Устройство для определения динамических характеристик материалов

(594 СОМ 700 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Авторское свидетельство СССР У 1021953, кл. С 01 Н 1/08, 1981.Авторскоесвидетельство СССР Мф 994949, кл. С 01 М 7/00, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может использо 801283570 А 1 ваться при исследовании физико-механических свойств различных материалов по измеренным параметрам их свободно затухающих колебаний, Цельюизобретения является повышение точности измерений за счет использования в анализаторе ударных спектровцифровых фильтров с перестраиваемымикоэффициентами демпфирования. Привоздействии ударного механизма 1 наисследуемый объект 2 сигнал с датчика 3 ускорения поступает через по ледовательно соединенные усилитель 4,фильтр 5 нижних частот и аналого-цифровой преобразователь 6 в анализа1283 тор 7 ударных спектров. В исходном состоянии цифровые Фильтры анализатора 7 представляют собой резонансные фильтры без затухания. С выхода анализатора 7 через ключ 8 сигналы запоминаются в первом запоминающем блоке 9, Одновременно в момент соударения ударного механизма 1 с объектом 2 сигнал со второго датчика 17 ускорения через соответствующий измерительный тракт запоминается во втором запоминающем блоке 21. По сиг.иалу управления с триггера 10 в блоке 12 компараторов происходит сравнение исходного ударного спектра с датчика 17 ускорения и спектра отклика 570с датчика 3 ускорения. Величины невязки через блок 14 одновибраторовуправляют счетчиками блока 15 счетчиков, выходные сигналы которого приводят к перестройке передаточных функций цифровых фильтров анализатора 7.При равенстве исходного ударногоспектра и спектра отклика процесс перестройки фильтров заканчивается.Приэтом величины коэффициентов затухания соответствующих фильтров передаются с блока 15 счетчиков черезблок 25 ключей на блок 26 отображения.Тактирование измерительного процессаосуществляется с помощью генератора 22 тактовой частоты,з.п,ф-лы,2 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при исследовании физико-механических свойств различных материаловпо измеренным параметрам их свободно 5затухающих колебаний,Целью изобретения является повышение точности измерений за счет использования в анализаторе ударныхспектров цифровых фильтров с перестраиваемыми коэффициентами демпфирования,На Фиг. 1 изображена блок-схемаустройства; на фиг. 2 - блок-схемацифрового фильтра.Устройство для определения динамических характеристик материалов содержит (фиг, 1) механизм 1 для приложения одиночного ударного импульсак исследуемому объекту 2, устанавливаемый на объекте 2 первый датчик 3ускорения, последовательно соединенные согласующий усилитель 4,фильтр 5 нижних частот, аналого-цифровой преобразователь 6. Подключенный к выходу аналого-цифрового преобразователя 6 анализатор 7 ударныхспектров, первый ключ 8, первый запоминающий блок 9, первый триггер 10,блок 11 вычитания блок 12 компараторов, элемент 3 И, блок 14 одновибраторов, блок 15 счетчиков, второйтриггер 16, второй датчик 17 ускорения, устанавливаемый на исследуемом объекте 2 вблизи точки соударения механизма 1 для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту 2 с поверхностью объекта 2, второй согласующий усилитель 18, второй Фильтр 19 нижних частот, второй аналого-цифровой преобразователь 20, второй запоминающий блок 21, генератор 22 тактовой частоты, второй ключ 23, одновибратор 24, блок 25 ключей, блок 26 отображения информа" ции и блок 27 установок.Анализатор 7 ударных спектров содержит совокупность блоков 28 цифровых фильтров (не показаны). Блок 26 отображения информации подключен через блок 25 ключей с одной иэ групп выходов блока 15 счетчиков, вторая группа выходов которого подключена к соответствующим входам анализатора 7 ударных спектров, являющихся управляющими входами блоков 28 цифровых фильтров (не показаны), Второй датчик 7 ускорения через последовательно соединенные второй согласующий усилитель 18, второй Фильтр 19 низкой частоты, второй аналого-цифровой преобразователь 20 и второй запоминающий блок 21 подключен к первому входу анализатора 7 ударных спектров. В свою очередь, блок 28 цифрового фильтра (фиг. 2) содержит первый сумматор 29, второй сумматор 30, первую линию 31 задержки, вторуюлинию 32 задержки, первый блок 33умножения, второй блок 34 умножения,третий блок 35 умножения, четвертыйблок 36 умножения, пятый блок 37 умножения, шестой блок 38 умножения, 5седьмой блок 39 умножения, восьмойблок 40 умножения, первый блок 41 потенциирования, второй блок 42 потенциирования, первый инвертор 43, второй инвертор 44, блок 45 функциональ ного преобразования "соз".Первым входом блока 28 цифровогофильтра является первый вход первогосумматора 29, вторым входом блока 28цифрового фильтра являются объеди 5ненные вторые входы четвертого блока 36 умножения и шестого блока 38умножения, третьим входом блока 28является первый вход четвертого блока 36 умножения, четвертым входомблока 28 является первый вход шестого блока 38 умножения. Вторые входыседьмого 39 и восьмого 40 блоков ум,ножения подключаются к величине уставки, численно равной значению "2".Принцип действия устройства основан на сравнении ударных спектровотклика объекта и входного импульсаудара и определения коэффициентовдемпфирования полосовых цифровых30фильтров анализатора ударных спектров, которые обеспечивают настройкуодного ударного спектра на другой и,таким образом, являются мерой затухания материала объекта испытаний.Движение объекта, возбужденногоударом, представляет собой откликрезонансной механической колебательной системы на импульсное воздействие, который описывается импульсной40переходной характеристикой, характеризуемой в частности коэффициентомзатухания колебаний, который является мерой динамических характеристикисследуемого материала.Устройство работает следующим образом (фиг. 1),Механизм 1 для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту 2 импульсом удара возбуждает в объекте 2 контроля свободйыеколебания, которые воспринимаютсяпервым датчиком 3, установленным наобъекте 2 контроля, и передаются навход согласующего усилителя 4,Усиленный и согласованный по мощности сигнал с выхода. согласующегоусилителя 4 поступает на вход фильтра 5,нижних частот, где производится ограничение верхней граничной частоты сигнала так, чтобы ока не превосходила ширины полосы частот анализа анализатора 7 ударных спектров.С выхода фильтра 5 нижних частототфильтрованный сигнал поступает навход аналого-цифрового преобразователя 6, с выхода которого диск ретные отчеты сигнала поступают напервый вход анализатора 7 ударныхспектров для анализа.В исходном состоянии устройствацифровые фильтры 28 анализатора 7ударных спектров настроены сигналомпо его управляющему входу таким образом, что их импульсные переходныефункции имеют вид консервативногозвена, т.ерезонансного фильтрабез затухания.Одновременно с этим первый триггер 10 и второй триггер 16 находятся в своем первом .исходном состоянии,при котором с первого выхода первого триггера 1 О на второй (управляющий) вход первого ключа 8 поступаетсигнал, которым пропускается сигналс выхода анализатора 7 ударных спектров на первый вход первого эапом 1.нающего блока 9 с первого выхода первого ключа 8, второй ключ 23 при этомзакрыт по управляющему входу, второйтриггер 16 находится в своем первомисходном состоянии, при которомблок 25 ключей закрыт по управляющему входу и не пропускает сигналы свыходов блока 15 счетчиков на входблока 26 отображенияОдновременно с этим в момент соударения с объектом 2 механизма 1для приложения одиночного ударногоимпульса с выхода второго датчика 17ускорения, устанавливаемого на объекте 2 вблизи точки соударения механизма 1 с поверхностью объекта 2,на вход второго согласующего усилителя 18 поступает сигнал, которыйпередается с его выхода на вход второго фильтра 19 нижних частот с точно такой же полосой верхней граничной частоты, что и у фильтра 5 нижних частот,С выхода второго фильтра 19 нижних частот сигнал поступает на входвторого аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 20, по своим техническим характеристикам равного первому АЦП 6.1283570 45 50 55 Сигналы с выхода второго АЦП 20поступают на первый вход второго запоминающего блока 21, где запоминаются,В первом запоминающем блоке 9 последовательно запоминаются сигналыс выхода анализатора 7 ударных спектров, прошедшие через открытый первый ключ 8 на первый вход первого запоминающего блока 9.После заполнения последней ячейки первого запоминающего блока 9с его первого выхода на первый входпервого триггера 10 поступает сигнал,которым он переводится в свое другоеустойчивое состояние, при котором сего выхода на управляющий вход первого ключа 8 поступает сигнал запрета,и первый ключ 8 начинает пропускатьсигналы с выхода анализатора 7 ударных спектров на второй вход блока 11вычитания, на первый вход которогоподается сигнал с второго выхода первого запоминающего блока 9.Одновременно с этим второй ключ 23открывается по управляющему входуи начинает пропускать сигналы с выхода генератора 22 тактовой частотына второй вход второго запоминающегоблока 21 для считывания.30Сигналы с выхода генератора 22тактовой частоты поступают в течениевсего цикла работы устройства навторой вход анализатора 7 ударныхспектров в качестве тактовых сигна-: 35лов. С выхода второго запоминающего . блока 21 сигналы поступают на первый вход анализатора 1 ударных спектров 40 для анализа, а также на первый вход второго запоминающего блока для перезаписи. Вначале в анализаторе 7 ударных спектров вычисляется ударный спектр импульса возбудителя колебаний на входе объекта контроля 2, который отличается от ударного спектра выходного сигнала, измеренного датчиком 3. На первом цикле анализа данные, записанные во втором запоминающем блоке 21, анализируются анализатором 7 ударных спектров на фильтрах с импульсной характеристикой консервативного звена, т.е. беэ затухания, поскольку сигналы управления на управляющих входах анализатора 1 ударных спектров пока отсутствуют. После сравнения ударных спектров в блоке 11 вычитания на выходах блока 11 присутствуют сигналы, представляющие собой разность амплитуд сигналов на фильтрах одноименной частоты, которые поступают на соответствующие входы блока 2 компараторов.В блоке 12 компараторов происходит поразрядное по полосам частот сравнение указанных сигналов с нулем, и сигнал невязки сравнения подается одновременно на входы элемента 13 И и на входы блока 14 одновибраторов,Поскольку иа первом цикле анализа исключается воэможность равенства ударных спектров сигналов входа и выхода объекта 2 контроля, то на части одновибраторов блока 14 одновибраторов присутствуют сигналы, поступающие на соответствующие счетчики блока 15 счетчиков, которые в исходном состоянии обнулены.По сигналам, поступившим с выходов блока 14 одновибраторов, на этих счетчиках блока 15 счетчиков состояние изменяется на единицу в младшем разряде соответствующего счетчика. Эти значения чисел, записанные в счетчиках блока 15 счетчиков в качестве сигналов управления, поступают на управляющие входы анализатора 1 ударных спектров и изменяют импульсную характеристику цифровых Фильтров соответствующих разрядов на единицу затухания фильтра, т.е, вносят В каждый из этих фильтров член, вызывающий такие потери, что соответствующий цифровой фильтр анализатора 7 ударных спектров переходит из консервативного звена в колебательное второго порядкаРеакция этого фильтра иа входной сигнал, поступающий на первый вход анализатора 7 ударных спектров с выхода второго запоминающего блока 21, снова сравнивается в блоке 11 вычитания и при отличии от нуля, определенном в блоке 12 компараторов, снова изменяет на единицу состояние соответствующих счетчиков в блоке 15 счетчиков.Спустя необходимое число циклов ударный спектр входного сигнала настраивается на ударный спектр выходного сигнала, а на счетчиках блока 15 счетчиков записываются величины коэффициентов затухания каждого71 28 Э 5из фильтров анализатора 7 ударныхспектров.Одновременно с этим на выходахблока 12 компараторов все сигналыстановятся равными нулю, вследствиечего на выходе элемента 13 И появляется сигнал, который поступает напервый вход второго триггера 16 и изменяет его состояние,С выхода второго триггера 16 на 10вход одновибратора 24 и на управляющий вход блока 25 ключей приходитсигнал, которым блок 25 ключей открывается, а на выходе одновибратора 24 появляется импульс, которым записанные данные в блоке 15 счетчиковсчитываются на блок 26 отображениячерез открытый по управляющему входублок 25 ключей, а счетчики блока 15счетчиков обнуляются. 20Одновременно с этим очищаются первый запоминающий блок 9 по второмуего входу, второй запоминающий блок 21по третьему его входу, а первый триггер 10 и второй триггер 16 переходятв свои первые устойчивые состоянияпо сигналу, поступившему на их вторые входы.Ключи 8, 2 Э и блок 25 ключей переходят в свое исходное состояние.Устройство готово к работе, а на блоке 26 отображения выводятся значениявеличин декрементов колебаний в функции собственных частот резонаторов,составляющих всю ширину полосы ана- З 5лиза исследуемого акустического тракта объекта 2 контроля анализатором 7ударных спектров,Блоки 28 цифровых фильтров анализатора 7 ударных спектров работаютследующим образом (фиг. 2).На первый вход блока 28 цифровогофильтра с выхода АЦП 6 или второгозапоминающего блока 21 в зависимости от состояния режима работы устройства поступают текущие отсчеты сигналов.1На второй вход блока 28 цифрового фильтра поступают тактовые сигналы с выхода генератора 22 тактовой час"1 тоты.На четвертый вход блока 28 цифрового фильтра поступает сигнал уставки,. численно равный желаемой резонансной частоте и 0; с выхода блока 27 уставок.На третий (управляющйй) вход блока 28 цифрового фильтра с выходов 70 8разрядов счетчиков блока 15 счетчиков поступают сигналы, численно равные значению величины коэффициента 3 затухания, которые в исходном состоянии работы устройства равны нулю.Таким образом, на первом цикле работы блока 28 цифрового фильтра на вторых входах, соответственно, первого блока 33 умножения находится сигнал, равный Ъ, = -2 сов(цьг.)второго блока 34 умножения - сигнал а, = сов(и,дС), а третьего блока 35 умножения - сигнал Ъ = -1,Работа цифрового фильтра блока 28 протекает в режиме консервативного звена, т.е, звена без затухания, на выходе которого присутствует сигнал д Асов(а ьй), где А - коэффициент, характеризующий усиление, вытекающий из соотношенияА 1-совд ьСг2 1+2 сов (и ь 1) г -гА 1+а,г2 1-Ь г- Ъ гфт 2где ь- частота дискретизации генератора 22 тактовой частоты.При появлении на управляющем входе блока 28 цифрового фильтра сигнала, кратного единице младшего разряда счетчика блока 5 счетчиков, вид передаточной функции цифрового фильтра (импульсной характеристики) изменяется на величину1Ы(1 и)1 .28(1 а) + - (1 Я)+1о огде 8 Ф 0 - коэффициент затуханияколебательного звена второго порядка,т.е. соответствует реакции резонансной колебательной системы на импульсное воздействие в виде импульснойпереходной функциия(С) Аесов(и,дС),где А - размерный множитель.Возрастание коэффициента 3 на каждом цикле работы устройства приводитк равенству подстраиваемогб ударногоспектра входного сигнала ударномуспектру отклика, записанному в первом запоминающем блоке 9.На счетчиках блока 15 счетчиков(фиг. ) записываются значения коэффициентов 3 на каждой иэ частот Ы,;анализа.Это осуществляется следующим образом.При появлении сигнала на третьем.9 128357 го фильтра, являющимся первым входом четвертого блока 36 умножения, в нем происходит, перемножение сигнала управления с сигналом тактового генератора 6 С, поступившим на его второй 5 вход, произведение которых поступает на вход первого блока 41 потенциирования и на первый вход седьмого блока 39 умножения, на второй вход которого подается сопв = 2. 1 ОСигнал с выхода блока 41 потенциирования подается на первый вход пятого блока 37 умножения, на второй вход которого подается сигнал с выхода блока 45 функционального преобразования "сов", на вход которого подается произведение уставки и, на о С, соответственно, поданные на первый и второй входы шестого блока 3 умножения.20Таким образом, на первый вход восьмого блока 40 умножения и на второй вход второго блока 34 умножения подается сигнал, численно равный коэффициентуа, = есов (яд 1) .оАНа второй вход восьмого блока 40 умножения подается сигнал сопв = 2.Таким образом, на втором входе первого блока 33 умножения оказывается сигнал,.численно равный коэффици- енту ЯлСЬ, = -2 е сов(а,в),полученный с выхода восьмого блока 40 35 умножения через включенный с ним последовательно второй инвертор 44.На втором входе третьего блока 35. умножения присутствует сигнал, выражающий к оэ ффицке нт Ь = - епо - 4 О2 й лученный с выхода седьмого блока 39 умножения через последовательно с ним включенные блоки 42 потенциирования и первый инвертор 43. 45После появления на первом входе первого сумматора 29 (являющегося первым входом блока 28 цифрового фильтра) сигнала в виде текущего отсчета спустя два такта задержки (на первой 31 и второй 32 линиях задержки) на втором и третьем его входах появляются сигналы, один иэ которых, соответственно, представляет собой произведение коэффициента Ь 2 -е 55Зл 1 и значения текущего цифрового отсчета, задержанного на два такта, а второй - произведение коэффициента Ь-2 е сов(и,ьс) и значения текущегоЗл 0 1 Оцифрового отсчета, задержанного наодин такт,На первом и втором входах второгосумматора 30 присутствуют, соответственно, значения текущих цифровыхотсчетов, задержанных на два такта,и произведение коэффициента а, на текущий отсчет, задержанный на такт.Таким образом, на выходе блока 28цифрового фильтра присутствует сигнал, выражающий собой значение текущего входного сигнала, отфильтрованного узкополосным фильтром с коэффициентом затухания 3,Формула изобретения 1. Устройство для определения динамических характеристик материалов, содержащее механизм для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту, устанавливаемый на объекте датчик ускорения, подключенный через цепь из последовательно соединенных согласующего усилителя, фильтра нижних частот, аналого-цифрового преобразователя к анализатору ударных спектров, генератор тактовой частоты, блок отображения информации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено цепью из последовательно соединенных первого ключа, первого запоминающего блока, блока вычитания, блока компараторов, блока одновибраторов, блока счетчиков, вторым датчиком ускорения, устанавливаемым наисследуемом объекте вблизи точки соударения исследуемого объекта с механизмом для приложения ударного импульса, подключенной к второму датчику ускорения цепью из последовательно соединенных второго согласующего усилителя, второго фильтра нижних частот, второго аналого-цифрового преобразователя, второго запоминающего блока, вторым 1ключом, одновибратором, двумя триггерными элементом И, блоком ключей, блоком уставок, выход анализатора ударных спектров подключен к первому входу первого ключа, второй вход которого соединен с выходом первого триггера и вторым входом второго ключа, первый вход которого соединен с генератором тактовой частоты и вторым входом анализатора ударных спектров, выход - с вторым входом второго запоминающего блока, выход второ 1283570го запоминающего блока подключен к первому входу анализатора ударных спектров и своему первому входу, первый вход первого триггера подключен к второму выходу первого запоминаю щего блока, второй - к выходу одновибратора, третьему входу второго запоминающего блока, вторым входам первого запоминающего блока, блока счетчиков и второго триггера, эле мент И каждым из группы своих входов подключен к соответствующему выходу блока компараторов, выходом - к первому входу второго триггера, выход которого соединен с входом одновибратора и вторым входом блока ключей, второй выход первого ключа подключен к второму входу блока вычитания, блок счетчиков каждым своим выходом иэ первой группы выходов подключен к соответствующему входу из группы входов анализатора ударных спектров, каждым выходом из второй группы своих выходов через блок ключей подключен к блоку отображения информации, а блок уставок каждым выходом иэ группы своих выходов подключен к соответствующему входу анализатора ударных спектров.2. Устройство по п. 1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что анализатор ударных спектров представляет собой совокупность блоков цифровых фильтров, каждый из которых содержит первый и второй сумматоры, первую и вто рую линии задержки, первый и второй инверторы, первый и второй блоки потенциирования, блок. функционального преобразованиядсоз"и первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, ф седьмой и восьмой блоки умножения, выход первого сумматора подключен к первому входу второго сумматора через соединенные последовательно первую и вторую линии .задержки, выходпервой линии задержки соединен с первыми входами первого и второго блоков умножения, выходы которых подключены соответственно к третьемувходу первого сумматора и к второмувходу второго сумматора, выход второй линии задержки соединен с первымвходом третьего блока умножения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход четвертого блока умножения подключен к второму-входу третьего блока умножениячерез включенные последовательноседьмой блок умножения, второйблокпотенциирования и первый инвертор,выход пятого блока умножения соединен с вторым входом первого блокаумножения через включенные последовательно восьмой блок умножения и второй инвертор, выход четвертого блока умножения соединен с первым входом пятого блока умножения черезпервьй блок потенциирования, выходшестого блока умножения соединен свторым входом пятого блока умножениячерез блок функционального преобразованияфсоз", вторые входы седьмогои восьмого блоков умножения подключаются к величине уставки, численноравной значению "2", первым входомблока .цифрового фильтра является первый вход первого сумматора, вторымвходом - объединенные вторые входычетвертого и шестого блоков умножения, первые входы которых соответственно являются третьим и четвертымвходами блока цифрового фильтра, выходом которого является выход второго сумматора.1283570 Составитель Ю. Петраковскийхан Техред Л.Сердюкова Корректор Е. Сирохман акта ираж 77 б ударственно изобретенийва, Ж, Р Подписно о комитета СССР и открытий ушская наб, д, 4/5ВНИИПИ Гопо делам3035, Мос Фл йона гФиг, Я