Устройство для контроля состояния объекта в процессе усталостных испытаний Советский патент 1992 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к исследованиям прочностных свойств материалов, а именно к устройствам для контроля состояния конструкций в процессе усталостных испытаний.

Известно устройство для измерения усталостной долговечности конструкции, содержащее последовательно соединенные датчик деформации фильтр с перестраиваемой характеристикой, измеритель среднеквадратичных отклонений, блок управления, регулятор, датчики режимов, счетчик импульсов и блок индикации

Недостатками устройства являются низкая чувствитепьность и ограниченные функциональные возможности, так как не учитывается изменение упруговязких свойств конструкции (фазовое запаздывание деформации относительно силы) в про цессе испытаний Поэтому такое устройство не пригодно для определения например, появления пластических деформаций на ранней стадии усталости

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для контроля состояния объекта в процессе усталостных испытании содержащее тензорезисторные датчики нагрузки и деформации, элемент сравнения с включенными на его входах средствами масштабирования сигналов датчиков в виде нормирующих усилителей и регистрирующий прибор.

Недостаток известного устройства заключается в невысокой точности определения повреждения испытуемого объекта при приложении к нему знакопеременной нагрузки. Это связано с искажением формы кривой деформации, обусловленным нелинейностью характеристик испытуемых объектов в процессе накопления усталостных повреждений и наличием фазовых сдвигов гармонических составляющих сигнала деформации относительно сигнала нагруже- ния. Оценка повреждаемости испытуемого объекта значительно усложняется при воздействии па него одновременно постоянной и переменой нагрузки, так как при этом необходимо обеспечить одновременное сравнение постоянной и переменной составляющих сигналов датчиков силы и деформации.

Цель изобретения - повышение точности устройства за счет обеспечения начала регистрации одновременно с началом нагрузки в течение се периода.

Цель достигается тем, что устройство снабжено формирователем, включенным между первым нормирующим усилителем и первым входом элемента сравнения, и аналого-цифровым преобразователем, включенным между вторым нормирующим усилителем и вторым входом элемента сравнения.

Включение в состав устройства формирователя, на вход которого поступает информация о нагрузке, и аналого-цифрового преобразователя, на вход которого подается сигнал о деформации, позволяет с помощью сравнивающего устройства, выполненного, например, на микропроцессоре, с высокой точностью выделить первую гармоническую составляющую сигнала деформации с учетом фазового сдвига ее относительно сигнала нагрузки. Затем первая гармоника вычитается из сигнала датчика деформации, представляющего сумму ряда гармонических составляющих, и по соотношению между суммой квадратов высших гармоник и квадратом первой гармоники производится оценка состояния конструкции Б процессе усталостных испытаний.

При этом нет необходимости о последовательном выделении каждой гармонической составляющей сигнала деформации, что значительно повышает быстродействие устройства.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для контроля состояния объект а-в процессе усталостных испытаний; на фиг. 2 - блок-схема алгоритма работы

микропроцессора; на фиг. 3 - график зависимости коэффициента повреждаемости от числа циклов нагружения.

Устройство содержит датчик 1 нагрузки, прикладываемой к испытуемому объекту 2

при помощи силовозбудителя 3, тензорези- сторные датчики 4 деформации испытуемого объекта 2, нормирующие усилители 5 и 6, соединенные с выходами датчиков нагрузки 1 и деформации 4 соответственно.1 Выход

нормирующего усилителя 5 соединен с вхо- док формирователя 7, выход которого подключен к первому порту ввода микропроцессора 8. К второму порту ввода подключен выход аналого-цифрового преобразователя

9, вход которого соединен с выходом норми- рующего усилителя 6.

Устройство работает следующим образом.

С помощью силовозбудителя 3 к исследуемому объекту прикладывается нагрузка, изменяющаяся по гармоническому закону, которая измеряется с помощью датчика 1 нагрузки, Сигнал на выходе датчика I нагрузки:

Un(t} UH макс COS Qi t l- UNO. (1J

Деформация объекта контролируется с помощью датчика 4 деформации, сигнал на выходе которого имеет вид:

иа( идмакс/i 1

3in(Qi t +«0 ). (2)

где i - порядковый номер гармонической составляющей сигнала, снимаемого с выхода датчика деформации:

р - фазовый сдвиг i-й гармоники сигнала деформации относительно нагрузки. Сигнал на выходе АЦП:

иэ(гО 5) U9 макс, Sin ( Qi tj +

50

i 1

(A) + Ugo.

(3)

где j - номер отсчета сигнала с выхода АЦП Сигнал Ut-i(t) усиливается нормирую- щим усилителем 5 и подается на вход формирователя 7, на выходе которого по моментам перехода сигнала Un(t) через нуль формируется импульс напряжения с длительностью, равной периоду сигнала нагрузки Т -р- Этот сформированный импульс подается на первый порт ввода микропроцессора 8 (порт AI) Дискретные отсчеты Uj(tj), снимаемые с выхода АЦП 9, подаются на второй порт ввода микропроцессора 8 (порт Аа).

Микропоцессор 8 выделяет из сигнала Uj(ti) первую гармонику сигнала деформации с частотой QI и углом сдвига фаз pi относительно сигнала нагружения

Ugl(tj) Ug мака COS ( Q Tj + (fl ). (4)

Затем из сигнала (3) вычитается сигнал (4), где в результате получается сигнал вида

DJ - значение j-ro отсчета сигнала с выхода АЦП

Блок 4 по окончании сигнала на входе порта ввода AI реализует вычисление постоянной составляющей во йходном сигнале по формуле

II - S

Uao -

Jgo

m

10

Блок 5 реализует алгоритм выделения амплитуды первой гармоники Ug макс и ее фазы pi.

Блок 6 вычисляет центрированные отсчеты входных сигналов

Изобретение относится к исследованиям прочностных свойств материалов, к устройствам для контроля состояния конструкций в процессе усталостных испытаний Цель изобретения - повышение точности за счет обеспечения начала регистрации однозремрнно с началом нагрузки в течение ее периода. Устройство позволяет повысить гоиность оценки состояния исслэдуемой конструкции за счет выполнения устройства сравнения в виде мик ропроцессора, на входы которого информация о нагрузке поступает через формирователь, а о деформации - через аналого-цифровой преобразователь При этом с высокой точностью выделяется пер вая гармоническая составляющая ситалг деформации с учетом фазового сдсига et относительно сигнала нагрузки Затем пер вая гармоника вычитается из сигнала деформации, представляющего сумму ряда гармонических составляющих, и по соотно шению между суммой квадратов высших гармоник и кзадратом первой гармоники оценивается состояние конструкции в процессе усталостных испытаний Одновременно повышается быстродействие устройства, так как при этом нет необходимости в последовательном выделении каждой гармонической составляющей сигнала деформации 3 ил

00Cj Ugi-Ugo,j 1. ГП

UOCT(TJ) 2 Ug макс, COS ( Q tj + (p, ). (5)

1 2и квадраты разностей:

20 Сигнал (5) возводится в квадрат, интегриру-Р С, - Ug ,,«/ COS ( Q,- t, + )2,

а затем осуществляет определение среднего значения

т 2л ется и усредняется за период Т -от пол

учим:

1 °°

Рср TjT Ug мзкг 1

Ј. , - п

Значение (6) делится на квадрат амплитуды первой гармоники, в результате чего на выходе микропроцессора формируется величина Кп, определяемая соотношением:

Кп

ср

UgM3KC

(7)

Значение Кп (коэффициент повреждаемости) является мерой повреждаемости испытуемого объекта и контролируется прибором 9.

График зависимости Кп в функции числа циклов нагружения представлен на фиг, 3,

Алгоритм работы микропроцессора (фиг, 2) заключается в следующем.

Блок 1 анализирует наличие сигнала на входе порта ввода AL

Блок 2 при наличии сигнала на входе порта ввода AI осуществляет опрос порта ввода А2, на вход которого поступает сигнал с выхода аналогоцифрового преобразователя 9.

Блок 3 осуществляет запоминание дискретных отсчетов сигнала с выхода аналого-цифрового преобразователя, подсчитывает их количество и вычисляет сумму:

-§

D,,

1 где m - количество дискретных отсчетов за

т 2я период Т -Јjp ;

25

Рср -

m

§ fCj - Ug макс/ COS ( Q,- tj + gnj )2

од и вычисляет коэффициент повреждаемости по формуле

Кг

ср

и

дмакс /

блок 7 выводит результаты вычислений на регистратор

Предлагаемое устройство позволяет с высокой точностью определить первую гар0 мони,у сигнала деформации и ее фазовь сдвиг относительно сигнала нагрузки, вследствие чего повышается точность выделения высших гармонических составляю- щих из сигнала деформации, и как

5 следствие, повышается точность контроля состояния объекта в процессе усталостных испытаний, основанного на измерении уровня высших гармонических составляю- щих в спектр сигнала деформации

0Коэффициент повреждаемости определялся экспериментально для круглых образ- . цов с отверстием и плоских образцов с отверстием или вытачками из материалов ст ЗОХГСА, Д16,

5В начале испытаний Кп составлял порядка 0 3 %, а в момент разрушения образца достигал значения 15% Сигнал деформации преобразовывался в код с помощью 12- разрядного АЦП типа Формирователь выполнен на компараторе 521СА4

Формула изобретения Устройство для контроля состояния объекта в процессе усталостных испытаний, содержащее датчики нагрузки и деформации предназначенные для установки на испытуемом объекте, подключенные к датчикам нагрузки и деформации соответственно первый и второй нормирующие усилители и последовательно соединенные элемент сравнения и регистратор, отличаю щееKRi

ff

tern

ИЗ

dju&2 Редактор М Бандура

Фи&З

Составитель Г.Лукашевич

Техред М МоргенталКорректор С.Лисина

0

с я тем. что, с повышения точности за счет обеспечения начала регистрации одновременно с началом нагрузки в течение ее периода, оно снабжено формирователем, включенным между первым нормирующим усилителем и первым входом элемента сравнения, и аналого-цифровым преобразователем, включенным между вторым нормирующим усилителем и вторым входом элемента сравнения,

в

Фиг. 1

ОЛ й5 иб О.Т

так

Фи&З