Устройство для измерения характеристик внутреннего трения Советский патент 1990 года по МПК G01N3/38 

20

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в машиностроении и приборостроении для исследования амплитудно-частотной зависимости внутренне- 25 го трения материалов.

Целью изобретения является повышение точности и информативности соответственно за счет компенсации погрешностей от нестабильности элемен- 0 тов измерительной системы, компенса- ции уровня сигнала и крутизны фазовой характеристики л за счет непрерывного получения амплитудно-частотных зависимостей внутреннего трения ,- при меняющихся условиях испытаний.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство содержит основание 1 для закрепления испытываемого образ- Q ца (не показан), последовательно соединенные датчик 2 виброскорости, предварительный усилитель 3, фазовый детектор 4, фильтр 5 нижних частот (ФНЧ), параллельно соединенные дд первый 6 и второй 7 компараторы, входы которых соединены с выходом ФНЧ 5, последовательно соединенные интегратор 8, входом соединенный с выходами компараторов 6 и 7, ключ 9 JQ на два положения, управляемый генератор 10, первый регулируемый усилитель 11, первый сумматор 12 и возбудитель 13 колебаний, управляемый фазовращатель 14,вход которого соединен с вторым выходом управляемого генератора 10,, а выход - с опорным входом фазового детектора 4, последовательно соединенные дифференцирующий

усилитель 15, входом соединенный с выходом предварительного усилителя 3 и второй регулируемый усилитель 16, выходом соединенный с вторым входом первого сумматора 12, аналоговый запоминающий блок 17, вход которого соединен с вторым выходом ключа 9, а выход - с первым управляющим входом второго регулируемого усилителя 16, последовательно соединенные митель 18, входом соединенный с выходом предварительного усилителя 3, и второй сумматор 19, выходом соединенный с управляющим входом первого регулируемого усилителя 11, первый управляемый делитель 20, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора 19, источник 21 опорно- го напряжения, выход которого соединен с информационным входом первого делителя 20, второй 22 и третий 23 управляемые делители, информационные входы которых соединены с выходом источника 21, а выходы соединены соответственно с вторым управляющим входом второго регулируемого усилителя 16 и с вторым входом управляемого генератора 10, и блок 24 управления, выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого 20, второго 22 и третьего 23 делителей, запоминающего блока 17, интегратора 8, фазовращателя 14 и ключа 9, а вход соединен с выходами компараторов 6 и 7.

Управляемый фазовращатель 14 обеспечивает фазовые сдвиги сигнала управляемого генератора 10, последовательно соединенные дифференцирующий

усилитель 15 и второй регулируемый усилитель 16 образуют управляемый дифференциатор, коэффициентом передачи которого управляет запоминающий блок 17, работающий в режимах сброса накопленной информации, выборки, хранения и считывания, начальное значение крутизны дифференциатора устанавливается вторым делителем 22, последовательно соединенные выпрямитель 18 и второй сумматор 19 образуют стабилизатор амплитуды колебаний, управляющий амплитудой колебаний испытуемого образца, заданное значение амплитуды устанавливается первым делителем 20 Последовательно соединенные источник 21 и первый делитель 20 образуют задатчик амплитуды. Заданное значение частоты колебаний устанавливается третьим делителем 23. Контроль состояния контура фазовой ав- топодстройки частоты, образованного последовательно соединенными фазовым детектором 4, ФНЧ 5, парой компараторов 6 и 7, интегратором 8, ключом 9 и управляемым генератором 10, осуществляется блоком 24 управ - ления по сигналам с компараторов 6 - и 7. В исходном состоянии ключ 9 замкнут на вход запоминающего блока 17, интегратор 8 и запоминающий блок 17 обнулены.

I

Устройство работает следующим образом.

По сигналам с блока 24 управления устанавливаются коэффициенты первого 20, второго 22 и третьего 23 делителей, соответствующие заданным значениям амплитуды А(, частоты колебаний CJ и собственной частоты колебаний, и фазовый сдвиг фазовращателя 14, равный нулю. Управляемый генератор 10 формирует на пряжение заданной частоты, которое через первый регулируемый усилитель 11 и первый сумматор 12 поступает на возбудитель 13 колебаний. Образец начинает колебаться с заданной частотой, и с датчика 2 виброскорости снимается сигнал, который усиливается предварительным усилителем 3 и поступает на информационный вход фазового детектора 4, на выпрямитель 18 и на дифференцирующий усилитель 15. Напряжение с дифференцирующего усилителя 15 подается на

второй регулируемый усилитель 16, где преобразуется в соответствии с установленным коэффициентом передачи и поступает на второй вход первого сумматора 12. В результате собственная частота колебаний системы определяется параметрами образца и контура, образованного датчиком 2 виброскорос- 0 ти, предварительным усилителем 3, дифференцирующим усилителем 15, вторым регулируемым усилителем 16, первым сумматором 12 и возбудителем 13 колебаний:

5 с, - 1 , m

04 1 I-K,KZK;K4KSK6 V

где К о - жесткость образца,1

I - момент инерции образца ,

0 к

...,Kfc - коэффициенты передачи соответственно датчика 2 виброскорости, предварительного усилителя 3, дифферен- 5 цирующего усилителя 15, второго регулируемого усилителя 16, первого сумматора 12 и возбудителя 13 колебаний, образующих контур электри- 0 ческой пружины.

Таким образом, в формулу (1) входят коэффициенты передачи лишь тех элементов, которые обеспечивают формирование сигнала для управления собственной частотой колебаний системы, ее собственная частота колебаний зависит от коэффициентов передачи отдельных элементов контура электрической пружины. Если собственная часто- Q та колебаний системы не равна частоте колебаний образца, то фазовый сдвиг сигналов на информационном и опорном входах фазового детектора 4 отличен от нуля, в результате на его с выходе появляется сигнал, постоянная составляющая которого выделяется ФНЧ 5. При положительном фазовом сдвиге знак постоянной составляющей сигнала положительный, что приводит к появле- 0 нию сигнала на первом компараторе 16, в противном случае возникает сигнал на втором компараторе 7.

При срабатывании первого компаратора 6 на входе интегратора 8 появ- ляется постоянный сигнал, и напряжение на его выходе начинает возрастать с постоянной скоростью. Через нормально замкнутый контакт ключа 9 (положение II) и аналоговый запоминающий блок 17 напряжение с интегратора 8 поступает на управляющий вход второго регулируемого усилителя 16, что приводит к изменению коэффициен- та передачи управляемого дифференциатора и к изменению собственной частоты колебаний системы. Процесс продолжается до тех nopSs пока собственная частота колебаний не становится равной заданной. При достижении этого условия фазы сигналов на информационном и опорном входах фазового детектора 4 становятся равными, а постоянная составляющая сигнала на выходе фазового детектора 4 становится равной нулю, В результате напряжение на выходе первого компаратора 6 падает до нуля и процесс нарастания напряжения на выходе интегратора 8 прекращается.

Блок 24 управления непрерывно „ контролирует состояние компараторов 6 и 7, при равенстве нулю выходных сигналов компараторов выдает сигнал Отсчет. Производится считывание частоты колебаний образца, которая в этом случае равна собственной частоте колебаний системы tOQ.

После измерения собственной частоты О01 производится измерение частоты колебаний образца, соответствующей фазовому сдвигу 45 . При выполнении этого цикла измерения по командам с блока 24 управления, аналоговый запоминающий блок 17 переводится в режим Хранение - считывание, ключ 9 переводится в положение 2, на фазовращателе 14 устанавливается фазовый сдвиг 45 Так как фазовый сдвиг сигналов между опорным и информационным входами фазового детектора не равен нулю, нарушается балансировка контура фазовой автоподстройки частоты, и на выходе фазового детектора 4 появляется сигнал с постоянной составляющей, отличной от нуля. Процесс обнуления постоянной составляющей повторяется, и после окончания переходного процесса в системе устанавливается частота колебаний to, , соответствующая фазовому сдвигу 45 °. При равенстве нулю выходных сигналов компараторов 6 и 7 блок 24 управления выдает сигнал Отсчет, и производится считывание частоты W, .

Далее осуществляют измерение зависимости величины потерь на внутреннее трение от амплитуды колебаний. С этой целью по сигналу с блока 24 управления устанавливают значение коэффициента передачи первого делителя 20, соответствующее новому значению амплитуды колебаний, и начинают цикл установления новой амплитуды. Поскольку в первый момент текущее значение амплитуды колебаний образца отличается от заданного, то на выходе второго сумматора 19 появляется сигнал рассогласования, который приводит к изменению крутизны первого

5 регулируемого усилителя 11, что

приводит к изменению амплитуды колебаний в сторону компенсации рассогласования. Этот процесс продолжается до тех пор, пока сигнал от те0 кущей амплитуды колебаний выпрямителя 18 на первом входе второго сумматора 20 не уравновешивает заданный сигнал на его втором входе.

Поскольку образец материала имеет

5 амплитудную зависимость внутреннего трения, тс при новой амплитуде колебаний изменяется фаза сигнала на информационном входе фазового детектора 4 относительно опорного сигнала

0 и контур фазовой автоподстройки изменяет частоту колебаний до повторного установления фазы 45°,

Описанный процесс успешно реализуется и при непрерывном изменении

с амплитуды колебаний при условии, что скорость изменения амплитуды существенно меньше скорости слежения.

После снятия амплитудной зависимости внутреннего трения при частоте

0 0 переходят к снятию частотной зависимости. С этой целью по сигналу с блока 24 управления устанавливают коэффициенты передачи второго 22 и третьего 23 делителей, соответствующие

5 новым значениям собственной частоты колебаний ог и заданной частотыСО л,, ключ 9 переводится в положение II, на фазовращателе 14 устанавливается фазовый сдвиг, равный нулю, производится обнуление интегратора 8 и аналоговый запоминающий блок 17 переводится в режим Запись - считывание. Повторяется цикл установления новой частоты колебаний, который завершается по достижении равенства нулю выходных сигналов компараторов 6 и- 7, и блок 24 управления выдает сигнал Отсчет. После считывания нового значения собственной частоты колеба0

5

ний аналоговый запоминающий, блок 17 переводится в режим Хранение - считывание, ключ 9 - в положение I, фазовращатель 14 - в положение, соответствующее фазовому сдвигу 45°. Производится цикл поиска частоты WfJ в соответствии с описанным алгоритмом. После окончания этого цикла произ- водится повторное сканирование ампли-.jg туды колебаний. При каждом новом значении амплитуды осуществляется измерение частоты, соответствующей фазовому сдвигу 45°. Описанный процесс

ности обеспечивается также измерением при фазовом сдвиге 45 , поскольку в резонансной зоне имеет м то максимальная чувствительность ф зовой характеристики к частоте.

Формула изобретени

Устройство для измерения характеристик внутреннего трения, содер жащее основание для закрепления ис пытуемого образца, последовательно соединенные датчик виброскорости,

повторяется до тех пор, пока не пере- 15 предварительный усилитель, фазовый

крывается весь заданный частотный диапазон.

По полученным значениям частот Сй0 и СО( производится расчет параметров внутреннего трения при данном значении амплитуды и частоты по формуле

20

детектор и фильтр нижних частот, уп равляемый генератор, стабилизатор амплитуды колебаний, последовательно соединенные первый сумматор и во будитель колебаний, и блок управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и информативности, оно снабжено двумя компараторами, соединенными парал- 25-лельно, входы которых соединены с в ходом фильтра нижних частот, последовательно соединенными интеграторо входом соединенным с выходами компа раторов, и ключом на два положения, первый выход которого соединен с пе вым входом управляемого генератора, аналоговым запоминающим блоком, информационный вход которого соединен с вторым выходом ключа, первым регу лируемым усилителем, вход которого

2

i

2

,200ЬУ 1

«ры 1

ACJ

Ч

(2)

где D - логарифмический декремент

затухания;

Д6Э- разница между частотами, соответствующими фазовым сдвигам 0 и 45°.

Таким образом, за счет трех контуров обратных связей по фазе, амплитуде и собственной частоте колебаний в устройстве автоматически отыскиваются частоты колебаний, на которых фазовый сдвиг между вибросилой и вибросигналом равен 0 и 45 , а также изменяется эквивалентная собственная частота колебаний контура, содержащая электрическую и механическую пружины, поддерживается и изменяется в соответствии с управляющим сигналом амплитуда колебаний. Эт позволяет по измеренным частотам и амплитудам колебаний произвести расчет параметров внутреннего трения материала образца и определить амплитудную и частотную зависимости внутреннего трения.

Использование в устройстве трех контуров обратных связей позволяет снизить мультипликативную погрешность измерения в резонансной зоне, ограниченной фазовыми сдвигами +45°, и увеличить точность при снятии частотной зависимости внутреннего трения. Уменьшение погреш

ности обеспечивается также измерением при фазовом сдвиге 45 , поскольку в резонансной зоне имеет место максимальная чувствительность фазовой характеристики к частоте.

Формула изобретения

Устройство для измерения характеристик внутреннего трения, содержащее основание для закрепления испытуемого образца, последовательно соединенные датчик виброскорости,

15 предварительный усилитель, фазовый

20

30

35

0

5

детектор и фильтр нижних частот, управляемый генератор, стабилизатор амплитуды колебаний, последовательно соединенные первый сумматор и возбудитель колебаний, и блок управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и информативности, оно снабжено двумя компараторами, соединенными парал- 25-лельно, входы которых соединены с выходом фильтра нижних частот, последовательно соединенными интегратором, входом соединенным с выходами компараторов, и ключом на два положения, первый выход которого соединен с первым входом управляемого генератора, аналоговым запоминающим блоком, информационный вход которого соединен с вторым выходом ключа, первым регулируемым усилителем, вход которого

0

5

соединен с первым выходом управляемого генератора, а выход - с первым входом первого сумматора, последовательно соединенными дифференцирующим усилителем, входом соединенным с выходом предварительного усилителя, и вторым регулируемым усилителем, выходом соединенным с вторым входом первого сумматора, управляемым фазовращателем, вход которого соединен с вторым выходом управляемого генератора, а выход - с опорным входом фазового детектора, источником опорного напряжения и тремя управляемыми делителями, информационные входы которых соединены с выходом источника опорного напряжения, стабилизатор амплитуды колебаний выполнен в виде последовательно соединенных выпрямителя, входом соединенного с выходом предварительного усилителя, и второго сумматора, выходом соединенного с управляющим входом первого регулируемого усилителя, выходы первого;второго.и

И155206712

третьего управляемых делителей соеди-мого усилителя, выходы- блока управнены соответственно с вторым входомления соединены соответственно с упвторого сумматора, вторым управляю-равляющими входами первого, второго

щим входом второго регулируемого уси;-и третьего управляемых делителей,

лителя и вторым входом управляемогоуправляемого фазовращателя, аналоге-

генератора, выход аналогового запо-вого запоминающего блока, интеграминающего блока соединен с первымтора и ключа, а вход блока управлеуправляющим входом второго регулируе-ния соединен с выходами компараторов.

Изобретение относится к испытательной технике. Целью изобретения является повышение точности и информативности соответственно за счет компенсации погрешностей от нестабильности элементов измерительной системы, компенсации уровня сигнала и крутизны фазовой характеристики и за счет непрерывного получения амплитудно-частотных зависимостей внутреннего трения при меняющихся условиях испытаний. Устройство построено на принципе измерительного преобразования с уравновешиванием, который обеспечивается путем осуществления обратных связей по фазе, амплитуде и собственной частоте колебаний. Собственная частота ω₀₁ колебаний системы определяется параметрами образца и контура электрической пружины, образованного последовательно соединенными датчиком 2 виброскорости, предварительным усилителем 3, дифференцирующим усилителем 15, вторым регулируемым усилителем 16, первым сумматором 12 и возбудителем 13 колебаний. Управление частотой ω₀₁ осуществляется контуром фазовой автоподстройки частоты, управление амплитудой колебаний образца, задаваемой источником 21 опорного напряжения, стабилизатором амплитуды колебаний, образованным последовательно соединенными выпрямителем 18 и вторым сумматором 19. Измерение при меняющихся амплитуде или температуре осуществляется измерением частоты колебаний, соответствующей фазовому сдвигу 45° при медленном изменении меняющегося параметра, что пропорционально внутреннему трению. 1 ил.