Способ измерения статодинамических параметров изделий при воздействии вибрации и температуры

)5 6 ЕТЕНИ И ПИСА У ланирова ытаний на ой автома 1979, вы ТОДИНАЛИЙ ПРИ ТЕМПЕРАрительнои волновым еских паих испыта действие онструк ого типа рации и инеиГОСУДАР СТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(56) Майоров А, В., Потюков Н.П, Пние и проведение ускоренных испнадежность устройств электроннтики. М,: Радио и связь, 1982.Электронная техника, сер. 8.2 (72), с. 41.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СТАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕВОЗДЕЙСТВИИ ВИБРАЦИИ ИТУРЫ(57) Изобретение относится к изметехнике, преимущественно к радиометодам измерений статодинамираметров различных изделий приниях на одновременное воз Изобретение относится к методам измерений при испытаниях различных изделий на одновременное воздействие вибрации и других эксплуатационных факторов и может быть использовано для бесконтактного радиочастотного исследования статодинамических параметров конструктивных элементов изделий, находящихся в условиях воздействия вибрации и температуры.Цель изобретения - увеличение точности измерений.На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа измерений; на фиг.2 -. схема осуществления способа измерения пп 9.Ыли 1677533 А 1 вибрации и температуры, Целью изобретения является увеличение точности, Измерения осуществляют в режиме динамического затягивания частоты, одновременно с определением резонансных /Р/ частот для каждого К-го фиксированного уровня /У/ возбуждения регистрируют при различных /1+1/ температурных У, где 1 = 0.1,2,3, К = =0,1,2,3 номера У, амплитудные значения Р и вынужденных колебаний, а затем осуществляют их выравнивание к первоначально контролируемым значениям 1-го У посредством изменений фазы СВЧ-сигнала и пространственной ориентации оси антенны, устанавливаемой на фиксированном расстоянии от изделия, по результатам выравнивания судят о вибрационных характеристиках, а также относительных величинах и направлениях тепловых деформаций элементов иэделий. 2 ил,статодинамических параметров к тивного элемента изделия консольн при комплексном воздействии виб температуры.На фиг,2 приняты следующие о ния: а - нормальные условия + виб - комплексное воздействие вибрац пературы; А - антенна; К - иссл элемент; О - основание - вибросто амплитудное зна,ение изменения раженного сигнала эа счет вибрац амплитудное значение вибросм Ьр)- составляющая фазового на изменении расстояния эа счет тепл формации; ЛХО - линейная деф (прогиб) поверхности иэделия;бозначерация; б ии и темедуемый л;Лфо) - фазы отии; Х(о) - ещения; бега при овой де- ормацияный размер диаграммы направленности антенны в плоскости измерений:- линейный размер изделия; Й - частота вибрации, и - нормаль к поверхности элемента; индекс "0" - относится к нормальным условиям, индекс "Т" - к условиям комплексных испытаний.Устройство состоит из СВЧ термоизолированной измерительной головки автодина 1, которую устанавливают внутри камеры термовибростенда 2 на координатном устройстве 3 со следящим приводом от блока 4 управления и измерения координат 7, тракта 5 обработки и измерения информации, а также системы 6 возбуждения колебаний изделия 7. Автодин состоит из последовательно подключенных термостатированного автогенератора 8, направленного ответвителя 9, второй выход которого подключен на вход амплитудного детектора 10, фазовращателя 11 и рупорной антенны 12 с радиопрозрачным тепловым экраном 13. Тракт обработки и регистрации информации включает последовательно соединенные следящий фильтр 14, подключенный входом к выходу амплитудного детектора 10 и выходом к блоку 4 управления и измерения координат, регистратор 15, в+1 входы которого подключены к гл измерительным выходам блока 4 управления и измерения координат, и задающий генератор 16, подключенный вторым выходом на второй вход следящего фильтра 14, а также регулируемый источник 17 питания, подключенный первым выходом на вход автогенератора 8, а вторым - на второй вход фазовращателя 11.Система 6 возбуждения колебаний изделия 7 включает вибростенд 18, подключенный на вход усилителя 19 мощности, вход которого подключен на первый выход задающего генератора 16, второй вход которого,подключен на выход виброизмерительного преобразователя 20 (ВИП), установленного на столе вибростенда,Устройство работает следующим образом,Сигнал, излучаемый автогенератором 8, в виде узкого луча с помощью рупорной антенны 12 направляют на изделие 7, колебания которого возбуждают вибростендом 18 и поддерживают на заданном уровне с помощью цепи обратной связи с выхода ВИП 20 на второй вход задающего генератора 16, При взаимодействии прямого и промодулированного по фазе отраженных сигналов на нелинейной проводимости автогенератора 8 возникает затягивание и синхронизация частоты излучения автодина 1,5 10 15 20 25 30 35 45 50 55 Автогенератор 8 переходит в режим чувствительного элемента вибрации исследуемого изделия 7. Через второй выход направленного ответвителя 9 промодулированный по амплитуде и частоте сигнал подают на вход амплитудного детектора 10, на выходе которого выделяют огибающую несущей частоты, которая характеризует зависимость уровня вибрационного воздействия от частоты возбуждения. За счет термостатирования автогенератора 8 и термостабилизации элементов СВЧ-тракта, а также использования радиопрозрачного теплового экрана 13 антенны 12 влияние изменения режимов термокамеры 2 на функционирование автодина 1 будет минимальным, С выхода амплитудного детектора 10 сигнал подают на вход тракта 5 обработки и регистрации. Отстройку частоты основной гармоники измеряемого сигнала от фона побочных частот осуществляют следящим фильтром 14, Напряжение выходного сигнала задающего генератора 16 используют для возбуждения через усилитель 19 мощности вибростенда 18, а по второму выходу - для синхронизации частоты возбуждения с частотой основной гармоники фильтра 14, выходной сигнал которого подают на первый вход регистратора 15 уровня. Выходным сигналом регистратора 15 синхронизируют скорость сканирования частоты генератора 16,При воздействии температуры одновременно с вибрацией могут возникать тепловые деформации, которые при фиксированных режимах испытаний и угловых координатах антенны будут приводить к изменениям направления приема сигналов максимальных уровней, совпадающих с направлением нормали К эффективной отражающей поверхности исследуемого элемента изделия. Вместо одномерной могут возникать пространственные составляющие вектора вибрации, которые при фиксированном направлении оси антенны будут приводить к снижению уровня сигнала на выходе детектора 10, а следовательно, к возникновению методической составляющей погрешности за счет тепловых деформаций. С помощью координатного устройства 3 и фазовращателя 11 для каждого фиксированного К-го уровня возбуждения при различных1 температурных уровнях осуществляют выравнивание текущих значений к первоначально конролируемым значениям -го уровня. Выравнивание осуществляют угловыми перемещениями измерительной головок: володина 3 с антенной 12, а также из.",енен 1 чди фазового набега сигнала и;:лучен.д тдкиг;, образом, 167753310 15 20 30 35 40 45 50 чтобы на выходе детектора 10 достигались максимальные значения сигналов вибрации, которые контролиауют по показаниям регистратора 15 уровня. При изменении уровней регистрируемых сигналов относительно первоначально установленных и контролируемых значений блок 4 управления и измерения координат вырабатывает сигнал ошибки, который запускает следящий привод координатного устройства 3 и перемещает измерительную головку авто- дина 1, При достижении нулевого значения сигнала ошибки привод атклю:ается, и осуществляются измерения угловых координат, Сигнал ошибки представляет собой разность между двумя контролируемыми уровнями напряжений сигналов с выхода следящего ф 1 лльтра 14, соответствующих и 1+1 значениям температурных уровней. С выхода блока 4 измерения координат напряжения сигналов угловых координат регистрируют многоканальным регистратором 15. Статадинамические параметры исследуемого изделия или его элементов определяют для различныхи К уровней на основании регистрируемой зависимости максимальных значений сигнала вибрации на частотах резонансных и вынужденных колебаний от угловых координат оси антенны,Величину скорости выравнивания выбирают выше скорости сканирования частоты возбуждения иэ условия об=спеченля заданной погрешности измерений, При необходимости исследования нескольких элементов измерительную головку автодина 1 перемещают с помощью координатного устройства 3 в плоскости измерений на фиксированном расстоянии между антенной 12 и изделием 7, Напряжения сигналов линейных координат элементов изделий с выхода блока 4 падают на вход регистратора 15 уровня, На основании измеренных значений урсвней сигналов вибрации и соответствующих координат определяют величину и направления тепловых деформаций,Уровни деформаций определяют Относительно первоначально контролируемого положения элемента изделия при нормальных условиях (1 =- О) и отсутствии вибрации (К = О) либо относительно основания - стола вибростенда посредствам преобразования угловых координат аси антенны 12 в линейные перемещения (деформации) каждого иэ элементов, Одновременно определяют амплитудные значения вибрасмещений деформированных элементов изделий на частотах вынужденных и резонансных колебаний, Регулированием в заданных пределах выходных напряжен й источника 17 пастояннагО тОка соответственно па 1-м/ каналу осуществляю дистанционное управление режлмами функционирования автогенератора 8, по 2-му каналу фазовращателя 11,Воспользуемся обозначениями фиг.2, предполагая, что измерение статодинамических параметров осуществляется в дальней зоне излучения антенны автадина, За счет разности хода приходящих в тачку С лучей отраженных сигналов 1 и 2 возникает фазовый набег:в 1,з 1 пйгде ОО Сл оптический путь луча 1;ВС - оптический путь луча 2;и ( т ) - частота сигнала излучения:с - скорость света;Лд - угол между нормалями поил.Можно показать, что в режиме динамического затягивания частоты в ( т ) фаза отраженного сигнала с учетом соотношения(3)где Ди - соответственно параметры, определяющие уровни преобразования фазы исогласования тракта автадина с нагрузкой(исследуемым изделием);со,ва - фазовый набег и частота сигнала излучения при согласованной нагрузке;Ьр 1(0) - амплитудное значение фазового набега за счет динамического затягивания частоты;АФ,Й 01(о) - соответственна диапазоны статического и динамического затягивания частоты автогенератора;с - расстояние между антенной и изделием.Из саогношений (2) и 3) следует, чтопредлагаемый способ измерений па сравнению с известньм обладает более вьсокойчувствительность:э преобразования, так какпри Лф 1(о)иЛи 1(а)0 относительный коэффициент фазы эа счет динамического затягивания,д)1 1 для всех значенийлу(о) 0,Полагая, чта диапазоны длнамическагаи стаическага затягивания частоты удавЛ.:; ьаряЮТ УСЛОВИО%с Юоа также ограничиваясь первой гармоникой частоты огибающей тока амплитудного детектора ф), для коэффициента преобразования статодинамических параметров способа измерений имеем:д = = воууоР; (5)Р = Роехр(-2 аоо)диа(1+Я 1 отдяде 7 в2 в Л Оо Яь5- ( р)2 6)2 лС с где РД = - = -- соответственно мощччо то ность и длина волны излучения; ао - коэффициент затухания; ео = 1 Ра =,ио = 4 л 10 -- соответ- - 7 ГНм ственно диэлектрическая и магнитная проницаемости воздуха и материала стенок волноводного тракта с поперечным сечениемах Ь;ро - удельное сопротивление материала стенок при Т . - . 20 С,ао - температурный коэффициент сопротивления материала стенок; Т - температура окружающей среды, Ь - аппаратный параметр, не зависящий от В/о и Р,В соответствии с соотношениями (5) и (6) величина погрешности измерений параметров вибрации при комплексных испытаниях может быть представлена какд ) ФщУ"(рР 1 Р)За счет использования термостабилизации автогенератора и термоизоляции измерительной головки автодина величину составляющей погрешности можноОВо сделать не хуже 10 -10 5. С учетом данных из соотношения (7) для волны излучения 8 мм имеем - 10% .дАВ соответствии с обозначениями фиг.2 и соотношением (1) уровни и направления относительных тепловых деформаций поверхности конструктивного элемента могут быть определены как где о- напряжения тепловых деформаций, Е - модуль упругости.Полагая, что при воздействии температуры возникающие на единице поверхности материала элемента изделия напряжения 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 а в первом приближении пропорциональны изменению температуры ЬТГ, имеемДд = аткЬТ,где а тк - коэффициент пропорциональности.При Ьд 1 и фиксированном направлении от измерительной системы автодина суммарный фазовый набег отраженного сигнала в С за счет вибрации и температуры будет равен:ЬУ(т) = Ьфо)Совйт - ЬЪ;ЬуФ)(О)Дно - 1 ка ткД П (9)2 йЫИз соотношений (8) и (9) видно, что при фиксированных координатах оси антенны с изменением температуры уровень сигнала, характеризующего взаимодействие между полем излучения и иэделием, может уменьшаться.При Др 6(1)-фО независимо оттого, что Ь д(ТГ,х(0,х(О,Ь 7)ФО, амплитудное значение тока детектора (0) -фО, Достижение первоначально установленного максимального уровня (О) обеспечивают компенсацией фа- ЭОВращатЕЛЕМ 10 фаЗОВОГО НабЕГа Ь 7 о -фО и изменением направления оси антенны на угол Ьд(ЬТГ), так чтобы направление нормали к поверхности исследуемого элемента при изменении температуры в пределах ДТ =Тг+1 - Тг совпадало с направлением оси измерений, т,е. соответствовало максимуму направления излучения - приема диаграммы направленности антенны,Осуществив выравнивание (0) к первоначальному значению, в соответствии с соотношением (8) и (9) определяют величину и направление Дц изменениемЬ ро(Дд) и угла поворота оси антенны при Т = Тон 1 относительно значений при Т = ТокТак как определение Ьд осуществляют измерениями 1(0), точность измерений величины и направления тепловых деформаций будет определяться величиной методической погрешности соотношения (7), а также инструментальной погрешностью блока 4 измерения координат.Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый способ измерений обеспечивает повышение точности измерений статодинамических параметров элементов иэделий при комплексных испытаниях; бо-. лее высокую чувствительность измерений вибрационных характеристик на частотах резонансных и вынужденных колебаний; измерение тепловых деформаций для одной и той же точки(микроминиатюрного элемен 1677533 10та) иэделия в реальном масштабе времени вибрационного воздействия.Формула изобретенияСпособ измерения статодинамических параметров изделий при воздействии виб рации и температуры, заключающийся в том, что изделие облучают электромагнитной волной СВЧ механическими колебаниями, свипируют фазу волны СВЧ и регистрируют амплитуды волн, рассеянных 10 изделий, по которым определяют резонансные частоты, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения точности измерений, свипируют частоту волны СВЧ, колебания на резонансных и нереэонансных частотах 15 возбуждения определяюта 0,1.2 тем пературных уровнях и К . 0,1,2, уровнях вибрации иэделия, для чего амплитуды рс сеянных волн при 1-м К-м уровнях выравни вают с амплитудами для каждого 1-гп температурного при каждом К-м уровне вибрации соответственно, при О-м температурой и О-м уровне вибрации соответственно путем изменения фазы и направления облучения электромагнитной волны, по результатам выравнивая судят о вибрационных характеристиках, а также об относительных величинах и направлениях тепловых деформаций элементов изделия.=Х с О Редактор Л.Весе Кор е КЗЯ Тираж ЗОО Подписно ударственного комитета по изобретениям и откры 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5ям при ГКНТ СССР