Полигармонический анализатор Советский патент 1981 года по МПК G01R23/16 

(54) ПОЛИГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к электроизмерительной технике, предназначено лля одновременного синхронного определения полигармонических составляющих различных исследуемых процессов и может быть использовано в низкочастотной аппаратуре гармонического анализа, в частности, для эксперименталь ного исследования нестационарных характеристик воздушных судов в аэродинамических трубах активным способом

Известны гармонические анализаторы которые содержат задатчик вынужденных колебаний, преобразователь нагрузок, тензоусилитель, аттенюатор , две пары перемножающих мостов с фоторезис торами, каждая из. которых отделена от своего осветителя светонепроницаемым модулятором, жестко сочлененным с -валом задатчика, интеграторы, сумматор и регистрирую1вее устройство, мост постоянного тока с фоторезисторами, освещаемыми осветителем фоторезисторов первой пары перемножакхцих мостов; при этом выход синфазного моста соединен с сумматором, к второму входу которого подключен выход аттенюатора ГЦ .

Недостатком данного анализатора является неприспособленность для.исследования гармонических составляющих выше второго порядка, что не удовлетворяет задачам по выявлению более тонкой структуры полигармонического спектра исследуемых процессов.

Целью изобретения является повы- . шение точности измерения полигармонических составлякадих.

Поставленная цель достигается тем,

to что в полигармоническом анализаторе, содержащем задатчик вынужденных колебаний, синхронизированный с ним источник анализируемого сигнала, чэптико-механический узел, состоящий

15 из сочлененного с задатчиком вынужденных колебаний светового модулятора, выполненного в виде двух цилиндрических эксцентриков с экстремумами, сдвинутыми друг относительно

20 друга на 90°, разделяющего осветитель неизменной освещенности с конденсором и четыре фоторезистора, установленные попарно встык в плоскости , параллельной оси вращения

25 модулятора, источник постоянного напряжения, множительно-суммирующий блок в виде 2- п-1 (п - номер гармоники) пар, соединенных общими диагоналями перемножающих мостов с фо30торезисторами, одна пара которых

включена в канале первой гармоники, а общая диагональ, связанная со входом анализатора, подключена к источнику анализируемого сигнала, и 2«( п- 1) сумматора через 2« п интегратора соединенные с регистрирующим устройством, введены два подключенных к сточниху постоянного напряжения моста с фоторезисторами оптико-механического узла и четырьмя излучателями в соседних плечах, причем излучатели каждого из этих мостов оптически дифференциально .сопряжены с фоторезисторами соответствующих плеч перемножающих мостов множительно-суммиру кще го блок а.

На фиг. 1 представлена структурная схема полигармонического анализaTOpa на фиг. 2 - электрическая схема} на фиг.- 3 - вид оптико-механического узла.

Структурная схема фиг. 1) полигармонического анализатора включает задатчик вынужденных колебаний 1, оптико-механический узел 2, преобразователь 3, множительно-суммируювшй блок 4, .интеграторы 5, регистрирующее устройство 6, источник постоянного напряжения 7 и источник анализируемого сигнала 8.

Электрическая схема полигармонического анализатора (фиг. 2) состоит из пары мостов 9 и 10, образующих преобразователь 3 с фоторезисторами 11-1, 11-2, 11-3, 11-4, оптико-механического узла 2 и излучателями 12-1 12-2, 12-3, 12-4 в соседних плечах, подключенных к источнику постоянного напряжения 1;2 (п-1) (п - номер гармоники анализируемого сигнала)- пар перемножающих мостов с фоторезисторами в пассивных плечах, причем в канале первой гармоники (п-1). находится одна пара таких мостов 13 и 14, а в каждом канале высших гармоник (п 2) содержится по две пары Идентичных перемножающих мостов, соответственно в синусном синфазном .тракте 15 и 16 и в косинусном (квадратурном 17 и 18} 2 (п-1) сумматора по два 19 и 20 в каждом канале высших гармоник. Перемножающие мосты и сумматоры составляют множительно-суммирующий блок 4 анализатора.

Пары перемножающих мостов соединены общими исходными диагоналями и подключены: в канале первой гармоники - к источнику анализируемого сигнала 8, в канале второй гармоники к выходным диагоналям мостов канала первой гармоники, а в каналах высших гармоник, начиная с третьей,- к выходам сумматоров каналов предшествующих гармоник. Выходные диагонали перемножающих мостов каналов высших гармоник соединены с двумя входами своих сумматоров, причем в синусном тракте - согласно, а в косинусном противофазно. Выходы сумматоров вместе с выходами мостов канала первой гармоники связаны со в содами интеграторов, содержащимися соответственно по два - 21 и 22 в каждом гармоническом канале анализатора. Выходы последних связаны с многоканальным регистрирующим устройством 6.

Оптико-механический узел 2 полигармонического анализатора фиг. 3) содержит световой модулятор в виде двух жестко между собой связанных цилиндрических эксцентриков 23 и 24 с экстремумами, сдвинутыми друг относительно друга на 90. Вал модулятора сочленен с задатчиком вынужденных колебаний 1. Световой модулятор расположен между оптической системой состоящей из осветителя неизменной освещенности 25 с конденсором 26 и четыре фоторезисторов lll-l - 11-4), установленных попарно встЫк в плоскости, параллельной оси вращения светового модулятора, с которой срвпадают центральная ось оптической системы, а также линия соприкосновения попарно встык фоторезисторов. Диаметры цилинрическ:их эксцентриков 23 и 24 не превышают высоты светочувствительных площадок фоторезисторов. Конденсор 26 служит для создания равномерного светового потока. Все элементы оптикмеханического узла 2 заключены в единый светонепроницаемый кожух.

Излучатели 12-1 - 12-4 мостов 9 и 10 преобразователя части 3 оптически дифференциально сопряжены с фоторезисторами соответствующих плеч перемножающих мостов синусного и косинусного трактов множительно-суммируквдего блока 4.

Чтобы обеспечить анализатору хорошие динамические свойства в нем целесообразно использовать следующие элементы: в качестве осветителя неизменной освещенности в оптико-механическом узле 2 - лампу накаливания} в качестве излучателей в преобразователе 3 - неоновые лампы,и в то и в другом - малоинерционные фоторезисторы, а в качестве интеграторовфотокомпенсационные усилители.

Работает полигармонйческий анализатор следующим образом.

Анализируемый сигнал в виде напряжения Uit), пропорциональный, например, исследуемым аэродинами-ческим нагрузкам, воздействующим на модель летательного аппарата, можно представить в виде ряда Фурье: со

U(t) (aJ,)COSnшt), (i)

где постоянная составляющая

сигнала}

Ь - синфазная и квадратурная составляющие анализируемого сигнала; п - номер гармоники} - круговая частота. При вращении светового модулятора оптико-механического узла 2 с посто, янной угловой скоростью WJ цилиндрические эксцентрики 23 и 24 будут изменять световые потоки, падагадие от оптической системы на светочувствительные площадки фоторезисторов 1111-4 по гармоническим законам 51пад и costiut, что приведет к изменению сорротивлений этих фоторе.зисторов. Ввиду того, что наряду с фбторёзисторгили оптико-механического узла 2 в соседних плечах подключенных к источнику постоянного напряжения 7 мостов 9 и 10 содержатся излучатели 12-1 - 12-4, это приведет к пропорц ональному дифференциальному изменен их освещенностей. Излучатели 12-1 - 12-4 оптически сопряжены с фоторезисторами соответ ствующих плеч пар перемножающих мостов 13-18, и это ведет к пропорциональному изменению дифференциальным образом световых потоков последних и соответственно, их сопротивлений. В перемножающих мостах 13-18 реа лизуется известное свойство омических мостов осуществлять умножение сигнала во входной их диагонали на функцию изменения сопротивлений акт ных плеч с фоторезисторами. Мостовые схемы 13 и 14 канала пер вой гармоники ln-1) подсоединены общими входными диагоналями к источнику анализируемого сигнала U(t) 8, в связи с чем с их выходных диагоналей снимают электрические сигналы, пропорциональные : ,0, (t) U t) s i n Ш t, и kt) cos CJL t которые подключены к входным диагона лям перемножающих мостов 15-18 канала второй гармоники п-2). Сигналы с выходов мостов 15 и 17 подаются в противофазе на два входа сумматора 19, на выходе которого получают электрический сигнал, пропорциональный) и t) cos 2uut Сигналы с выходов мостов 16 и 18 подаются синфазно- на два входа сумматора 20, и на его выходе UjQVt) SU t)- cos UJ t s i nuu t + + ) sinuut -cosuut s U(t) X X sin 2u)t/ у В результате получают электрические сигналы, кратные произведению анализируемого сигнала на гармонические функции его второй гармоники. Подобным образом получают электри ческие сигналы, пропорциональные про изведению анализируемого сигнала на гармонические зависимости любой высшей гармоники n. Это достигается тем, что на вход сумматора 19 косинусного квадратурного тракта этой гармоники n протииофазно-встречно подаются сигналы с соответствующих перемножающих мостов предшествующей гармоники (п-1), и на его выходе (t) U(t) cos (n-1 )tJOt-cosiwt -U(t)sin(n-l)u) ncet5U( t). cosnoyt (6) a на входы сумматора 20 синусного (синфазного) тракта синфазно (согласно) подаются сигналы предшествующей гармоники (п-1), и на его выходе п .) и V t) cos k п-1) tw t s i n UJ t + + ) sin (n-l)tot cosout U(t) X X s i n nWt ,/., Выходные сигналы с мостов 13 и 14 канала первой гармоники,а также с сумматоров 19 и 20 -каналов высших гармоник подаются на входы соответствующих интеграторов 21 и 22, нг выходах которых после интегрирования выражений 2), (3), (4), v5), 6) и (7) получают коэффициенты ряда Фурье а., , Ь , 2. ....a,, bf,, фиксируемые регистрирующим устройством 6. Таким образом, при непрерывном вращении вала задатчика вынужденных колебаний 1 с угловой скоростью w синхронизированный с круговой частотой светового модулятора оптико-механического узла 2 и с источником анализируемого сигнала 8, на выходе анал,изатора одновременно измеряют полигармонические составляющие этого сигнала любого высшего порядка. При этом благодаря строгой синфазности во всех каналах синусного и косинусного трактов анализатора точность его работы оказывается достаточно высокой. Последнему обстоятельству способствуют развязка электрических цепей элементов анализатора, исключающая их импедансное взаимовлияние, и осуществление этой связи путем, которому присуща хорошая помехозащищенность. Оптико-механический узел 2 обладает компактностью, что позволяет легко сочетать его с внутримодельными устройствами гармонического анализа,Использование дифференциального принципа изменения параметров рабочих элементов анализатора устраняет температурные погрешности. Формула изобретения Полигармонический анализатор, содержащий задатчик вынужденных колебаний, синхронизированный с ним источник анализируемого сигнала, оптико-механический узел, состоящий из сочлененного с задатчиком вынуженных колебаний световог о модулятора виде двух цилиндрических эксцентриков с экстремумами, сдвинутыми друг относительно друга на 90 , разделяющего осветитель неизменной освещенности с конденсором,., , и четыре фоторезистора, установленные попарно встык в плоскости, параллельной оси вращения модулятора, источник постоянного напряжения, множительно-суммирукадий блок в виде 2- п-1 (п - номер гармоники) пар, соединенных общими диагоналями перемножающих мосто с фоторезисторами, одна пара которых включена в канале первой гармоники, а общая диагональ, связанная со вхоiiOM анализатора, поключена к источнику анализируемого сигнала, и 2 х X п-1) суммато;ра, через 2.п интегратора соединенные с регистрирующим

устройством, отличающийс я тем, что, с целью повышения- точности измерения полигармонических составлякщих, в него введены два подключенных к источнику постоянного напряжения моста с фоторезисторами оптико-механического узла и четырьмя излучателями в соседних плечах, причем излучатели каждого из этих мостов оптически дифференциально сопряжены с фоторезисторами соответствующих плеч перемножающих мостов множительно-суммирующего блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Ф.

2S