Устройство для измерения характеристик внутреннего трения

1552067 плитудно-частотных зависимостей внут.реннего тренин -при меняющихся условиях испытаний. Устройство построено на принципе измерительного преобра 5 эования с уравновешиванием, который обеспечивается путем осуществления обратных связей по Фазе, амплитуце и собственной частоте колебаний, Собственная частота Ы, колебаний систе мы определяется параметрами образца и контура электрической пружины, образованного последовательно соединенными датчиком 2 виброскорости предварительным усилителем 3, диф еренцирующим усилителем 15, вторым регулируемым усилителем 16, первым Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в машиностроении и приборостроении для исследования амплитудно-частотной зависимости внутренне 25 го трения материалов.Целью изобретения является повышение точности и информативности соответственно за счет компенсации погрешностей от нестабильности,элементов измерительной системы, компенсации уровня сигнала и крутизны Фазовой характеристики и за счет непрерывного получения амплитудно-частотных зависимостей внутреннего трения при меняюшихся условиях испытаний.На чертеже представлена структурная схема устройства.Устройство содержит основание 1 для закрепления испыть,ваемого образца (не показан), последовательно соединенные датчик 2 виброскоростипредварительный усилитель 3, фазовый детектор 4, фильтр 5 нижних частот (ФНЧ), параллельно соединенные 45 первый 6 и второй 7 компараторы, входы которых соединены с выходом ФНЧ 5, последовательно соединенные интегратор 8, входом соединенный с выходами компараторов 6 и 7, ключ 9 на два положения, управляемый генератор 10, первый регулируемый усилитель 11, первый, сумматор 12 и возбудитель 13 колебаний, управляемый фазовращатель 14, вход которого соединен с вторым выходом управляемого ге" .нератора 10, а выход - с опорным вхо" дом фазового детектора 4, последовательно соединенные дифференцирующий сумматором 12 и возбудителем 13 колебаний, Управление частотой Сдщосуществляется контуром фазовой автоподстройки частоты управление амплитудой колебаний образца, задаваемойисточником 21 опорного напряжения,стабилизатором амплитуды колебаний,образованным последовательно соединенными выпрямителем 18 и вторым сумматором 19. Измерение при меняющихся амплитуде или температуре осуществляется измерением частоты колебаний, соответствующей Фазовому сдвигу 45 при медленном изменении меняющегося параметра, что пропорционально внутреннему трению. 1 ил. усилитель 15, входом соединенный свыходом предварительного усилителя,3,и второй регулируемый усилитель 16,выходом соединенный с вторым входомпервого сумматора 12, аналоговый запоминающий блок 17, вход которого соединен с вторым выходом ключа 9, авыход - с первым управляющим входомвторого регулируемого усилителя 16,последовательно соединенные впрямитель 18, входом соединенный с вы-.ходом предварительного усилителя 3,и второй сумматор 19, выходом соединенный с управляющим входом первогорегулируемого усилителя 11, первыйуправляемый делитель 20, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора 19, источник 21 опорно-го напряжения, выход которого соединен с информационным входом первогоделителя 20, второй 22 и третий 23управляемые делители, информационные входы которых соединены с,выходом источника 21, а выходы соединенысоответственно с вторым управляющимвходом второго регулируемого усилителя 16 и с вторым входом управляемогогенератора 10, и блок 24 управления,выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого 20, второго 22 и третьего 23 делителей, запоминающего блока 17, интегратора 8, Фазовращателя 14 и ключа9, а вход соединен с выходами компараторов 6 и 7,Управляемый фазовращатель 14 обес"печивает фазовые сдвиги сигнала управляемого генератора 10, последовательно соединенные дифференцирующий552067 . 6второй регулируемый усилитель 16, где преобразуется в соответствии с установленным коэффициентом передачи и поступает на второй вход первого5сумматора 12. В результате собственная частота колебаний системы определяется параметрами образца и контура, образованного датчиком 2 виброскорости, предварительным усилителем 3, дифференцирующим усилителем 15, вторым регулируемым усилителем 16, первым сумматором 12 и возбудителем 13 колебаний: 5усилитель 15 и второй регулируемыйусилитель 16 образуют управляемыйдифференциатор, коэффициентом передачи которого управляет запоминающий блок 17, работающий в режимахсброса накопленной информации, выборки, хранения и считывания, начальное значение крутизны дифференциатора устанавливается вторым делителем 22, последовательно соединенные выпрямитель 18 и второй сумматор 19 образуют стабилизатор амплитуды колебаний, управляющий амплитудой колебаний испытуемого образца, заданное значение амплитудыустанавливается первым делителем 20.Последовательно соединенные источник 21 и первый делитель 20 образуют задатчик амплитуды. Заданноезначение частоты колебаний устанавливается третьим делителем 23. Контроль состояния контура фазовой автоподстройки частоты, образованного последовательно соединенными фазовым детектором 4, ФНЧ 5, паройкомпараторов 6 и 7, интегратором 8,ключом 9 и управляемым генератором10, осуществляется блоком 24 управления по сигналам с компараторов 6и 7. В исходном состоянии ключ 9 замкнут на вход запоминающего блока 17,интегратор 8 и запоминающий блок 17обнулены,15 Устройство работает следующим образом.По сигналам с блока 24 управления устанавливаются коэффициенты первого 20, второго 22 и третьего 23 делителей, соответствующие заданным значениям амплитуды А частоты колебаний Я и собственной частоты колебаний, и фазовый сдвиг фазовращателя 14, равный нулю. Управляемый генератор 10 формирует напряжение заданной частоты, которое через первый регулируемый усилитель 11 и первый сумматор 12 поступает на возбудитель 13 колебаний, Образец начинает колебаться с заданной частотой, и с датчика 2 виброскорости снимается сигнал, который усиливается предварительным усилителем 3 и поступает на информационный вход фазового детектора 4, на выпрямитель 18 и на дифференцирующий усилитель 15. Напряжение с дифференцирующего усилителя 15 подается на где К о - жес тк ость образ ца,1 - момент инерции образца;Т.,К- коэффициенты передачи соответственно датчика 2 виброскорости, предварительного усилителя 3, дифферен цирующего усилителя 15, второго регулируемого усилителя 16, первого сумматора 12и возбудителя 13 колебаний,образующих контур электри ческой пружины.Таким образом, в формулу (1) входят коэффициенты передачи лишь техэлементов, которые обеспечивают формирование сигнала для управления собственной частотой колебаний системы,ее собственная частота колебаний зависит от коэффициентов передачи отдельных элементов контура электрической пружины. Если собственная часто та колебаний системы не равна частоте колебаний образца, то фазовыйсдвиг сигналов на информационном иопорном входах фазового детектора 4отличен от нуля, в результате на его 45 выходе появляется сигнал, постояннаясоставляющая которого выделяется ФНЧ5. При положительном фазовом сдвигезнак постоянной составляющей сигналаположительный, что приводит к появлению сигнала на первом компараторе 16,в противном случае возникает сигнална втором компараторе 7.При срабатывании первого компаратора 6 на входе интегратора 8 появляется постоянный сигнал, и напряжение на его выходе начинает возрастать с постоянной скоростью. Черезнормально замкнутый контакт ключа 9нающий блок 17 напряжение с интегратора 8 поступает на управляющий вход второго регулируемого усилителя 16, что приводит к изменению коэффициен-та передачи управляемого дифференци 5 атора и к изменению собственной частоты колебаний системы. Процесс продолжается до тех пор, пока собственная частота колебаний не становит ся равной заданной. При достижении этого условия фазы сигналов на информационном и опорном входах фазового детектора 4 становятся равными, а постоянная составляющая сигнала на выходе фазового детектора 4 становится равной нулю. В результате напряжение на выходе первого компаратора 6 падает до нуля и процесс нарастания напряжения на выходе интегратора 8 прекращается.Блок 24 управления непрерывно , контролирует состояние компараторов 6 и 7, при равенстве нулю выходных сигналов компараторов вьдает сиг нал "Отсчетп. Производится считывание частоты колебаний образца, которая в этом случае равна собственной частоте колебаний системы Ущ.После измерения собственной частоты О , производится измерение частоты колебаний образца, соответстовующей фазовому сдвигу 45 . При выполнении этого цикла измерения по командам с блока 24 управления, аналоговый запоминающий блок 17 переводится в режим "Хранение - считывание", ключ 9 переводится в положение 2, на фазовращателе 14 устанавливается фазовый сдвиг 45. Так как Фазовый сдвиг сигналов между опорным и информационным входами фазового детектора не равен нулю, нарушается балансировка контура фазовой авто- подстройки частоты, и на выходе фа зового детектора 4 появляется сигнал с постоянной составляющей, отличной от нуля. Процесс обнуления постоянной составляющей повторяется, и после окончания переходного процесса в системе устанавливается частота колебаний М соответствующая фазовому сдаигу 45 , При равенстве нулю выходных сигналов компараторов 6 и 7 блок 24 управления вьдает сигнал "Отсчет", и производится считывание час 55тоты ьд, .Далее осуществляют измерение зависимости величины потерь на внутреннее трение от амплитуды колебаний. С этой целью по сигналу с блока 24 управления устанавливают значение коэффициента передачи первого делителя 20, соответствующее новому значению амплитуды колебаний, и начинают цикл установления новой амплитуды. Поскольку в первый момент текущее значение амплитуды колебаний образца отличается от заданного, то на выходе второго сумматора 19 появляется сигнал рассогласования, который приводит к изменению крутизны первого регулируемого усилителя 11, что приводит к изменению амплитуды колебаний в сторону компенсации рассогласования, Этот процесс продолжается до тех пор, пока сигнал от текущей амплитуды колебаний выпрямителя 18 на первом входе второго сумматора 20 не уравновешивает заданный сигнал на его втором входе,Поскольку образец материала имеет амплитудную зависимость внутреннего трения, то при новой амплитуде колебаний изменяется фаза сигнала на информационном входе фазового детектора 4 относительно опорного сигнала и контур фазовой автоподстройки изменяет частоту колебаний до повторного установления фазы 45Описанный процесс успешно реализуется и при непрерывном изменении амплитуды колебаний при условии, что скорость изменения амплитуды существенно меньше скорости слежения.После снятия амплитудной зависимости внутреннего трения при частоте Юо переходят к снятию частотной зависимости. С этой целью по сигналу с блока 24 управления устанавливают коэффициенты передачи второго 22 и третьего 23 делителей, соответствующие новым значениям собственной частоты колебаний д и заданной частоты М,о ррф ) ключ 9 переводится в положение 11, на фазовращателе 14 устанавливается фазовый сдвиг, равный нулю, производится обнуление интегратора 8 и аналоговый запоминающий блок 17 перевои 1 дится в режимЗапись - считывание Повторяется цикл установления новой частоты колебаний, который завершается по достижении равенства нулю выходных сигналов компараторов 6 и 7, и блок 24 управления вьдает сигнал "Отсчет". После считывания нового значения собственной частоты колеба915520 ний аналоговый запоминающий. блок 17 переводится в режим "Хранение - считывание", ключ 9 - в положение 1, фазовращатель 14 - в положение, соотф 5 ветствующее фаэовому сдвигу 45 . Производится цикл поиска частоты Я, в соответствии с описанным алгоритмом, После окончания этого цикла производится повторное сканирование ампли - 1 О туды колебаний. При каждом новом значении амплитуды осуществляется измерение частоты, соответствующей фазовому сдвигу 45 . Описанный процесс повторяется до тех пор, пока не пере б крывается весь заданный частотный диапазон.По полученным значениям частотЯ и Ы, ,производится расчет Параметров внутреннего трения при данном значении амплитуды и частоты по формуле, 2 й - (2) л ЬУЯ 7 671 Оности обеспечивается также измео рением при фазовом сдвиге 45 , поскольку в резонансной зоне имеет место максимальная чувствительность фаэовой характеристики к частоте.Формула изобретенияУстройство для измерения характеристик внутреннего трения, содержащее основание для закрепления испытуемого образца, последовательно соединенные датчик виброскорости, предварительный усилитель, фазовый детектор и фильтр нижних частот, управляемый генератор, стабилизатор амплитуды колебаний, последовательно соединенные первый сумматор и возбудитель колебаний, и блох управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и информативности, оно снабжено двумя компараторами, соединенными парал2 б лельно, входы которых соединены с выжения и тремя управляемыми делителями, информационные входы которых соединены с выходом источника опорногонапряжения, стабилизатор амплитудыколебаний выполнен в виде последовательно соединенных выпрямителя, входом соединенного с выходом предварительного усилителя, и второго сумматора, выходом соединенного с управляющим входом первого регулируемогоусилителя, выходы первого второго,и где Р - логарифмический декрементзатухания;ЬЬ)- разница между частотами, со- ЗОответствующими фазовым сдвигам О и 450,Таким образом, за счет трех контуров обратных связей по фазе, амплитуде и собственной частоте колебаний в устройстве автоматическиотыскиваются частоты колебаний, на.которых фазовый сдвиг между вибросилой и вибросигналом равен О и 45а также изменяется эквивалентная собственная частота колебаний контура,содержащая электрическую и механическую пружины, поддерживается и изменяется в соответствии с управляющим сигналом амплитуда колебаний. Это 1 Бпозволяет по измеренным частотам иамплитудам колебаний произвести расчет параметров внутреннего тренияматериала образца и определить амплитудную и частотную зависимостивнутреннего трения.Использование в устройстве трехконтуров обратных связей позволяетснизить мультипликативную погрешность измерения в резонансной зоне, ограниченной фазовыми сдвигами+45, и увеличить точность при снятии частотной зависимости внутреннего трения. Уменьшение погрешходом фильтра нижних частот, последовательно соединенными интегратором,входом соединенным с выходами компараторов, и ключом на два положения,первый выход которого соединен с первым входом управляемого генератора,аналоговым запоминающим блоком, информационный вход которого соединенс вторымвыходом ключа, первым регулируемым усилителем, вход которогосоединен с первым выходом управляемого генератора, а выход - с первымвходом первого сумматора, последовательно соединенными дифференцирующимусилителем, входом соединенным с выходом предварительного усилителя, ивторым регулируемым усилителем, выходом соединенным с вторым входом первого сумматора, управляемым фаэовра-,щателем, вход которого соединен с вторым выходом управляемого генератора,а выход - с опорным входом фазовогодетектора, источником опорного напряСоставитель О.СмирновРедактоР И.ДеРбак ТехРед М,Ходанич Корректор А.Обручар Заказ 325 Тираж 499 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г,ужгород, ул. Гагарйна,1011552067 2 третьего управляемых делителей соеди- мого усилителя, выходы блока управнены соответственно с вторым входом ления соединены соответственно с упвторого сумматора, вторым управляю- равляющими входами первого, второго щим входом второго регулируемого уси-, и третьего управляемых делителей51 лителя и вторым входом управляемого управляемого фазовращателя, аналого- генератора, выход аналогового,запо- вого запоминающего блока, интеграминающего блока соединен с первым тора и ключа, а вход блока управлеуправляющим входом второго регулируе- ния соединен с выходами юомпараторов.