Способ измерения входного механического сопротивления конструкций Советский патент 1992 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения входных импедансов различных конструкций.

Известен способ измерения входного механического сопротивления посредством датчика силы и акселерометра.

Конструкция в исследуемой точке возбуждения механическим источником колебаний (например, электродинамическим вибратором). Между источником и точкой поверхности приложения динамической си- лы устанавливают датчик силы Колебательную скорость в точке возбуждения измеряют акселерометром. Входное механическое сопротивление (импеданс) определяют по формуле Ьх|

вх

X/

cosAy +jsinsA$ (1)

где/Рвхг модуль вектора динамической силы FBX, действующей в точке взаимодействия вибратора с исследуемой поверхностью;

/Vex/ - модуль вектора колебательной скорости Vex, измеренной в точке взаимодействия источника с исследуемой поверхностью,

разность фаз между векторами FBx и ТЈХ

Недостатком данного способа является необходимость использования в процессе измерений датчиков силы. Опыт работы с датчиками силы показывает, что его показания при производстве измерений даже в одной точке очень нестабильны, т.е. зависят от многих сопутствующих факторов. В первую очередь следует отметить влияние на показания датчика величины его статического поджатия и температуры.

Погрешность в оценке входного механического сопротивления вследствие толь w

б

ё

сл о

ко указанной причины (не считая даже тех погрешностей, которые вносятся вторым регистрирующим прибором - акселерометром) могут достигать ста и более процентов.

Известен способ измерения входного механического сопротивления конструкции без использования датчика силы, вклЮчаю- щий измерение массы подвижной части электромагнитного вибратора, установку вибратора нормалью к поверхности исследуемой конструкции, возбуждение колебаний, измерение амплитуды и фазы вектора колебательного ускорения части вибратора жестко закрепленной к поверхности исследуемой конструкции, измерение амплитуды и фазы вектора колебательного ускорения подвижной части вибратора, совершающей колебательные движения относительно закрепленной части вибратора, и определение входного механического сопротивления по формуле

ZBX

ai miЭ1 . ,„.

ш О) -- ml, (2)

3232V ;

где ai - вектор колебэтельного ускорения подвижной части электромагнитного вибратора

32 - вектор колебательного ускорения части вибратора, закрепленной к исследуемой конструкции;

mi - масса подвижной части электромагнитного вибратора;

ш - круговая частотэ колебаний, который являясь наиболее близким к предлагаемому способу, выбран в качестве способа-прототипа.

Способ измерения входного механического сопротивления без использования датчика силы является безусловно более точным по сравнению со способом-аналогом, так как в нем ликвидируется главный источник погрешностей таких измерений - влияние на показания датчика силы величины его статического поджзтия и темперэту- ры.

Однако, в силу того, что при вычислении искомой величины не учитывается мэсса части электромагнитного вибратора, жестко закрепленного в точке исследуемой конструкции, данный способ дает неточные значения входного механического сопротивления исследуемой конструкции, особенно с повышением частотного диапазона исследования.

Действительно, механическое сопротивление исследуемой конструкции представлено в виде выражения

-V.

СОГПэ +

,(3)

0

5

0

5

5

где тэ, R3 и Сэ - некоторые эквивэлентные масса, коэффициент трения и жесткость исследуемой конструкции на частоте о) колебаний.

Неучет массы части электродинамического вибратора, жестко связанной в точке с исследуемой конструкцией, приводит к тому, что фактически измеряется величина

И j о(гл2 + тэ) + Рэ, (4)

где гп2 - масса части электродинамического вибратора, жестко закрепленная к точке исследуемой конструкции.

Цель изобретения - повышение точности измерения входного механического сопротивления конструкций за счет учета массы части электродинамического вибратора, жестко прикрепленной к точке исследуемой конструкции.

Указанная цель достигается тем, что, в отличие от прототипа, кроме предварительного определения массы подвижной части электродинамического вибраторэ гщ дополнительно определяют массу части электродинамического вибрэтора ГП2, жестко прикрепленной к точке исследуемой конструкции, а входное мехэническое сопротивление конструкции рассчитывают по формулам

0 /ZBX/ W

-/()2 + m22- (5)

ПЛ2

pzbx arctg -

2mi ((ра ).

а2

31

mi- -cos(ai -чйй)

( ЧЙй) &i

- модуль и фаза входного механического сопротивления исследуемой конструкции;

гщ - масса подвижной части вибратора (например, массивный корпус), совершаю- - щий колебательное движение относительно исследуемой конструкции;

ГП2 - масса части вибратора (например, подвижный вибростержень), жестко закрепленной к поверхности исследуемой конст- 0 рукции;

ai -амплитуда вектора ai колебательного ускорения подвижной части вибратора, совершающей колебательное движение относительно поверхности исследуемой кон- струкции;

32 - амплитуда вектора 32 колебательного ускорения части вибратора, жестко закрепленной к поверхности исследуемой конструкции;

ai , ftei - фазы векторов колебательных ускорения ai и1)2 соответственно.

Необходимость измерения массы части вибратора, жестко прикрепленной к исследуемой конструкции, вытекает из следующих рассуждений.

Пусть электродинамический вибратор, состоящий из совершающих колебательное движение одна относительно другой, соединенных между собой при помощи упругих центрирующих мембран, жестко закреплен одной из этих частей к исследуемой конструкции с входным механическим сопротив- лением-2вх (фиг.1).

На фиг. 1 обозначены часть 1 вибратора массой та (например, подвижный вибро- стержень), жестко закрепленная к поверхности исследуемой конструкции, часть 2 вибратора массой mi (например, массивный корпус), совершающая колебательное движение относительно поверхности исследуемой конструкции, упругие центрирующие мемебраны 3 вибратора, исследуемая конструкция 4 « входным механическим сопротивлением ZBX, акселерометр 5, с помощью которого измеряют колебательное ускорение на поверхности исследуемой конструкции, акселерометр 6, с помощью которого измеряют колебательное ускорение части вибратора, совершающей движение относительно части вибратора, жестко закрепленной к поверхности исследуемой конструкции.

На фиг.2 представлена расчетная механическая схема исследуемой колебательной системы, совершающей гармо-нические колебания с круговой частотой ш, где гп2 - масса части вибратора (например, подвижный вибростержень), закрепленной к поверхности исследуемой конструкции, гщ - масса части вибратора (например, массивный корпус), совершающий колебательное движение относительно поверхности исследуемой конструкции. Св - вибрационная жесткость центрирующих мембран вибратора, R8 - коэффициент трения центрирующих мембран вибратора, тэ - эквивалентная масса исследуемой конструкции, Сэ - эквивалентная жесткость исследуемой конструкции, R3 - эквивалентный коэффициент трения исследуемой конструкции, Х2, V2, - вектор колебательного смещения (скорости, ускорения инерционных масс тг и тэ, Xi, 7i, - вектор колебательного смещения (скорости, ускорения) инерционной массы mi, FB () - электродинамическая сила вибратора.

В соответствии с известными положениями теории работы электродинамического вибратора движение механической части вибратора, установленного на поверхность исследуемой конструкции с механическим сопротивлением

Сэ

ZBX JU ГПЭ +

jtt

Рэ

5

0

0

0

5

описывается (фиг.1 и 2) следующей системой уравнений / Ffcn1) + F7cb) + Ј{Rb) « Л6) , F F(m2) + F(cb) + F(C3) + F(C3 + F(R8) + F(Rb) 0 +Р(СИ9).(7)

, FB FS )

где FB BI|B; F(mi) miaT, F(CB) CB(Vi + +V2);

F(RB) Re( Vi); m2a1z;

F(m3) ГПэ 32,- F(es) Сэ $2:

F{R3) R3 7а; где В - магнитная индукция;

общая длина проводника катушки;

1В - сила тока.

Систему уравнений (6) - (8) перепишем в виде

FB BI 1В mi ai + CB(-Xi + X2) + RB(Vi +

i+v2):- . ()

FB BI IB (m2 + тэ)а2 + CB(Xi + X2) + RB(Vi )+C3-)T2 + R3 V2;

Уравнение, связывающее электрические параметры подвижной обмотки вибратора с ее движением относительно корпуса вибратора имеет вид

L + R78 U(t) - BI(Vi + V2), (10)

где L - индуктивность обмотки;

активное сопротивление обмотки; U(t) - переменное напряжение, подава1 5 емое на обмотку.,

В установившемся режиме при U(t) $ w l + V5 ) будут справедливы следующие соотношения. Рв Ке РьоеП ) ,J(t +

Re VieHt+ Vi)l

V2 )3:tr «prfi.. Jo n- IB),

е«ш l+ 1B)(11)

С учетом (6) системы уравнений (4) и (5) запишем в виде

Fb BplI jw mi Ti+( Cb

jw

+ ReXVi + (12)

Cb

. Fb Beie ju(m2 + m9)V2+( +RB)

/(Vi ) + ( + Ra) V2 (12).

V U Qw L+R)rB + lB + );(12) Пользуясь системой уравнения (7), легко построить электромеханическую схему работы реального вибратора, описывающую

его работу как по электрической, так и по механической части одновременно (фиг.З).

X(L g/wUUXL JЈyL|e: UR R IB; Ec BI(Vi + V2);

Cb ) j ti+W MXCB -

Лш Re(Vi + V2);

X(m-1) F(m1) jW mlVi;X(m2) ja) m2;

F(m2) V2;

Cb

Zex j 0)m3 +

a)

РЭ, FBX ZBX V2,

jpv2 - J VUJЈ Jb

V2 , , .;

Из (фиг.З) видно, что реальный вибратор, установленный на конструкцию с входным механическим сопротивлением ZBx. представляет собой сложную колебательную систему с обрадной связью. Наличие электрического тока в в электрическом контуре вибратора вызывает появления в цепи механического контура падение механического напряжения (р наших обозначениях механической силы) FB, равное FB В f IB, где В|- коэффициенттрансформации. С другой стороны, наличие в механическом контуре колебательной части (Vi + /2) вызывает появление в электрической части вибратора падение напряжения (противоЭДС) Ес равное Ее Bf (Vi + 2). Запишем, пользуясь законами Кирхгофа, условия равенства механических напряжений (сил) для самого последнего контура схемы (фиг.З)

Fjm 1) F(m2) + ).(13)

Используя пояснения к схеме (фиг.З),

получим

а miVi jft.m2V2 + ZBx V2(14}

Решая уравнение (9) относительно ZBx,

получим

Rez7x -w-mi - sin (ai );

oi

a 1

Im Zbx - Q) ГП1 -- COS ((pat ) 0)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании динамических характеристик различных конструкций Цель изобретения - повышение точности измерения входного механического сопротивления конструкций за счет определения viучета при вычислениях массы части электродинамического вибратора, жестко закрепленной к точке исследуемой конструкции Это достигается тем, что модуль и фазу входного механического сопротивления вычисляют по формулам, являющимися функциями модулей и фаз векторов колебательных ускорений частей вибратора, жестко установленного нор- мально к поверхности исследуемой конструкции/совершающих колебательное движение относительно друг друга и их масс, предварительно определяемых перед производством измерений 4 ил., 1 табл.

/Zbx/-WV(mi JL)2+m2,2mi .m2(-|)cos()/

ГП2 - mi COS (pa- - )

ptbx arctg -I ,

(1 )5

С целью проверки работоспособности предлагаемого способа измерений входного механического сопротивления конструкции была изготовлена экспериментальная установка, блок-схема которой представлена на фиг.4.

На фиг.4 обозначены массивный корпус 1 электродинамического вибратора типа 11076 фирмы RFT, подвижный вибростер- жень 2 вибратора, податливая конструкция с входным механическим сопротивлением ZBX (3 - массивная стальная плита цилиндрической формы диаметром 270 мм и толщиной 40 мм, 4 - виброизоляторы типа Э СА-100,5 - массивный фундамент (железобетонный пол в лаборатории), акселерометры б и 7 типа ДН-3, с помощью которых производят измерения колебательных ускорений а(а2) корпуса (вибростержня) вибра- тора, датчик 8 силы типа ДС-3, усилитель 9 мощности типа LV-102 фирмы VEB, генератор 10 синусоидальных колебаний типа 1025, цифровой частотомер 11 43-36, изме- ритель-12 вибрации и шума типа ВШВ-003. переключатель 13 типа ПМФ, измеритель 14 разности фаз типа Ф2-28.

Результаты проведенных измерений входного механического сопротивления предлагаемым способом и способом-прототипом приведены в таблице.

Результаты эксперимента показывают, что предлагаемый способ измерения входного механического сопротивления конструкции позволяет увеличить точность измерения ZBx до 28%.

Формула изобретения

Способ измерения входного механического сопротивления конструкций, включающий измерение массы подвижной части вибратора, жесткую установку вибратора, нормально к поверхности исследуемой конструкции, возбуждение колебаний, измерение амплитуды и фазы вектора колебательного ускорения части вибратора, жестко закрепленной на поверхности исследуемой конструкции, измерение амплитуды и фазы вектора колебательного ускорения подвижной части вибратора, совершающей колебательное движение относительно закрепленной части вибратора, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений, дополнительно измеряют массу части вибратора, жестко прикрепля- емую к исследуемой конструкции, а входное механическое сопротивление рассчитывают по формуле

/Zbx/ W V(mi if Ґ + - 2 mi m2 (-fj- )cos ( ) (5);

ai

-mi- -COS(1 -prf)

mi JJsin (0a -pw)

aZ

ZBX - модуль и фаза входного механического сопротивления исследуемой конструкции;

Ш2 - масса части вибратора, жестко закрепленная на поверхности исследуемой конструкций;

ш( 17,73 НТтд 0,62 Н

. «. н «. нЛм. «. i

1

6

9

9

1,90 0,48 1,10 0,73 1,27 3,65 2,50 2,48 2,48 2,45 2,35 2,70 2,08 2,18 2,12 2,65 2,10 2,00 1,83 0,45

1,30

0,68

3,40

6,00

8,00

10,00

5,90

5,0

5,0

4,8

4,6

4,2

4,25

4,20

3,80

4,20

4,20

4,20

4,6

-14,3 -22,3 -39,4 286,6 -157,7 -175,0 183,6 181,4 -178,4 181,5 181,1 -179,9 179,2 182,0 -183,6 177,9 180,4 -181,9 182,7 -213,4

Ю

mi - масса части вибратора, совершающей колебательное движение относительно части вибратора, жестко закрепленной на поверхности исследуемой конструкции;

ai, 32- амплитуды векторов колебательных ускорений ai и аа инерционных масс mi и соответственно;

ра1, у7а2- фазы векторов колебательных ускорений ai инерциойных масс mi и т2 соответственно;

со- круговая частота гармонических колебаний вибратора.

3270

1940

1020

520

ЮбО

3370

5010

7260

9520

11970

14970

23230

23090

29120

41010

59270

59960

71330

76890

25070

2,6

4,9

9,1

6,0

-t6,8

-8,5

-7,7

-6,6

-6,6

-6,4

-6,4

-5,2

-6,7

-2.4

-5,9

-5,2

-6,5

-6,8

-27,8

fW

Фиг.1

7/гм;

; iti