Устройство для определения динамических характеристик материалов Советский патент 1987 года по МПК G01M7/00 

тор 7 ударных спектров. В исходном состоянии цифровые фильтры анализатора 7 представляют собой резонансные фильтры без затухания. С выхода анализатора 7 через ключ 8 сигналы запоминаются в первом запоминающем блоке 9. Одновременно в момент соударения ударного механизма 1 с объектом 2 сигнал со второго датчика 17

ускорения через соответствукяций измерительный тракт запоминается во втором запоминающем блоке 21. По сиг.|налу управления с триггера 10 в блоке 12 компараторов происходит сравнение исходного ударного спектра с датчика 17 ускорения и спектра отклика

1

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при исследовании физико-механических свойств различных материалов по измеренным параметрам их свободно затухающих колебаний.

Целью изобретения является повышение, точности измерений за счет использования в анализаторе ударных спектров цифровых фильтров с перестраиваемыми коэффициентами демпфирования.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 - блок-схема цифрового фильтра.

Устройство для определения динамических характеристик материалов содержит (фиг. 1) механизм 1 для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту 2, устанавливаемый на объекте 2 первьй датчик 3 ускорения, последовательно соединенные согласующий усилитель 4, фильтр 5 нижних частот, аналого-цифровой преобразователь 6. Подключенный к выходу аналого-цифрового преобразователя 6 анализатор 7 ударных спектров, первый ключ 8, первый запоминающий блок 9, первый триггер 10 блок 11 вычитания, блок 12 компараторов, элемент 13 И, блок 14 одновибраторов, блок 15 счетчиков, второй триггер 16, второй датчик 17 ускорения, устанавливаемый на исследуемом

с датчика 3 ускорения. Величины невязки через блок 14 одновибраторов управляют счетчиками блока 15 счетчиков, выходные сигналы которого приводят к перестройке передаточных функций цифровых фильтров анализатора 7. При равенстве исходного ударного спектра и спектра отклика процесс перестройки фильтров заканчивается.При этом величины коэффициентов затухания соответствующих фильтров передаются с блока 13 счетчиков через блок 25 ключей на блок 26 отображения Тактирование измерительного процесса осуществляется с помощью генератора 22 тактовой частоты.1з.п.ф-лы,2ил

объекте 2 вблизи точки соударения механизма 1 для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту 2 с поверхностью объекта 2,

второй согласующий усилитель 18, второй фильтр 19 нижних частот, второй аналого-цифровой преобразователь 20, второй 3 апоминающий блок 21, генератор 22 тактовой частоты, второй

ключ 23, одновибратор 24, блок 25 ключей, блок 26 отображения информации и блок 27 установок.

Анализатор 7 ударных спектров содержит совокупность блоков 28 цифровых фильтров (не показаны). Блок 26 отобрс1жения информации подключен через блок 25 ключей с одной из групп выходов блока 15 счетчиков, вторая группа выходов которого подключена к соответствующим входам анализатора 7 ударных спектров, являющихся управляющими входами блоков 28 цифровых фильтров (не показаны). Второй дате чик I7 ускорения через последовательно соединенные второй согласующий усилитель 18, второй фильтр 19 низкой частоты, второй аналого-цифровой преобразователь 20 и второй запоминающий блок 21 подключен к первому входу анализатора 7 ударных спектров. В свою очередь, блок 28 цифрового фильтра (фиг. 2) содержит первый сумматор 29, второй сумматор 30, первую линию 31 задержки, вторую

0

линию 32 задержки, первый блок 33 умножения, второй блок 34 умножения третий блок 35 умножения, четвертый блок 36 умножения, пятьм блок 37 умножения, шестой блок 38 умножения, седьмой блок 39 умножения, восьмой блок 40 умножения, первый блок 41 п тенциирования, второй блок 42 потен циирования, первьй инвертор 43, вто |рой инвертор 44, блок 45 функционал ного преобразования cos.

Первым входом блока 28 цифрового фильтра является первый вход первог сумматора 29, вторым входом блока 2 цифрового фильтра являются объединенные вторые входы четвертого блока 36 умножения и шестого блока 38 умножения, третьим входом блока 28 яв ляется первый вход четвертого блока 36 умножения, четвертым входом блока 28 является первьй вход шестого блока 38 умножения. Вторые входы седьмого 39 и восьмого 40 блоков умножения подключаются к величине уставки, численно равной значению 2

Принцип действия устройства основан на сравнении ударных спектров отклика объекта и входного импульса удара и определения коэффициентов демпфирования полосовых цифровых фильтров анализатора ударных спектров, которые обеспечивают настройку одного ударного спектра на другой и таким образом, являются мерой затухания материала объекта испытаний.

Движение объекта, возбужденного ударом, представляет собой отклик резонансной механической колебательной системы на импульсное воздействие, который описьшается импульсной переходной характеристикой, характеризуемой в частности коэффициентом затухания колебаний, который является мерой динамических характеристик исследуемого материала.

Устройство работает следующим образом (фиг. П.

Механизм 1 для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту 2 импульсом удара возбуждает в объекте 2 контроля свободные колебания, которые воспринимаются первым датчиком 3, установленным на объекте 2 контроля, и передаются на вход согласующего усилителя 4.

Усиленный и согласованный по мощности сигнал с выхода согласующего усилителе 4 поступает на вход фильт

15

20

25

5

40

45

83570

ра 5/нижних частот, где производится ограничение верхней граничной частоты сигнала так, чтобы она не пре- восходшта ширины полосы частот ана- i лиза анализатора 7 ударных спектров.

С выхода фильтра 5 нижних частот отфильтрованный сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобра- . зователя 6, с выхода которого дискретные отчеты сигнала поступают на первьй вход анализатора 7 ударных спектров для анализа.

В исходном состоянии устройства цифровые фильтры 28 анализатора 7 спектров настроены сигналом по его управляющему входу таким образом, что их импульсные переходные функции имеют вид консервативного звена, т.е. резонансного фильтра без затухания.

Одновременно с этим первый триггер 10 и второй триггер 16 находятся в своем первом исходном состоянии, при котором с первого выхода первого триггера 10 на второй (управляющий) вход первого ключа 8 поступает сигнал, которым пропускается сигнал с выхода анализатора 7 ударных спектров на первьй вход первого запом11наю- щего блока 9 с первого выхода первого ключа 8, второй ключ 23 при этом закрыт по управляющему входу, второй триггер 16 находится в своем первом исходном состоянии, при котором блок 25 ключей по управляющему входу и не пропускает сигналы с выходов блока 15 счетчиков на вход блока 26 отображения.

Одновременно с этим в момент соударения с объектом 2 механизма 1 для приложения одиночного ударного импульса с выхода второго датчика 17 ускорения, устанавливаемого на объекте 2 вблизи точки соударения механизма I с поверхностью объекта 2, на вход второго согласующего усилителя 18 поступает сигнал, который передается с его выхода на вход второго фильтра 19 нижних частот с точно такой же полосой верхней граничной частоты, что и у фильтра 5 нижних частот.

С выхода второго фильтра 19 нижних частот сигнал поступает на вход второго аналого-цифрового преобра- зователя (АЦП) 20, по своим техническим характеристикам равного первому АЦП 6.

30

35

50

Сигналы с выхода второго АЦП 20 поступают на первый вход второго запоминающего блока 21, где запоминаются.

В первом запоминающем блоке 9 последовательно запоминаются сигналы с выхода анализатора 7 ударных спектров, прошедшие через открытый первый ключ 8 на первый вход первого запоминающего блока 9.

После заполнения последней ячейки первого запоминающего блока 9 с его первого выхода на первый вход первого триггера 10 поступает сигнал которым он переводится в свое другое устойчивое состояние, при котором с его выхода на управляющий вход первого ключа 8 поступает сигнал запрета, и первьй ключ 8 начинает пропускать сигналы с выхода анализатора 7 ударных спектров на второй вход блока 11 вычитания, на первьй вход которого подается сигнал с второго выхода первого запоминакицего блока 9.

Одновременно с этим второй ключ 23 открывается по управляющему входу и начинает пропускать сигналы с выхода генератора 22 тактовой частоты на второй вход второго запоминающего блока 21 для считывания.

Сигналы с выхода генератора 22 тактовой частоты поступают в течение всего цикла работы устройства на второй вход анализатора 7 ударных спектров в качестве тактовых сигна- лов.

С выхода второго запоминающего . блока 21 сигналы поступают на первьй вход анализатора 7 ударных спектров для анализа, а также на первый вход второго запоминающего блока для перезаписи. Вначале в анализаторе 7 ударных спектров вычисляется ударный спектр импульса возбудителя колебаний на входе объекта контроля 2, ко- торьй отличается от ударного спектра выходного сигнала, измеренного датчиком 3.

На первом цикле анализа данные, записанные во втором запоминающем блоке 21, анализируются анализатором 7 ударных спектров на фильтрах с импульсной характеристикой консер- вативного звена, т.е. без затухания, поскольку сигналы управления на управляющих входах анализатора 7 ударных спектров пока отсутствуют.

5

0

После сравнения ударных спектров в блоке 1 вычитания на выходах блока 11 присутствуют сигналы, представляющие собой разность амплитуд сигналов на фильтрах одноименной частоты, которые поступают на соответст- вукяцие входы блока I 2 компараторов,

В блоке 12 компараторов происходит поразрядное по полосам частот сравнение указанных сигналов с нулем, и сигнал невязки сравнения подается одновременно на входы элемента 13 И и на входы блока 14 одновибраторов.

Поскольку на первом цикле анализа исключается возможность равенства ударных спектров сигналов входа и выхода объекта 2 контроля, то на части одновибраторов блока 14 одновибра- торов присутствуют сигналы, поступающие на соответствующие счетчики блока 15 счетчиков, которые в исходном состоянии обнулены.

По сигналам, поступившим с выходов блока 14 одновибраторов, на этих счетчиках блока 15 счетчиков состояние изменяется на единицу в младшем разряде соответствующего счетчика. Эти значения чисел, записанные в счетчиках блока 15 счетчиков в качестве сигналов управления, поступают на управляющие входы анализатора 7 ударных спектров и изменяют импульсную характеристику цифровых . фильтров соответствукнцих разрядов 5 на единицу затухания фильтра, т.е. вносят в каждый из этих фильтров член, вызывающий такие потери, что соответствующий цифровой фильтр анализатора 7 ударных спектров переходит из консервативного звена в колебательное второго порядка.

5

O

0

Реакция этого фильтра на входной сигнал, поступающий на первьй вход анализатора 7 ударных спектров с выхода второго запоминающего блока 21, снова сравнивается в блоке 1I вычитания и при отличии от нуля, определенном в блоке 12 компараторов, снова изменяет на единицу состояние соответствующих счетчиков в блоке 15 счетчиков.

Спустя необходимое число циклов ударный спектр входного сигнала настраивается на ударный спектр выходного сигнала, а на счетчиках блока 15 счетчиков записьтаются величины коэффициентов затухания каждого

из фильтров анализатора 7 ударных спектров.

Одновременно с этим на выходах блока 1.2 компараторов все сигналы становятся равными нулю, вследствие чего на выходе .элемента 13 И поянпя- ется сигнал, который поступает на первьй вход второго триггера 16 и изменяет его состояние.

С выхода второго триггера 16 на вход одновибратора 24 и на управляющий вход блока 25 ключей приходит сигнал, которым блок 25 ключей открьшается, а на выходе одновибратора 24 появляется импульс, которьи записанные данные в блоке 15 счетчиков считываются на блок 26 отображения через открытьй по управляющему входу блок 25 ключей, а счетчики блока 15 счетчиков обнуляются.

Одновременно с этим очищаются первый запоминающий блок 9 по второму его входу, второй запоминающий блок 21

по третьему его входу, а первьй триг

гер 10 и второй триггер 16 переходят в свои первые устойчивые состояния по сигналу, поступившему на их вторые входы.

Ключи 8, 23 и блок 25 ключей переходят в свое исходное состояние. Устройство готово к работе, а на блоке 26 отображения выводятся значения величин декрементов колебаний в функции собственных частот резонаторов, составляющих всю ширину полосы аиа- лиэа исследуемого акустического тракта объекта 2 контроля анализатором 7 ударных спектров.

Блоки 28 цифровых фильтров анализатора 7 ударных спектров работают следующим образом (фиг. 2).

На первьй вход блока 28 цифрового фильтра с выхода АЦП 6 или второго запоминающего блока 21 в зависимости от состояния режима работы устрой ства поступают текущие отсчеты сигналов.

На второй вход блока 28 цифрового фильтра поступают тактовые сигналы с выхода генератора 22 тактовой частоты.

На четрертьй вход блока 28 цифрового фильтра поступает сигнал уставки,- численно равный желаемой резонансной частоте с выхода блока 27 уставок.

На третий (управляющей) вход блока 28 цифрового фильтра с выходов

.5 О35708

разрядов счетчиков блока 15 счетчиков поступают сигналы, численно равные значению величины коэффициента S затухания, которые в исходном состоянии работы устройства равны нулю. Таким образом, на первом цикле работы блока 28 цифрового фильтра на вторых входах, соответственно, первого блока 33 умножения находится сигнал, равный Ь, -2cos(Qobt), второго блока 34 умножения - сигнал а. cos(a)ut), а третьего блока 35

Ь, -1.

15 20

(

умножения - сигнал uj

Работа цифрового фильтра блока 28 протекает в режиме консервативного звена, т.е. звена без затухания, на выходе которого присутствует сигнал g(t) Acos(cOgut), где А - коэффициент, характеризующий усипение, вы- текакнций из соотношения

H(z) - .

2 l+2cos()

0

5

0

0

5

+а,z

5

г-2

А

2 - где it- частота дискретизации генератора 22 тактовой частоты.

При появлении на управляющем входе блока 28 цифрового фильтра сигнала, кратного единице младшего разряда счетчика блока 15 счетчиков, вид передаточной функции цифрового фильтра (импульсной характеристики) изменяется на величину

1

- -

I: (J)

(),

W(j(o)

-7 (jco)

IWo

где 8 1 0 - коэффициент затухания колебательного звена второго порядка, т.е. соответствует реакции резонансной колебательной системы на импульсное воздействие в виде импульсной переходной функции

g(t) где А - размерный множитель.

Возрастание коэффициента 8 на каждом цикле работы устройства приводит к равенству подстраиваемого ударного спектра входного сигнала ударному спектру отклика, записанному в первом запоминающем блоке 9.

На счетчиках блока 15 счетчиков (фиг. 1) записываются значения коэффициентов 8 на каждой из частот COgj анализа.

Это осуществляется следующим образом.

При появлении сигнала на третьем (управляющем) входе блока 28 цифрового фильтра, являющимся первым входом четвертого блока 36 умножения, в нем происходит :перемножение сигнала управления с сигналом тактового генератора &t, поступивпшм на его второй 5 вход, произведение которых поступает на вход первого блока 4I потенци- ирования и на первый вход седьмого блока 39 умножения, на второй вход которого подаетйя const 2. О

Сигнал с выхода блока 41 потенци- ирования подается на первый вход пятого блока 37 умножения, на второй вход которого подается сигнал с выхода блока 45 функционального преоб- разования cos, на вход которого подается произведение уставки сОд на ut, соответственно, поданные на первый и второй входы шестого блока 3 умножения .

Таким образом, на первьй вход восьмого блока 40 умножения и на второй вход второго блока 34 умножения подается сигнал, численно равньй коэффициенту

S J

а, е -cosCcOobt) . На второй вход восьмого блока 40 умножения подается сигнал const 2.

Таким образом, на втором входе JQ первого блока 33 умножения оказьшает- ся сигнал, численно равный коэффициенту

л 1

Ь, -2е cosCcOput),

20

25

цифрового отсчета, задержанного на один такт.

На первом и втором входах второ сумматора 30 присутствуют, соответ ственно, значения текущих цифровых отсчетов, задержанных на два такт и произведение коэффициента а на кущий отсчет, задержанньй на такт

Таким образом, на вькоде блока цифрового фильтра присутствует си нал, выражающий собой значение те щего входного сигнала, отфильтров ного узкополосным фильтром с коэфф циентом затухания 8 .

Формула изобретени

1 . Устройство для определения д намических характеристик материал содержащее механизм для приложени одиночного ударного импульса к ис дуемому объекту, устанавливаемый объекте датчик ускорения, подключ ный через цепь из последовательно единенных согласующего усилителя, фильтра нижних частот, аналого-ци рового преобразователя к анализат ударных спектров, генератор такто частоты, блок отображения информа ции, отличающееся тем что, с целью повышения точности и рений, оно снабжено цепью из посл довательно соединенных первого кл ча, первого запоминающего блока,

полученный с выхода восьмого блока 40 35 .°... умножения через включенный с ним последовательно второй инвертор 44.

На втором входе третьего блока 35 умножения присутствует сигнал, выражающий коэффициент Ь, -е, по-piSit

2 лученный с выхода седьмого блока 39

умножения через последовательно с ним включенные блоки 42 потенцииро- вания и первый инвертор 43.

После появления на первом входе первого сумматора 29 (являющегося первым входом блока 28 цифрового -. фильтра) сигнала в виде текущего отсчета спустя два такта задержки (на первой 31 и второй 32 линиях задержки) на втором и третьем его входах появляются сигналы, один из которых, соответственно, представляет собой произведение коэффициента Ь -е° и значения текущего цифрового отсчета, задержанного на два такта, а второй - произведение коэффициента Ь i -2е сов(«о fit) и значения текущего

40

блока одновибраторов, блока счетч ков, вторым датчиком ускорения, у танавливаемьм на исследуемом объе те вблизи точки соударения исслед емого объекта с механизмом для пр ложения ударного импульса, подклю ной к второму датчику ускорения ц пью из последовательно соединенны второго согласующего усилителя, в рого фильтра нижних частот, второ аналого-цифрового преобразователя второго запоминающего блока, втор ключом, одновибратором, двумя три герными элементом И, блоком ключе блоком уставок, выход анализатора ударных спектров подключен к перв му входу первого ключа, второй вх которого соединен с выходом перво триггера и вторым входом второго ключа, п&рвъА вход которого соеди с генератором тактовой частоты и рым входом анализатора ударных сп тров, выход - с вторым входом вто го запоминающего блока, выход вто

50

55

цифрового отсчета, задержанного на один такт.

На первом и втором входах второго сумматора 30 присутствуют, соответственно, значения текущих цифровых отсчетов, задержанных на два такта, и произведение коэффициента а на текущий отсчет, задержанньй на такт.

Таким образом, на вькоде блока 28 цифрового фильтра присутствует сигнал, выражающий собой значение текущего входного сигнала, отфильтрованного узкополосным фильтром с коэффициентом затухания 8 .

Формула изобретения

1 . Устройство для определения динамических характеристик материалов, содержащее механизм для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту, устанавливаемый на объекте датчик ускорения, подключенный через цепь из последовательно соединенных согласующего усилителя, фильтра нижних частот, аналого-цифрового преобразователя к анализатору ударных спектров, генератор тактовой частоты, блок отображения информации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено цепью из последовательно соединенных первого ключа, первого запоминающего блока, бло.°...

блока одновибраторов, блока счетчиков, вторым датчиком ускорения, ус- танавливаемьм на исследуемом объекте вблизи точки соударения исследуемого объекта с механизмом для приожения ударного импульса, подключенной к второму датчику ускорения цепью из последовательно соединенных второго согласующего усилителя, вто- рого фильтра нижних частот, второго аналого-цифрового преобразователя, второго запоминающего блока, вторым ключом, одновибратором, двумя триг- герными элементом И, блоком ключей, блоком уставок, выход анализатора ударных спектров подключен к первому входу первого ключа, второй вход которого соединен с выходом первого триггера и вторым входом второго ключа, п&рвъА вход которого соединен с генератором тактовой частоты и вторым входом анализатора ударных спектров, выход - с вторым входом второго запоминающего блока, выход второ

1283570

го запоминающего блока подключен к первому входу анализатора ударных спектров и своему первому входу, первый вход первого триггера подключен к второму выходу первого запоминающего блока, второй - к вькоду одно- вибратора, третьему входу второго запоминающего блока, вторым входам первого запоминающего блока, блока счетчиков и второго триггера, элемент И каждым из группы своих входов подключен к соответствующему вькоду блока компараторов, выходом - к первому входу второго триггера, выход которого соединен с входом одновиб- ратора-и вторым входом блока ключей, второй выход первого ключа подключен к второму входу блока вычитания,блок счетчиков каждым своим выходом из

W

15

12

первому входу второго сумматора че рез соединенные последовательно пе вую и вторую линии задержки, выход первой линии задержки соединен с п выми входами первого и второго бло ков умножения, выходы которых подключены соответственно к третьему входу первого сумматора и к втором входу второго сумматора, выход вто рой линии задержки соединен с перв входом третьего блока умножения, в ход которого соединен с первым вхо дом первого сумматора, выход четве того блока умножения подключен к в рому --входу третьего блока умножени через включенные последовательно седьмой блок умножения, второй бло потенциирования и первый инвертор, выход пятого блока умножения соеди

первой группы выходов подключен к со-20 нен с вторым входом первого блока

ответствукяцему входу из группы входов анализатора ударных спектров, каждым выходом из второй группы своих выходов через блок ключей подключен к блоку отображения информации, а блок уставок каждым выходом из группы своих выходов подключен к соответствующему входу анализатора ударных спектров.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что анализатор ударных спектров представляет собой совокупность блоков цифровых фильтров, каждьй из которых содержит перкой и второй сумматоры, первую и вто рую линии задержки, первый и второй инверторы, первый и второй блоки потенциирования, блок функционального преобразования COS и первый, второй, третий, четвертьй, пятый, шестой, седьмой и восьмой блоки умножения, выход первого сумматора подключен к

12

первому входу второго сумматора через соединенные последовательно первую и вторую линии задержки, выход первой линии задержки соединен с первыми входами первого и второго блоков умножения, выходы которых подключены соответственно к третьему входу первого сумматора и к второму входу второго сумматора, выход второй линии задержки соединен с первым входом третьего блока умножения, вы- ход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход четвертого блока умножения подключен к второму --входу третьего блока умножения через включенные последовательно седьмой блок умножения, второй блок потенциирования и первый инвертор, выход пятого блока умножения соеди5

0

5

умножения через включенные последовательно восьмой блок умножения и второй инвертор, выход четвертого блока умножения соединен с первым входом пятого блока умножения через первый блок потенциирования, выход шестого блока умножения соединен с вторьм входом пятого блока умножения через блок функционального преобразования cos вторые входы седьмого и восьмого блоков умножения подключаются к величине уставки, численно равной значению 2, первым входом блока цифрового фильтра является первый вход первого сумматора, вторым входом - объединенные вторые входы четвертого и шестого блоков умножения, первые входы которых соответственно являются третьим и четвертым входами блока цифрового фильтра, выходом которого является выход второго сумматора.

б)(од1. Wm бл. 6uZi

&(одЗ I От §/i.1t

5)iod

t-И

(0т длона

27)

&мд2

ISm $/1она 22}

Фиг. 2

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при исследовании физико-механических свойств различных материалов по измеренным параметрам их свободно затухающих колебаний. Целью изобретения является повышение точности измерений за-счет использования в анализаторе ударных спектров цифровых фильтров с перестраиваемыми коэффициентами демпфирования. При воздействии ударного механизма I на исследуемый объект 2 сигнал с датчика 3 ускорения поступает через последовательно соединенные усилитель 4, фильтр 5 нижних частот и аналого-гщф- ровой преобразователь 6 в анализа-эо 00 СП vl

Составитель Ю. Петраковский Редактор Л. Повхан Техред Л.Сердюкова P °Lll ------t-Заказ 7428/38 Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

ио делам изобретений и открытий П3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно

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