Камертонный стенд Советский патент 1991 года по МПК G01M7/00 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к камертонным стен- дам для испытаний на вибрацию малогабаритных изделий и образцов материалов, а также для поверки и калибровки виброизмерительных преобразователей.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей за счет увеличения диапазона амплитуд воспроизводимой камертонным стендом вибрации, а также обеспечение стабильной частоты колебаний, снижение трудоемкости испытаний и уровня нелинейных искажений.

На фиг.1 изображен вариант выполнения стенда с электрическим задающим генератором; на фиг.2 - вариант выполнения стенда с виброизмерительным преобразователем скорости в цепи обратной связи; на фиг.З - вариант выполнения стенда с виброизмерительным преобразователем ускорения; на фиг.4, 5-эпюры напряжений, токов, силы, ускорения и скорости при работе вариантов стенда.

Камертонный стенд включает основание 1, на котором закреплен камертон 2, снабженный гнездами для присоединения испытуемых объектов 3 и системой 4 измерения вибросмещений. Приводная система возбуждения резонансных колебаний камертона 2 содержит статор из двух последо- вательно соединенных катушек 5 возбуждения, каждая из которых размещена на соответствующем магнитопроводе б и установлена с возможностью магнитного взаимодействия с камертоном 2, изготовленным из магнитного материала и выполняющим благодаря этому функцию якоря привода.

Катушки 5 возбуждения на магнитопро- водах 6 установлены с возможностью перемещения вдоль длины камертона 3, например путем закрепления их на плате 7, перемещаемой и фиксируемой в направляющих 8, что обеспечивает возможность выбора положения горизонтальной плоскости симметрии А-А катушек 5 в области I/L 0,2±0,1, являющейся окрестностью узлов (неподвижных точек) второй 1/L 0,226 и третьей I/L 0,132 форм колебаний.

Конкретное положение катушек находится экспериментально по минимуму нели- нейных искажений, определяемых с помощью системы 4 измерения вибросмещений.

Блок питания привода выполнен в виде импульсного дозатора 9 возбуждения и управляющей им схемы 10 коммутации. Импульсный дозатор 9 возбуждения состоит из двух каналов, каждые из которых содержит источник 11(16) тока, к выходу которого подключены параллельно конденсатор-накопитель 12(17) восполняемой энергии и вентиль 13(18), катод которого соединен с плюсовой клеммой источника 11 (16) тока. К выходу источника 11(16) тока подключены также последовательно соединенные между собой и включенные каждый в направлении пропускания тока источника 11(16) первый и второй ключи 14(19), 15(20), между точками

0 соединения первого 14 и второго 15 ключей одного плеча, а также первого 19 и второго 20 ключей другого плеча включен конденсатор-накопитель 21 колебательной энергии, а вторые ключи 15 и 20 обеих плеч соединены

5 между собой и подключены к индуктивному элементу статоров привода камертона - последовательно соединенным катушкам 5 воз- буждения, образующим совместно с последовательно соединенными при комму0 тации ключей 14, 15 и 19, 20 конденсаторами-накопителями 21 и 12(17) колебательной и восполняемой энергии параллельный колебательный контур.

Схема 10 коммутации в первом вариан5 те выполнения (фиг.1) содержит последовательно включенные источник управляющего сигнала - электрический задающий генератор 22, делитель частоты на четное число, D-триггер, D-вход которого соединен с ин0 вертирующим выходом 23 и устройство управления ключами 14, 15, 19 и 20 импульсного дозатора возбуждения - последовательно соединенные переходной конденсатор 24 и первичная обмотка 25

5 дифференцирующего импульсного трансформатора 26 с двумя парами выходных обмоток 27,28 и 29,30, имеющими одинаковое направление витков в каждой паре и противоположное направление витков в разных1

0 парах обмоток.

Стенд содержит также устройства регистрации электрических сигналов от испытуемых объектов (на фиг.1 - 3 для упрощения показано только одно такое устройство 31,

5 включающее входной фильтр 32, обеспечивающий подавление сигналов с частотой выше частоты колебаний камертона 2, и регистрирующее устройство 33.

Во втором варианте выполнения (фиг.2)

0 камертонный стенд дополнительно содержит устройство 34 запуска камертона - последовательно соединенные кнопку 35 запуска, развязывающий диод 36 и источник 37 тока, подключенные параллельно им5 пульсному дозатору 9 возбуждения. При этом в схеме 10 коммутации блока питания привода камертона задающий генератор выполнен в виде последовательно соединенных виброизмерительного преобразователя 38 скорости перемещения камертона,

полосового фильтра 39, усилителя-ограничителя 40 и дифференцирующей цепочки 41 с фиксирующим диодом 42.

Дифференцирующая цепочка 41 с фиксирующим диодом 42 обеспечивают выходные импульсы в моменты перехода скорости движения якоря привода камертона (аетви камертона 2) относительно статора (катушки 5 возбуждения на магчитопроводе 6) через нуль при его движении по направлению к статору, что обеспечивается соответствующей коммутацией обмотки преобразователя 38 скорости, выбором незаземляемого входа усилителя-ограничителя 40 и полярности включения фиксирующего диода 42. Кроме того, выбором индуктивности катушек 5 возбуждение, а также емкостей - он- денсаторов-накопителей воспопняемой 12(17) и колебательной 21 энергии сбеспе- чиаается отношение длительности полупериода колебаний камертона (TI) и длительности полупериода колебаний параллельного колебательного контура, образованного соединенными с помощью схемы 10 коммутации конденсаторами импульсного дозатора возбуждения и последовательно включенными катушками 5 возбуждения (ri) в пределах tk/ra 0.1...0.5, при котором обеспечивается эффективная передача энергии возбуждения в камертон ( 0,5 на фиг.7, 0,13 на фиг.8).

В третьем варианте выполнения стенда (фиг.З) а схеме 10 коммутации блока питания привода камертона в качестве входного элемента источника управляющего сигнала использован виброизмерительный преобразователь 43 ускорения, механически связанный с -ветвью камертона 2. При этом дифференцирующая цепочка 41 с фиксирующим диодом 42 в одном случае обеспечивает выходные импульсы в моменты перехода ускорения ветви камертона через нуль при ее движении по направлению к статору, а отношение Гк/Г2 0,1...0,25. В другом случае дифференцирующая цепочка 41 с фиксирующим диодом 42 обеспечивает выходные импульсы в моменты перехода ускорения ветви камертона через нуль при ее движении по направлению от статора, s отношение rkAz 0,75..1, Гй/Г2 0,13на фиг.8, 1 на фиг.9.

Появление выходных импульсов в требуемые моменты времени обеспечивается соответствующей коммутацией выходного сигнала преобразователя 43 ускорений, выбором незаземленного входа усилителя-ограничителя 40 и полярности включения фиксирующего диода 42. Выбор указанного отношения осуществляется таким

же образом, как указано при описании второго варианта выполнения стенда.

Камертонный стенд (фиг. 1 - 3) работает следующим образом.

5Источник 11(16) тока обеспечивает заряд конденсатора - накопителя 12(17) восполняемой энергии. Управление разрядом накопителей 12 и 17 осуществляется ключами 14, 20 и 15, 19 соответственно. Схема 10

10 коммутации обеспечивает чередующуюся через период колебаний источника управляющего сигнала попарную коммутацию ключей 14, 20 и 15,19. Открытие ключей 14, 20 приложением положительных импульсов к

5 гх управляющим электродам создает условия (образует цепь дня разряда накопителя 2 и оказывающегося последовательно согласно соединенным с ним накопителя 21 через катушки 5 возбуждения - индуктив0 ный элемент статора привода камертона (фиг.4). В этот момент времени к управляющим электролзм ключей 15, 19 приложены отрицательные импульсы, и эти ключи, оставаясь закрытыми, не влияют на протекание

5 тока разряда накопителя 12. Накопитель 17 в это время заряжается от источника 16 тока. После разряда накопителей 12 и 21 ток самоиндукции катушек 5 возбуждения продолжает протекать через вентиль 13 и пере0 заряжает накопитель 21, что обеспечивает тем самым выполнение этим кондесатором функции накопителя колебательной энергии (фиг.4). Уменьшение протекающего гокэ самоиндукции приводит к самозакрыванию

5 ключей 14, 20.

В следующий период колебаний источника управляющего сигнала накопитель 12 заряжается от источника 11 тока, и происходит разряд другого конденсатора-накопи0 теля 17 воспламеняемой энергии через открытые ключи 19 и 15 благодаря приложению положительных импульсов к их управляющим электродам. При этом, как и в случае разряда накопителя 12 (фиг.4) обеспечивает5 ся согласованное соединение заряженного накопителя 17 и перезаряженного в предыдущий период управляющего сигнала накопителя 21. После разряда накопителей 17 и 21 накопитель 21 перезаряжается по цепи, изо0 браженной ча фиг.4. В дальнейшем чередующийся процесс разряда накопителей 12 и 17 повторяется.

В соответствии с предложенным техническим решением последовательно соединен5 ные при коммутации конденсатор-накопитель 12(17) восполняемой энергии и конденсатор- накопитель 21 колебательной энергии совместно с индуктивным элементом статора привода камертона - катушками 5 возбуждения образуют параллельный колебательный

контур (процесс разряда конденсаторов и перезаряда накопителя 21 носит колебательный характер). Выбором их емкостей конденсаторов и индуктивностей катушек 5 возбуждения можно изменять период колебаний этого контура и соответственно соотношение этого периода Tk и периода резонансных колебаний камертона Г2 для обеспечения необходимого соотношения этих периодов.

Потери энергии в цепи катушек 5 возбуждения восполняются за счет накопления энергии на накопителях 12 и 17 от источников 11,16 тока соответственно, что и обеспечивает выполнение конденсаторами функции накопителей восполняемой энергии.

Описанный процесс попарной коммутации ключей 14, 20 и 15, 19 обеспечивается наличием делителей частоты колебаний источника управляющего сигнала D-триггера в соответствующем включении 23, дифференцирующего импульсного трансформатора 26 и двумя парами выходных обмоток 27, 28 и 29, 30, имеющими одинаковое направление витков в каждой паре и противоположное направление витков в различных парах обмоток.

На фиг.4 и 5 проиллюстрированы эпюры, отражающие работу первого варианта стенда при соотношениях Гк/та 1 и

0,2.

Напряжение с выхода задающего генератора 22 (U22), имеющего период, равный периоду резонансных колебаний камертона 2 после деления частоты на два, с помощью делителя частоты - D-триггера 23 (U23) образует на входной обмотке дифференцирующего импульсного трансформатора 25 последовательности коротких разнополяр- ных импульсов U25- Соответствующие напряжения на парах выходных обмоток 27,28 и 29, 30 - U27.28 и U29.30 обеспечивают поочередное через период колебаний задающего генератора 22 попарное открывание ключей 14, 20 и 15. 19. Последнее, в свою очередь, вызывает чередующиеся через период колебаний задающего генератора 22 процессы заряда-разряда накопителей 12 и 17 (Ui2, Un), а также перезаряд и перекоммутацию накопителя 21.

В результате протекания однополярных импульсов тока через катушки возбуждения привода камертона Is возникает магнитный поток ФБ , имеющий минимальное значение Фед . и действует соответствующая сила, притягивающая ветви камертона к статорам привода F2. Под действием силы F2 ветви камертона движутся со скоростью V2.

Форма импульсов тока is существенно зависит от соотношения (фиг.4, fk/T2 1; фиг.6, tk/T2- 0,2), что, в конечном счете, определяет величину энергии,

передаваемой камертону, Совпадение максимумов прикладываемой силы F2 с достижением максимума скорости V2 движения камертона в направлении действия силы обеспечивает высокую эффективность пере0 дачи энергии камертону от блока питания его привода, при которой энергия, передаваемая камертону, достигает, как следует из законов механики, максимальной величины At

5 ( АЕ / V2 F2 dt, где At- длитель- о

ность импульса, А Е - энергия, передаваемая камертону).

Присоединенные к ветвям колеблющего0 ся камертона 2 с помощью присоединительных гнезд 3 испытуемые объекты подвергаются вибрационному воздействию. Соответствующая амплитуда смещений измеряется с помощью системы 4. Электриче5 ские сигналы от испытуемых объектов после прохождения через фильтры 32 регистрируются устройством 33.

Второй и третий варианты камертонного сгенда (фиг.2 и 3) работают следующим

о образом.

Запуск стенда осуществляется нажатием и отпусканием кнопки 35, вызывающей протекание тока от источника 37 через развязывающий диод 36 в катушках 5 возбуж5 дения статора привода и соответственно притяжение к ним ветвей камертона 2. После отпускания кнопки 35 ветви камертона начинают совершать слабо затухающие (ввиду высокой добротности камертона 2)

0 колебания, которые воспринимаются виброизмерительными преобразователями скорости 38 (фиг.2) или ускорения 43 (фиг.З), связанными с камертоном 2. Выходной сигнал преобразователя, отражающий движе5 ние камертона 2, после прохождения фильтра 39, усилителя-ограничителя 40, дифференцирующей цепочки 41 с фиксирующим диодом 42 сохраняет информацию о фазе движения камертона и используется в

0 качестве управляющего сигнала взамен сигнала задающего генератора в первом варианте сгенда.

Коммутацией преобразователя 38, заземлением того или иного входа усилителя5 ограничителя 40, а также выбором полярности включения фиксирующего диода 42 обеспечивается приложение к входу D-триггера коротких положительных импульсов в моменты перехода скорости движения ветви камертона относительно

статора через нуль при ее движении по направлению к статору. В результате этого на парах 27, 28 и 29, 30 выходных обмоток дифференцирующего трансформатора 26 (после деления частоты на два U24) образу- ются импульсы коротких разиополярных импульсов U27.28 и 1)29.30, обеспечивающие поочередное через период колебаний камертона 2 попарное открывание ключей 14, 20 и 15,19 в соответствующие моменты вре- мени. Протекающие токи разряда накопителей 12 и 17 при выборе Г|с/Г2 в пределах 0,1...0,5 обеспечивают приложение импульсов силы F2 в моменты максимумов скорости, что так же, как и в описанных случаях, приводит к эффективной передаче энергии колеблющемуся камертону. При rk/T2 0,5 импульсы силы F2 начинают в течение части своей продолжительности тормозить движение камертона, а при ть/тъ 0,1, как свидетельствуют эксперименты, необходимо такое увеличение амплитуды токов Is для раскачки камертона, что резко возрастают тепловые потери в катушках 5 возбуждения, также снижающие эффективность передачи энергии камертону 2 от блока питания.

Формул а изобретени я

1. Камертонный стенд, содержащий ка- мертон, выполненный из магнитного материала, и привод камертона, включающий блок питания, а также взаимодействующий с камертоном статор с индуктивным элементом, подключенным к выходу блока пита- ния, отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей за счет увеличения диапазона амплитуд воспроизводимой вибрации, блок питания привода камертона выполнен в ви- де схемы коммутации и импульсного дозатора, состоящего из накопителя

колебательной энергии и двух каналов, каждый из которых состоит из параллельно соединенных источника тока, накопителя восполняемой энергии и вентиля, катод которого присоединен положительному полюсу источника тока, последовательно соединенных первого и второго ключей, управляющий вход первого ключа соединен с положительным выходом источника питания, выходы накопителя колебательной энергии соединены соответственно с входом второго ключа каждого из каналов, выходы вторых ключей каждого из каналов обьединены и подсоединены к индуктивному элементу, отрицательные выходы источников тока объединены, схема коммутации выполнена в виде последовательно соединенных задающего генератора, делителя частоты на четное число и схемы управления ключами, четыре выхода схемы коммутации подключены соответственно к управляющим входам первого и второго ключей каждою из к жалов.

2.Стенд поп.1,отличающийся тем. что, с целью снижения трудоемкости испытаний за счет синхронизации импульса возбуждения с фазой колебаний камертона, он снабжен блоком запуска, соединенным с индуктивным элементом, задающий генератор схемы коммутации выполнен в виде последовательно соединенных виброизмерительного преобразователя, связанного с кзмертоном, полосового фильтра, усилителя-ограничителя и дифференцирующей цепочки.

3.Стенд по пп.1 и2,отличающий- с я тем, что, с целью снижения нелинейных искажений, статор установлен с возможностью перемещения вдоль ветви камертона в диапазоне I/L 0.2+ 0,1, где I - расстояние статора от торца камертора, a L - длина ветви камертона.

77 -t

«B

15

2J

X77 78

29

27 78

JJ

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к камертонным стендам для испытаний на вибрацию малогабаритных изделий и образцов материалов, а также для позерки и калибровки виброизмерительных преобразователей. Цель изобретения - расширение диапазона воспроизводимой вибрации при заданном уровне нелинейных искажений. Камертонный стенд содержит камертон 2 и привод камертона, включающий блок питания, а также магнитно-взаимодействующие статор с индуктивным элементом, подключенным к выходу блока питания, и якорь, механически жестко связанный с ветвью камертона. Блок питания привода камертона выполнен в виде импульсного дозатора 9 возбуждения с ключами и управляющей схемы 10 коммутации. 2 з,п. ф-лы, 5 ил. fe FrnFil Оч ю О 00 со

„П2

25

.2

«0

Ha

2ffl

7

1

#-F

г

S3

i 5

Z

5