает опорный сигнал прямоугольной формы с второго выхода генератора 8. Фазовый детектор 4 вырабатывает сигнал в зависимости от сдвига фаз сигналов на его входах, причем если сдвиг фаз между опорным сигналом и напряжением 5 на первом входе меньше 90°, на выхо- де фазового детектора возникает постоянная составляющая напряжения положительного знака, при сдвиге фаз.

30

равным 90°, постоянная составляющая напряжения равна нулю, если сдвиг фаз больше 90, возникает напряжение с постоянной составляющей отрица- тельного знака. Таким образом, фазовый детектор является индикаторбм 90 сдвига между напряжениями на его первом и втором входах, В свою очередь, фазовый сдвиг, равный 90, соответствует колебаниям измерительной .системы с частотой, равной ее собственной частоте колебаний f.

Если, например, колебания измерительной системы происходят с час- тотой, меньшей f, то в этом случае постоянная составляющая на входе детектора 4 вызывает увеличение выходного напряжения интегратора 6, а следовательно, и увеличение частоты ге- нератора 8. В какой-то момент времени частота генератора 8 сравнивается с собственной частотой колебаний измерительной системы и постоянная составляющая на выходе фазового де- тектора 4 становится равной нулю, и увеличение напряжения на выходе интегратора 6. прекращается. В этом состоянии в системе стабилизируются колебания с частотой, равной собственной частоте колебаний.

В процессе приближения к резонансу амплитуда колебаний возрастает. Чтобы стабилизировать амплитуду колебаний измерительной систеМ) на заданном уровне, используется усилитель 9 с регулируемым коэффициентом усиления и цепочка, состоящая из выпрямителя 11, суммирующего усилителя 12 и коммутатора 13. Напряжение соответствующее амплитуде колебаний измеряется на выходе предварительног усилителя 3, выпрямляется и поступает на вход суммирующего усилителя 12 Если амплитуда колебаний не равна заданной, то на выходе усилителя 12 появляется сигнал рассогласования соответствующего знака, что приводит к изменению коэффициента передачи усилителя 9. Этот процесс продолжается до тех пор, пока амплитуда колеба НИИ измерительной системы не будет равна заданной.

В рассмотренном режиме измерение собственной частоты колебаний произвдится с некоторой ощибкой. Погрещ- ность измерения возникает из-за фазовых сдвигов, вносимых в систему управляемым генератором 8, усилителем

j JQ

j 20. 25 Q

5

5

0

9 с регулируемым коэффициентом уси- лейия, возбудителем 10 колебаний, предварительным усилителем 3 и фазовым детектором 4.

Второй этап измерения происходит следующим образом.

По сигналу с блока 19 управления, поступающего на вторые управляющие входы аналоговых запоминающих блоков 14 и 15, блоки 14 и 15 переводятся в режим выборки. Запоминающие блоки выбирают напряжение, соответствующее амплитуде и частоте колебаний измерительной системы. После этого коммутаторы 7 и. 13 переводятся в положение, противоположное исходному, а аналоговые запоминающие блоки 14 и 15 по сигналу с блока 19 управления на их т зетьем входе переводятся в режим считывания. В результате в системе сохраняется прежний режим колебаний. Затем на второй вход интегратора 6 кратковременно подается сигнал обнулейия. После обнуления интегратора 6 коммутатор 2 переводится в положение, противоположное исходному, на-первый и третий управляющие входы блока ,16 подаются сигналы управления и аналоговый запоминаюпщй блок 16 переводится в- режим выборки-считывания сигнала с интегратора 6. Переключение ком- мутатора 2 дает возможность подключить к фазовому детектору 4 те эле-- менты, которые являются источником фазовых погрешностей измерителя. При OTcyTCTBim фазовых погрешностей сдвиг фаз сигналов на первом и ВТОРОМ вхо-, дах фазового детектора 4 равен 90 и постоянная составляющая сигнала на эыходе фазового детектора 4 равна нулю. При наличии фазовьсс погрешностей появляется постоянная составляющая напряжения. Это напряжение через суммирующий усилитель 5 поступает на интегратор 6, и сигнал на выходе интегратора 6 начинает возрастать. Поскольку аналоговый запоминающий блок 16 работает в режиме выборки- считывания, то сигнал с интегратора 6, пройдя блок 16, поступает на второй вход суммирующего усилителя 5. В результате напряжения на выходе суммирующего усилителя 5.начинае 1 уменьшаться, и когда сигнал с аналогового запоминающего блока 16.на втором суммирующем усилителе 5, скомпенсирует сигнал с фазового де7

тектора на его первом входе, увеличение напряжения на выходе интегратора 6 прекращается. По сигналу с блока 19 управления аналоговый запоминающий блок 16 переводится в режим считывания, для чего с его второго входа снимается управляющее напряжение. При этом аналоговый запоминающий блок 16 запоминает и формирует на втором входе суммирующ го усилителя 5 напряжение, пропорциональное фазовой погрешности устройства. По сигналу с блока 19 управления интегратор 6 обнуляется. Третий этап происходит следующим образом.

На третьем этапе производится измерение собственной частоты колебаний измерительной системы .с контролируемым упругим элементом, компенсация фазовой погрешности устройства, расчет и индикация жесткости упругого элемента. Для этого коммутаторы 2,7 и 13 переводятся в исходное положение и повторяется рассмотренный процесс поиска собственной частоты колебаний. Поскольку в процессе настройки на собственную частоту на втором входе суммирующего усилителя 5 имеется напряжение , запомненное блоком 16 и рав ное фазовой погрешности, в системе .устанавливается режим колебаний, при котором фазовый сдвиг между сигналами равен

Ч 90

- Ч

0

(1)

где Чр - фазовая погрешность измерительных цепей.

Таким образом, в процессе поиска собственной частоты колебаний сдвига происходит компенсация погрешностей, возникающая вследствие фазовых сдвигов в управляемом генераторе 8, усилителе 9 с регулируемым коэффициентом усиления, возбудителе 10 колебаний, предварительном усилителе 3 и фазовом детекторе 4.

С выхода управляемого генератора снимается сигнал собственной частоты колебаний и поступает в вычислитель 17 жесткости.

Вычислитель 17 жесткости реализует следующий алгоритм вычислений

К If,

2)

445308

где К - жесткость упругого элемента; О - момент инерции измерительной системы.

Величина вычисленной жесткости 5 индицирует с помощью отсчетного блока 18.

После окончания процесса измерений по сигналу с блока 19 управле- JQ ния производится обнуление аналоговых запоминающих блоков 14 - 16 и интегратора 6. Измеритель готов к новому циклу измерения жесткости.

15

Формулаизобретения

5

Устройство для измерения жесткости упругих элементов, содержащее датчик виброскорости, последоватепь- 0 но соединенные предварительный усилитель и фаз.овый детектор, интегратор, управляемый генератор, второй вход которого подключен к второму входу фазового детектора , усилитель с ре5 гулируемым коэффициентом усиления, первый вход которого соединен с первым выходом управляемого генератора, возбудитель колебаний, подключенный к выходу усилителя с регулируемым

д коэффициентом усиления, выпрямитель, подключенный к выходу предварительного усилителя, сумматор, подключен- ньй к выходу выпряю1теля, вычислитель жесткости, первым входом соединенный с первым выходом управляемого генератора, отсчетный блок, соединенный с выходом вычислителя жесткости, блок управления, выходы которого соединены соответственно с вторыми входами суммирукицего усилителя, вычислителя жесткости, управляемого генератора, интегратора, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности измерений за счет компенсации фазовых погрешностей измерения, устройство снабжено первым, вторым и третьим коммутаторами на два информационных входа, первым, вторым и третьим аналоговыми запоминающими блоками, вто0 рым суммирующим усилителем, первый вход первого коммутатора подключен к датчику виброскорости, его второй вход подключен к выходу возбудителя колебаний, выход первого коммутатора

5 подключен к предварительному усилителю, выход первого суммирующего усилителя подключен к первому входу второго коммутатора и входу первого

0

5

аналогового запоминающего блока, выход первого аналогового запоминающего блока подключен к второму входу второго коммутатора, выход второго коммутатора подключен к второму входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход фазового детектора подключен к первому входу второго суммирукмцего у сипи теля, выход второго суммирующего усилителя подключен к входу HHTerpatopa, шл-. ход тштегратора подключен к входам второго и третьего аналоговых запоминающих блоков и первому входу треть124Д53010

его коммутатора, выход второго аналогового запоминающего блока подключен к второму входу третьего коммутатора, вьпсод третьего аналогового J запоминающего блока подключен к второму входу- второго суммирующего . усилителя, выходы блока управления подключены соответственно к управляющим входам первого, второго fO и третьего коммутаторов и к первому, второму и третьему уп. равляющим входам первого, второго и третьего аналоговых запоминающих блоков.

Редактор Е.Копча

Составитель Ю.Петраковский

Техред и.Попович Корректор М.Пожо

Заказ 3907/45 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

-Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство для измерения жесткости упругих элементов позволяет повысить точность измерения за счет компенсации фазовых погрешностей элементов устройства, влияюпшх на результат измерения. Возбудитель 10 колебаний, возбужда- екых сигналами управляемого генератора 8 через усилитель 9 с регулируемым коэффициентом усилия, вызывает колебания контролируемого упругого элемента 20. С датчика I виброскорости сигнал, через коммутатор 2, усилиг (Л