Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции Советский патент 1992 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится к учебным при- бор ам по механике, в частности к приборам для исследования колебательного движениями является усовершенствованием устройства по авт.св. N 1536428.

В основном изобретении описано устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции, содержащее основание с опорами для установки конструкции, источник механических колебаний, блок регистрации, оптический квантовый генератор, фотоприемник, блок формирования управляющих импульсов. При этом источник механических колебаний выполнен в виде магнитоэлектрического преобразователя с усилителем для взаимодействия с конструкцией, а квантовый генератор оптически связан с фотоприемником, выходы которого подключены к входу блока формирования управляющих импульсов и к первому входу блока регистрации, второй и

третий входы которого связаны соответственно с первым и вторым выходами, блока формирования управляющих импульсов, второй выход которого также подключен к усилителю магнитоэлектрического преобразователя, соединенным с четвертым входом блока регистрации. При этом блок формирования управляющих импульсов содержит последовательно включенные амплитудный детектор, .перестраиваемый фильтр, усилитель-ограничитель, генератор электрических сигналов, Вход амплитудного детектора является входом блока формирования импульсов, выход амплитудного детектора является первым выходом блока формирования импульсов, а выход генерз- .тора электрических сигналов является вторым выходом блока формирования импульсов.

Недостатком указанного устройства являются его ограниченные дидактические

V4 N5 О О О

ю

возможности, так как оно не позволяет исследовать формы колебаний конструкций.

Цель изобретения - расширение дидактических возможностей за счет демонстрации зависимости формы колебаний от величины нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции, содержащее основание с опорами для установки конструкции, источник механических колебаний, блок регистрации, оптический квантовый генератор, фотоприемник, блок формирования управляющих импульсов, причем источник механических колебаний выполнен в виде магнитоэлектрического преобразователя с усилителем для взаимодействия с конструкцией, квантовый генератор оптически связан с фотоприемником, выходы которого подключены к входу блока формирования управляющих импульсов и к первому входу блока регистрации, второй и третий входы которого связаны соответственно с первым и вторым выходами блока формирования управляющих импульсов, второй выход которого также подключен к усилителю магнитоэлектрического преобразователя, соединенным с четвертым входом блока регистрации, причем блок формирования управляющих импульсов содержит последовательно включенные амплитудный детектор, перестраиваемый фильтр, усилитель-ограничитель, генератор электрических сигналов; вход амплитудного детектора является входом блока формирования импульсов, выход амплитудного детектора является первым выходом блока формирования импульсов, а выход генератора электрических сигналов является вторым выходом блока формирования импульсов, дополнительно содержит установленную на направляющей и кинематически связанную с ходовым винтом подвижную платформу, датчик перемещения платформы, узел создания нагрузок с датчиком давления и блок выделения максимальной глубины модуляции. При этом на- . правляющая установлена на основании параллельно балке, датчик перемещения кинематически связан с подвижной платформой, а выгодное звено узла создания нагрузок кинематически соединено с подвижной опорой балки. При этом квантовый генератор, блок модуляции, коллиматор, интерференционный фильтр и фотоприемник установлены на подвижной платформе, выходы датчика давления, датчика перемещения и блока выделения максимальной глубины модуляции связаны соответственно с пятым, шестым и седьмым входом блока регистрации, а вход блока выделения максимальной глубины модуляции подключен к выходу блока формирования управляющих импульсов. Узел создания нагрузки

содержит последовательно соединенные гидроаккумулятор, регулятор давления и гидроцилиндр с поршнем, который является выходным звеном, а блок выделения максимальной глубины модуляции включает по0 следовательно соединенные амплитудный детектор, дифференцирующий каскад и компаратор, выход которого является выходом блока, а входом блока является вход амплитудного детектора. При колебаниях

5 конструкции в режиме автоколебательного воздействия при перемещении подвижной платформы относительно конструкции меняется (как это будет показано ниже) глубина модуляции колеблющейся поверхностью

0 излучения оптического квантового генератора. При этом максимальная глубина соог- ветствует узловым точкам колеблющейся поверхности конструкции. По сигналу сдатчика перемещений и сигналу с блока вЫде5 ления максимальной глубины модуляции, который выделяет сигнал, соответствующий точкам на поверхности конструкции, где максимальная глубина модуляции, т.е. узловым точкам, можно с помощью блока реги0 страции определить длины волн колеблющейся конструкции, т.е. исследовать формы колебаний конструкции.

На фиг. 1 и 2 изображено устройство для демонстрации и исследования колебаний

5 конструкции, общий вид; на фиг. 3 - блок модуляции излучения; на фиг. 4 - фотоприемник; на фиг. 5 - блок формирования управляющих импульсов; на фиг. 6 - блок выделения максимальной глубины модуля0 ции; на фиг. 7 - схема взаимодействия излучения ОКГ с колеблющейся поверхностью конструкции; на фиг. 8- сигналы на входе и выходе амплитудного детектора блока формирования управляющих импульсов, на вы5 ходе амплитудного детектора блока выделения максимальной глубины модуляции; на фиг. 9 - сигнал на выходе компаратора блока выделения максимальной глубины модуляции.

0 Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции содержит основание 1 (фиг. 1), установленные на основании опоры 2 и 3, установленную на опорах конструкцию, например балку 4.

5 Оптический квантовый генератор 5 (например, газовый ОКГ типа ЛГ-126) снабжен оптической системой для подвода излучения к поверхности конструкции 4. включающей блок 6 модуляции и, например, коллиматор 7. Кроме того, устройство содержит подключенный к блоку 8 регистрации (например, один или несколько многоканальных осциллографов типа Н-117, позволяющих одновременно регистрировать до 12-ти сигналов на светочувствительной бумаге), фотоприемник 9 и оптическую систему подвода отраженного от конструкции 4 излучения генератора 5 к фотоприемнику 9 включающую, например, коллиматор 10 и интерференционный фильтр 11, настроенный на длину волны излучения генератора 5. Выход фотоприемник 9 подключен к выходу блока 12 формирования управляющих импульсов, выходы которого подключены к блоку 8 регистрации, блоку 13 выделения максимальной глубины модуляции (выход которого также .подключен к блоку 8 регистрации), к источнику механических колебаний, содержащему последовательно соединенные усилитель 14 (например, усилитель мощности УКУ-020, один из выходов которого подключен к блоку 8 регистрацией магнитоэлектрический преобразователь 15 (например, динамик 30 ГД-2). При этом магнитоэлектрический преобразователь может быть снабжен толкателем 16, прикрепленным, например, к диффузору 17. ОКГ 5, блок 6 модуляции, коллиматор 7, фотоприемник 9, коллиматор 10, фильтр 11 неподвижно закреплены на подвижной платформе 18, установленной на стойке с возможностью перемещения относительно конструкции 4. Стойка может состоять из связанных с основанием 1 винта 19 и стойки (направляющей) 20, причем винт 19 через червячную передачу 21 и муфту 22 связан с рукояткой 23,

На фиг. 1 представлена стойка, обеспечивающая поступательное перемещение платформы относительно конструкции, на - угловое перемещение в плоскости чертежа на фиг. 1. На платформе установлен датчик 24 перемещений (например, многооборотный потенциометр, включенный по мостовой схеме) соединенный, например, с помощью троса 2.5. переброшенного через блок 26, с опорой 2. При этом датчик 24 подключен к блоку 8 регистрации. Кроме того, с опорой 3 связано нагружающее устройство, выполненное, например, в виде гидроцилиндра 27, подключенного через регулятор 28 давления (например, редуктор) к источнику 29 давления (например, гидроаккумулятор). Датчик 30 давления (например, индуктивный датчик давления) подключен к полости гидроцилиндра и к блоку 8 регистрации. Блок 6 модуляции (фиг. 3) содержит электрооптический модулятор 31 (например, МЛ-3) с источником 32 напряжения смещения рабочей точки модулятора и подключенный к нему

генератор 33 поднесущей частоты для обеспечения возможности усиления сигнала, несущего полезную информацию о колебаниях конструкции 4 с помощью узко- 5 полосного усилителя(в качестве генератора может быть использован генератор ГЗ-41). Фотоприемник 9 (фиг. 4) содержит фотоэлектронный умножитель 34 (например,. ФЭУ-31 А) с блоком 35 питания и усилитель 10 36, в качестве которого может быть использовано, например, селективный микровольтметр .В6-1. Блок 12 формирования управляющих импульсов (фиг. 5) содержит амплитудный детектор 37, активный фильтр 15 38, в качестве которого может-быть использован усилитель с частотно-зависимой положительной обратной связью, выполненной, например, на основе моста Вина, блок 39 преобразования сигнала в 0 прямоугольные импульсы (например, усилитель-формирователь УЗ-29), генератор 40 электрических импульсов, работающий в режиме внешнего запуска (например,Г5-26). Блок 13 выделения максимальной глубины 5 модуляции (фиг. 6) содержит последовательно соединенные амплитудный детектор 41 (с большой относительно детектора 37 постоянной времени , где Т-ожидаемый период колебаний конструкции 4), дифференцирую- 0 щего каскада 42 (например, RC-цепочка), компаратора 43 (выполненного, например, на основе микросхемы 140 УД 1).

Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции работает 5 следующим образом.. .

Запускают оптический квантовый генератор 5. Его излучение, модулированное по амплитуде блоком 6 модуляции, с помощью .коллиматора 7 подводится к поверхности 0 конструкции 4 (модуляция осуществляется с помощью модулятора 31с подключенный к нему генератором 33 для обеспечения возможности усиления сигнала, несущего полезную информацию о колебаниях 5 конструкции 4 с помощью узкополосного усилителя 36). Излучение оптического квантового генератора 5 модулируется по амп- литуде колеблющейся поверхностью конструкции 4 (при включении оптического 0 квантового генератора 5 будет подан первый импульс на усилитель 14 и магнитоэлектрический преобразователь 15 источника механических колебаний). Отраженное излучение генератора 5 с помощью оптиче- 5 с кой системы (коллиматора 10 и интерференционного фильтра 11, настроенного на длину волн излучения оптического квантового генератора 5) подводится к фотоприемнику 9, где сигнал усиливается с помощью узкополосного усилителя 36 и подается на блок 12 формирования управляющих импульсов, а также на блок 8 регистрации для контроля качества принимаемого сигнала. В блоке формирования управляющих импульсов сигнал поступает на амплитудный детектор 37, с выхода которого снимается сигнал, содержащий информацию о частоте, амплитуде и форме колебаний точки поверхности конструкции, на которую попадает излучение ОКГ 5 (сигнал поступает на блок 8 регистрации). Этот сигнал представляет собой периодическую функцию времени, близкую к синусоидальной.

Чтобы устранить влияние высших гармоник на формирование управляющих импульсов в блок введен перестраиваемый активный фильтр 38. Сигнал с него преобразуется в пропорциональные импульсы с помощью усилителя-ограничителя 39 и генератора 40 электрических импульсов. Импульсы с блока 12 поступают на усилитель 14 (сигнал с выхода усилителя контролируется с помощью блока 8 регистрации) а затем га магнитоэлектрический преобразователь 15. Последний посредством толкателя 16 взаимодействует с конструкцией 4. Таким образом, момент времени подвода механической энергии к конструкции 4 определяется параметрами колебаний конструкции 4. При этом амплитуда колебаний постепенно возрастает по закону, определяемому добротностью колебательной-системы. После наступления установившегося режима колебаний с целью исследования формы колебаний конструкции (длин волн поверхности конструкции 4) начинают вращать рукоятку 23. При этом подвижная платформа 18 начинает перемещаться по направляющей 20 поступательно вдоль конструкции 4 (может также проводиться угловое перемещение платформы при вращении рукоятки 23 (фиг. 2), если обеспечено достаточно большое расстояние между платформой и конструкцией. Расстояние определяется исходя из того, чтобы поворот платформы при охвате всей конструкции не превышал нескольких угловых минут). При этом начинает меняться глубина модуляции принимаемого фотоприемником 9 сигнала. Покажем это Параметры модуляции интенсивности отраженного сигнала от колеблющейся поверхности могут быть оценены из расчета мощности рассеянного электрического поля в точке приема в различные моменты времени. Для этого может быть использовано метод касательной плоскости, когда профиль поверхности представляется в виде элементарных площадок. Принимая диаграмму на0

правленности элементарной площадки в виде кардиоиды (элемент Гюйгенса), используя принцип суперпозиции и переходя к пределу, получим следующую формулу для расчета интенсивности сигнала в фотоприемнике 9:

Р( в) А( в ) + В(0 ) 2Uo х

Х2+Х1 s . I )

х : sinQt-f, 2я Х2-xi v 2л sin ; п j cos (

I

Х2-Х1

JC(#)1

+

5

0

5

0

5

,47Г cosC-p

Х2+Х1

)sin(

4лг

+ |L

4яХ2 -х 1

xui sinQt, I2

гдеА( 0) | + cos20+Ј I

Х2-Х1 , т )

-X

cos4 в;

В{ #) (2sin20 +sln40 ):

С( в ) - cos2 в + 2cos4 в ;

в- угол падения луча ОКГ 5 на колеблющуюся поверхность;

I - пространственная длина изгибной волны колеблющейся поверхности;

Ub - амплитуда смещения колеблющейся поверхности крайних точек;

XL X2 - координаты крайних точек облучаемого участка колеблющейся поверхности:

Q - частота колеблющейся поверхности.

Фиксируя $и принимая размеры облученной поверхности, например а (фиг.

7), легко из (1) видеть, что максимальная

0 глубина модуляции (сомножитель при sin Qt во втором слагаемом (1)) наблюдается при прохождении излучения ОКГ 5 через узловую точку (точка А на фиг. 7) колеблющейся поверхности. При перемещении платформы

5 18 относительно конструкции 4 трос 25, разматываясь, вращает ось датчика 24 перемещений. При этом последний выдает сигнал, пропорциональный этому перемещению (датчик 24 предварительно тарируют), на

0 блок 8. регистрации. В то же время сигнал с блока 12 формирования поступает на блок выделения максимальной глубины модуляции (на фиг. 8 представлены сигналы на входе в амплитудный детектор 37 - сигнал 44.

5 на входе в блок выделения максимальной глубины модуляции - сигнал 45), который детектируется с помощью детектора 41 (сигнал на его выходе представлен ка фиг. 8 - сигнал 46), дифференцируется каскадом 42, и на выходе компаратора 43 сигнал приобретает вид, представленный на фиг. 9 (скачки при смене знака производной сигнала 46, т.е. при прохождении через узловые точки колеблющейся поверхности конструкции 4). Таким образом, по сигналам с датчика 24 и блока 13 регистрируется с помощью блока 8 длины волн колеблющейся конструкции 4 (исследуется форма колебаний конструкции 4). Описанные исследования конструкции могут проводиться и при различных нагрузках на конструкцию (исследование влияния нагрузки на колебания конструкции). При этом .уровень нагрузки задают с помощью регулятора 28, подавая давление от источника 29 в полость гидроцилиндра 27 (при этом перемещается шток гидроцилиндра 27, воздействуя через опору 3 на конструкцию 4), Уровень нагрузки регистрируется с помощью блока 8 по сигналу с датчика 30 давления.

Технико-экономический эффект от использования изобретения заключается в расширении дидактических возможностей устройства, так как, помимо демонстрации колебаний конструкции в режиме автоколебательного воздействия,обеспечена демонстрация форм колебаний при таком воздействии, демонстрация влияния на колебания конструкции действующих на нее нагрузок.

Формула изобретения 1. Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции по авт.св. № 1536428, отличающееся тем, что, с целью расширения дидактических возможностей за счет демонстрации зависимости формы колебаний от величины нагрузки, оно дополнительно содержит установленную на направляющей и кинематически связанную с ходовым винтом подвижную платформу, датчик перемеще- 5 ния платформы, узел создания нагрузок с датчиком давления и блок выделения максимальной глубины модуляции, при этом направляющая установлена на основании, параллельно балке, датчик перемещения

0 кинематически связан с подвижной платформой, а выходное звено узла создания нагрузок кинематически соединено с подвижной опорой балки, при этом квантовый генератор, блок модуляции, коллиматор, ин5 терференционный фильтр и фотоприемник установлены на подвижной платформе, выходы датчика давления, датчика перемещения и блока выделения максимальной глубины модуляции связаны соответствен0 но с пятым, шестым и седьмым входом блока регистрации, а вход блока выделения максимальной глубины модуляции подключен к выходу блока формирования управляющих импульсов.

5 2. Устройство поп. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что узел создания нагрузки содержит последовательно соединенные гидроаккумулятор, регулятор давления и гидроцилиндр с поршнем, который является

0 выходным звеном.

3. Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что блок выделения максимальной глубины модуляции включает последовательно соединенные амплитудный детек5 тор, дифференцирующий каскад и компаратор, выход которого является выходом блока, а входом блока является вход амплитудного детектора.

1720067 -3В 28 75

Фм:1

W

Изобретение относится к учебным и наглядным пособиям по механике. Цель изобретения - расширение дидактических возможностей за счет демонстрации зависимости формы колебаний конструкции от величины нагрузки. Устройство дополнительно снабжено связанной с основанием стойкой, на которой установлена с возможностью перемещения подвижная платформа, и с датчиком перемещений платформы, связанным с пятым входом блока регистрации. Оптический квантовый генератор и фотоприемник размещены на подвижной платформе. Кроме того, устройство снабжено блоком выделения максимальной глубины модуляции, состоящим из последовательно соединенных амплитудного детектора дифференцирующего каскада и компаратора. Узел создания нагрузки содержит последовательно соединенные гидроаккумулятор, редуктор давления и гидроцилиндр с поршнем, 2 з.п.ф-лы, 9 ил.

/;

Фиг.1

18

X

J

f.

JTЯгглг&

фиг.З

1/4

t/4

фие-ff

фиа.в

1/4