Устройство для измерения жесткости упругих элементов

СООЭ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 445 0 191 (11) А 1 1 М 7/00// С О С 25сфд т;КЙЙ."-1" ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ В.М.Суминов,Клейменов 49 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(71) Московский авиационный технологический институт им. К.Э.Циолковского(54) УСТРОЙСТВО ДПЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ(57) Изобретение относится к измерительной технике. Устройство дляизмерения жесткости упругих элементов позволяет повысить точность иэмерения за счет компенсации фазовыхпогрешностей элементов устройства,влияющих на результат измерения.Возбудитель 10 колебаний, воэбуждаеиюх сигналами управляемого генератора 8 через усилитель 9 с регулируемым коэффициентом усилия, вызываетколебания контролируемого упругогоэлемента 20. С датчикавиброскорости сигнал через коммутатор 2, усили-телв 3, фазовый детектор 4, усили,тель 5, интегратор 6, коммутатор 7,а также выпрямитель 11, сумматор 12,коммутатор 1.3 управляет частотой иамплитудой сигнала с выхода управляемого генератора 8. В установившемся режиме измерите 3 тьная система,образованная датчиком 1 виброскорости и возбудителем 10 колебаний, закрепленными на контролируемом элементе 20, будет колебаться с частотой, равной собственной, с заданнойамплитудой. Для компенсации фазовыхсдвигов, присущих элементам 3,4,8,9,10, во втором такте измерения аналоговые запоминающие блоки 14, 15переводятся по сигналам блока 19управления сначала в режим выборки,244530а затем - считывания, коммутаторы 2,7,13 - в положение, противоположное исходному. В результате при наличии фазовых погрешностей элементов устройства аналоговый запоминающий блок 16 запоминает напряжение, пропорциональное этой погрешности с выхода интегратора 6На третьем этапе измерения в процессе настройки на собственную частоту колебаний учитыва" ются фазовые погрешности устройства,пропорциональный им сигнал поступает на второй вход суммирующего усилителя 5. По собственной частоте колебаний измерительной системы вычислитель 17 вычисляет жесткость, которая индуцируется бло-, ком 18. 1 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может. быть использовано для измерения жесткости упругих элементов в приборостроении, например элементов гироскопических 5 ,.приборов.Цель изобретения - увеличение точности измерений жесткости за. счет компенсации фазовых погрешностей элементов устройства, влияющих О на результат измерения.На чертеже изображена блок-схема устройства.Устройство содержит последовательно соединенные датчиквиброскорос" 5 ти, первый коммутатор 2, предварительный усилитель 3, фазовый детектор 4, второй суммирующий усилитель5, интегратор 6, третий коммутатор7, управляемый генератор 8, усилитель 9 с регулируемым коэффициентомусиления, магнитозлектрический возбудитель 10 колебаний. Устройствосодержит также последовательно соединенные выпрямитель 11, первый суммирующий усилитель 12 и второй коммутатор 13, первый 14, второй 15 итретий 6 аналоговые запоминающиеблоки, последовательно соединенные вычислитель 17 жесткости и отсчетный блок 18, блок 19 управления. Первый вход фазового детектора 4 подключен 2к предварительному усилителю 3, вт 6- рой вход - к второму входу управляемого генератора 8, выход фазового детектора 4 подключен на лервмй вход второго суммирующего усилителя 5, выход интегратора б подключен на первый вход третьего коммутатора 7 и на информационные входы второго 15 и третьего 16 аналоговых запоминающих блоков, выход второго аналогового запоминающего блока 16 подключен к второму входу второго суммирующего усилителя 5 . Первый выход управляемого генератора 8 подключен к первому входу усилителя 9 с регулируемым коэффициентом усиления и к первому входу вычислителя 17 жесткости. Выпрямитель 11 подключен к выходу предварительного усилителя 3, его выход подключен к первому входу суммирующего усилителя 12, а выход первого суммирующего усилителя 12 подключен к первому входу второго коммутатора 13 и к входу первого аналогового запоминающего блока 14, выход первого аналогового запоминающего блока 4 подключен к второму входу второго коммутатора 3, Выход второго коммутатора 13 подключен к второму входу усилителя 9 с регулируемым коэффициентом усиления. Датчик 1 виброскорости подключен к первому входупервого коммутатора 2, выход по току возбудителя 10 колебаний подключен к второму входу первого коммутатора 2, Датчик 1 виброскорости и возбудитель 10 колебаний образуют измерительную систему, которая закреплена на контролируемом упругом элементе 20. Блок 19 управления подключен к вторым входам первого суммирующего усилителя 12, вычислителя 17 жесткости и интегратора 6, управляющие входы первого 2, второго 13 и третьего 7 коммутатора, а также к первому, второму и третьему управляющим входам первого 14, второго 15 и третьего 16 запоминающих блоков соответственно.В процессе работы устройства коммутаторы 2,7 и 13 могут находиться в одном из двух возможных состояний. При отсутствии напряжения на управляющих входах первый информационный вход коммутатора соединен с его выходом, при наличии напряжения второй информационный вход коммутатора соединен с его выходом.Аналоговые запоминающие блоки 14- 16 могут работать в режимах сброса накопленной информации, выборки, хранения, считывания и выборки-считывания. Выбор соответствующего режима производится подачей сигнала управления на один из трех управляющих входов. Первый вход служит для. перевода аналогового запоминающего устройства в режиме сброса, второй - в режим выборки или хранения, третий - в режим считывания. Если сигнал управления одновременно поступает на второй и третий входы, то аналоговое запоминающее устройство работает в режиме выборки-считывания.Управление интегратором 6 производится подачей сигнала на его вто,рой вход. При этом происходит сброс накопленной информации.Сигнал от блока 19 управления на втором входе управляемого генератора 8 задает начальное значение частоты колебаний, сигнал на втором входе суммирующего усилителя 12 устанавливает заданное значение амплитуды колебаний, сигнал на втором входе вычислителя 17 жесткости .вводит. моментинерции в вычислитель. Управляемый генератор 8 имеет два квадратурных выхода.1Устройство работает следующим образом,В исходном состоянии коммутаторы2,7 и 13 находятся в исходном положении. Сигнал с блока 19 управленияна втором входе управляемого генератора 8 соответствует заданному значению начальной частоты колебаний,сигнал на втором входе суммирующегоусилителя 12 - заданному значениюамплитуды колебаний, сигнал на вто 10 ром входе вычиСлителя 17 жесткости -моменту инерции измерительной систе-.мы , интегратор 6 и аналоговые запоминающие блоки 14 - 6 обнулены,Весь цикл измерения.разбит на триэтапа. На первом этапе производится определение собственной часто. -ты колебаний с ошибкой, определяемой фазовыми погрешностями элементов измерителя, на втором этапе -определение и запоминание напряжения, пропорционального ошибке измерения собственной частоты,на третьемэтапе - измерение собственной частотыс одновременной компенсацией фазоВых25 погрешностей,Первый этап работы происходитследующим образом.Управляемый генератор 8 формируетколебания с частотой, пропорциональной напряжению на его втором входе.Синусоидальное напряжение на первомвыходе генератЪра 8 усиливается вусилителе 9 и поступает на обмоткувозбудителя 10 колебаний. Возбудитель 1 О колебаний преобразует входЗ 5 ное напряжение в момент, пропорциональный току, протекающему по обмотке возбудителя колебаний. Под действием приложенного момента измерительная система вместе с контролиру 4 О емым упругим элементом 20 совершаетколебания с частотой, равной частотесигнала генератора 8. Колебания измеряются датчиком 1 виброскорости.Сигнал с датчика 1 виброскорости,пройдя через коммутатор 2 и усили-тель 3, поступает на первый вход фазового детектора 4. На второй входфазового детектора . 4 поступает опорный сигнал прямоугольной формы с1второго выхода генератора 8. Фазовыйдетектор 4 вырабатывает сигнал в зависимости от сдвига фаз сигналов наего входах, причем если сдвиг фазмежду опорным сигналом и напряжениемо55 на первом входе меньше 90 , на выходе фазового детектора возникает постоянная составляющая напряжения положительного знака, при сдвиге фаз, 1244530Фравным 90, постоянная составляющая напряжения равна нулю, если сдвиг фаз больше 90 , возникает напряжение с постоянной составляющей отрицательного знака. Таким образом, фазовый детектор является индикатордм 90 сдвига между напряжениями на его первом и втором входах. В свою очередь, фазовый сдвиг, равный 90, . 1 О соответствует колебаниям измерительной,системы с частотой, равной ее собственной частоте колебаний Г, .Если, например, колебания измерительной системы происходят с частотой, меньшей 1 , то в этом случае постоянная составляющая на входе детектора 4 вызывает увеличение выходного напряжения интегратора 6, а следовательно, и увеличение частоты генератора 8 В какой-то момент времени частота генератора 8 сравнивается с собственной частотой колебаний измерительной системы и постоянная составляющая на выходе фазового де- р 5 тектора 4 становится равной нулю,и увеличение напряжения на выходе интегратора 6.прекращается. В этом состоянии в системе стабилизируются колебания с частотой, равнойЗО собственной частоте колебаний.В процессе .приближения к резонансу амплитуда колебаний возрастает. Чтобы стабилизировать амплитуду колебаний измерительной системы на заданном уровне, используется усили 35 тель 9 с регулируемым коэффициентом усиления и цепочка, состоящая из выпрямителя 11, суммирующего усилителя 12 и коммутатора 13. Напряжение,40 соответствующее амплитуде колебаний, .измеряется на выходе предварительного усилителя 3, выпрямляется и поступает на вход суммирующего усилителя 12. Если амплитуда колебаний не равна заданной, то на выходе усилителя 1245 появляется сигнал рассогласования соответствующего знака, что приводит к изменению коэффициента передачи усилителя 9Этот процесс продолжается до тех пор, пока амплитуда колеба. 5 О ний измерительной системы не будет равна заданной.В рассмотренном режиме измерение собственной частоты колебаний производится с некоторой ошибкой. Погреш ность измерения возникает иэ-за фазовых сдвигов, вносимых в систему управляемым генератором 8, усилителем 9 с регулируемым коэффициентом усиления, возбудителем 10 колебаний,предварительным усилителем 3 и фазовым детектором 4.Второй этап измерения происходитследующим образом.По сигналу с блока 19 управления,поступающего навторые управляющиевходы аналоговых запоминающих блоков 14 и 15, блоки 14 и 15 переводятся в режим выборки. Запоминающие блоки выбирают напряженое, соответствующее амплитуде и частоте колебаний измерительной системы. Послеэтого коммутаторы 7 и. 13 переводятся в положение, противоположное исходному, а аналоговые запоминающиеблоки 14 и 15 по сигналу с блока 19 управления на их третьем входе переводятся в режим считывания. В результате в системе сохраняется прежний режим колебаний. Затем на второй вход интегратора 6 кратковременно подается сигнал обнуления. Послеобнуления интегратора 6 коммутатор 2 переводится в положение, противоположное исходному, на первый и третий управляющие входы блока 16 подаются сигналы управления и аналоговый запоминающий блок 16 переводитсяв режим выборки-считывания сигналас интегратора 6, Переключение ком-.мутатора 2 дает возможность подключить к фазовому детектору 4 те эле- . менты, которые являются источником фазовых погрешностей измерителя. При отсутствии Фазовых погрешностей сдвиг Фаз сигналов на первом и втооом входах фазового детектора 4 равен 90 ио постоянная составляющая сигнала на выходе фазового детектора 4 равна нулю. При наличии фазовых погрешностей появляется постоянная составляющая напряжения. Это напряжение через суммирующий усилитель 5 поступает на интегратор 6, и сигнал на выходе интегратора 6 начинает возрастать. Поскольку аналоговый запоминающий блок 16 работает в режиме выборки- считывания, то сигнал с интегратора 6, пройдя блок 16, поступает на второй вход суммирующего усилителя 5. В результате напряжения на выходе суммирующего усилителя 5 начинает. уменьшаться, и когда сигнал с аналогового запоминающего блока 16,на втором суммирующем усилителе 5, скомпенсирует сигнал с фазового де12445 тектора на его первом входе, увеличение напряжения на выходе интегра-.тора 6 прекращается. По сигналу сблока 19 управления аналоговый запоминающий блок 16 переводится в 5режим считывания, для чего с еговторого входа снимается управляющее напряжение. При этом аналоговыйзапоминающий блок 16 запоминает иформирует на втором входе суммирующего усилителя 5 напряжение, пропорциональное фазовой погрешностиустройства. По сигналу с блока 19управления интегратор 6 обнуляется.Третий этап происходит следующим образом,На третьем этапе производитсяизмерение собственной частоты колебаний измерительной системы сконтролируемым упругим элементом,компенсация фазовой погрешностиустройства, расчет и индикация жесткости упругого элемента. Для этогокоммутаторы 2,7 и 13 перечодятсяв исходное положение и повторяетсярассмотренный процесс поиска собственной частоты колебаний. Поскольку в процессе настройки на собственную частоту на втором входе суммирующего усилителя 5 имеется напряжение, запомненное блоком 16 и равное фазовой погрешности, в системе.устанавливается режим колебаний, прикотором фазовый сдвиг между сигналами равен Устройство для измерения жесткости упругих элементов, содержащеедатчик виброскорости, последователь О но соединенные предварительный усилитель и фазовый детектор, интегратор,управляемый генератор, второй входкоторого подключен к второму входуфазового детектора , усилитель с ре гулируемым коэффициентом усиления,первый вход которого соединен с первым выходом управляемого генератора,возбудитель колебаний, подключенныйк выходу усилителя с регулируемымкоэффициентом усиления, выпрямитель,подключенный к выходу предварительного усилителя, сумматор, подключенный к выходу выпрямителя, вычисли.тель жесткости, первым входом соединенный с первым выходом управляемого генератора, отсчетный блок, соединенный с выходам вычислителяжесткости, блок управления, выходыкоторого соединены соответственнос вторыми входами суммирующего усилителя, вычислителя жесткости, управляемого генератора, интегратора,отличающееся тем, что,с целью увеличения точности измерений за счет компенсации фазовых погрешностей измерения, устройство снаб 9 =90о 5 О рым суммирующим усилителем, первый где -Ч, - фазовая погрешность измерительных цепей.Таким образом, в процессе поиска собственной частоты колебаний сдвига происходит компенсация погрешностей, возникающая вследствие фазовых сдвигов в управляемом генераторе 8, усилителе 9 с регулируемым коэффициентом усиления, возбудителе 10 колебаний, предварительном усилителе 3 и фазовом детекторе 4.С выхода управляемого генератора 8 снимается сигнал собственной частоты колебаний и поступает в вычисли. тель 17 жесткости.Вычислитель 17 жесткости реализует следующий алгоритм вычислений: 30 8где К - жесткость упругого элемента;- момент инерции измерительной системы.Величина вычисленной жесткости индицирует с помощью .отсчетного блока 18. После окончания процесса измерений по сигналу с блока 19 управления производится обнуление аналоговых запоминающих блоков 14 - 6 и интегратора 6. Измеритель готов к новому циклу измерения жесткости. грФормула изобретения жено первым, вторым и третьим коммутаторами на два информационныхвхода, первым, вторым и третьим аналоговыми запоминающими блоками, втовход первого коммутатора подключенк датчику виброскорости, его второйвход подключен к выходу возбудителя колебаний, выход первого коммутатора подключен к предварительному усилителю, выход первого суммирующего2) усилителя подключен к первому входувторого коммутатора и входу первого,Тираж 778Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4 9 12445 аналогового запоминающего блока, выход первого аналогового запоминающего блока подключен к второму входу второго коммутатора, выход второго коммутатора подключен к второму вхо- ду усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход фазового детектораподключен к первому входу второго суммирующего усилителя, выход второго суммирующего усилителя подключен к входу интегратора, вы-. ход интегратора подключен к входам второго и третьего аналоговых запоминающих блоков и первому входу треть-: 30 1 Оего коммутатора, выход второго аналоговогозапоминающего блока подключен к второму входу третьего коммутатора, выход третьего аналогового запоминающего блока подключен к второму входу- второго суммирующего усилителя, выходы блока управления подключены соответственно к управляющим входам первого, второго и третьего коммутаторов и к первому, второму и третьему уп, равляющим входам первого, второго и третьего аналоговых запоминающих блоков,