Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции

(51)5 6 09 В 23/06 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 8О/12, кл. 6 09 В 23/06, 1988. ЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ КОНСТ(54) УСТ,РО И ИССЛЕД РУКЦИИ (57) Изобре глядным по. бретения воаможнос симости фо О К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ тение относится к учебным и насобиям по механике, Цель изо - расширение дидактических тей за счет демонстрации завирмы колебаний конструкции от Изобретение относится. к учебным приборам по механике, в частности к приборам для исследования колебательного движения, и является усовершенствованием устройства по авт,св. й 1536428,В основном изобретении описано устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции, содержащее основание с опорами для установки конструкции, источник механических колебаний, блок регистрации, оптический квантовый генератор, фотоприемник, блок формирования управляющих импульсов. При этом источник механических колебаний выполнен в виде магнитоэлектрического преобразователя с усилителем для взаимодействия с конструкцией, а квантовый генератор оптически связан с фотоприемником, выходы которого подключены к входу блока формирования управляющих импульсов и к первому входу блока регистрации, второй и величины нагрузки. Устройство дополнительно снабжено связанной с основанием стойкой, на которой установлена с возможностью перемещения подвижная платформа, и с датчиком перемещений платформы, связанным с пятым входом блока регистрации. Оптический квантовый генератор и фотоприемник размещены на подвижной платформе. Кроме того, устройство снабжено блоком выделения максимальной глубины модуляции, состоящим из последовательно соединенных амплитудного детектора дифференцирующего каскада и компаратора. Узел создания нагрузки содержит последовательно соединенные гидроаккумулятор, редуктор давления и гидроцилиндр с поршнем, 2 з.п.ф-лы, 9 ил. а третий входы которого связаны соответственно с первым и вторым выходами, блока формирования управляющих импульсов, второй выход которого также подключен к усилителю магнитоэлектрического преобразователя, соединенным с четвертым входом блока регистрации. При этом блок формирования управляющих импульсов содержит последовательно включенные амплитудный детектор, перестраиваемый фильтр, усилитель-ограничитель, генератор электрических сигналов, Вход амплитудного детектора является входом блока формирования импульсов, выход амплитудного детектора является первым выходом блока формирования импульсов, а выход генератора электрических сигналов является вторым выходом блока формирования импульсов.Недостатком указанного устройства являются его ограниченные дидактическиевозможности, так как оно не позволяет исследовать формы колебаний конструкций.Цель изобретения - расширение дидактических возможностей за счет демонстрации зависимости формы колебаний от величины нагрузки.Поставленная цель достигается тем, что устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции, содержащее основание с опорами для установки конструкции, источник механических колебаний, блок регистрации, оптический квантовый генератор, фотоприемник, блок формирования управляющих импульсов, причем источник механических колебаний выполнен в виде магнитоэлектрического преобразователя с усилителем для взаимодействия с конструкцией, квантовый генератор оптически связан с фотоприемником, выходы которого подключены к входу блока формирования управляющих импульсов и к первому входу блока регистрации, второй и третий входы которого связаны соответственно с первым и вторым выходами блока форм;верования управляющих импульсов, второй выход которого также подключен к усилителю магнитоэлектрического преобразователя, соединенным с четвертым входом блока регистрации, причем блок формирования управляющих импульсов содержит последовательно включенные амплитудный детектор, перестраиваемый фильтр, усилитель-ограничитель, генератор электрических сигналов, вход амплитудного детектора является входом блока формирования импульсов, выход амплитудного детектора является первым выходом блока формирования импульсов, а выход генератора электрических сигналов является вторым выходом блока формирования импульсов, дополнительно содержит установленную на направляющей и кинематически связанную с ходовым винтом подвижную платформу, датчик перемещения платформы, узел создания .нагрузок с датчиком давления и блок выделения максимальной глубины модуляции. При этом на, правляющая установлена на основании параллельно балке, датчик перемещения кинематически связан с подвижной платформой, а выходное звено узла создания нагрузок кинематически соединено с подвижной опорой балки. При этом квантовый генератор, блок модуляции, коллиматор, интерференционный фильтр и фотоприемник установлены на подвижной платформе, выходы датчика давления, датчика перемещения и блока выделения максимальной глубины модуляции связаны соответстзенно с пятым, шестым и седьмым входом бло 5 10 на модуляции колеблющейся поверхностью 20 излучения оптического квантового генератора. При этом максимальная глубина соот 25 55 30 35 40 45 50 ка регистрации, а вход блока выделения максимальной глубины модуляции подключен к выходу блока формирования.управляющих импульсов, Узел создания нагрузки содержит последовательно соединенные гидроаккумулятор, регулятор давления и гидроцилиндр с поршнем, который является выходным звеном, а блок выделения максимальной глубины модуляции включает последовательно соединенные амплитудный детектор, дифференцирующий каскад и компаратор, выход которого является выходом блока, а входом блока является вход амплитудного детектора. При колебаниях конструкции в режиме автоколебательного воздействия при перемещении подвижной платформы относительно конструкции меняется (как это будет показано ниже) глубиветствует узловым точкам колеблющейся поверхности конструкции, По сигналу с датчика перемещений и сигналу с блока вйделения максимальной глубины модуляции, который выделяет сигнал, соответствующий точкам на поверхности конструкции, где максимальная глубина модуляции, т.е. узловым точкам, можно с помощью блока регистрации определить длины волн колеблющейся конструкции, т,е. исследовать формы колебаний конструкции.На фиг, 1 и 2 изображено устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции, общий вид; на фиг. 3 - блок модуляции излучения; на фиг, 4 - фотоприемник; на фиг. 5 - блок формирования управляющих импульсов; на фиг. 6 - блок выделения максимальной глубины модуляции; на фиг, 7 - схема взаимодействия излучения ОКГ с колеблющейся поверхностью конструкции; на фиг, 8- сигналы на входе и выходе амплитудного детектора блока формирования управляющих импульсов, на выходе амплитудного детектора блока выделения максимальной глубины модуляции; на фиг. 9 - сигнал на выходе компаратора блока выделения максимальной. глубины модуляции.Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции содержит основание 1 (фиг. 1), установленные на основании опоры 2 и 3, установленную на опорах конструкцию, например балку 4,Оптический квантовый генератор 5 (например, газовый ОКГ типа ЛГ) снабжен оптической системой для подвода излучения к поверхности конструкции 4, включающей блок 6 модуляции и, например, коллиматор 7, Кроме того, устройство содержит подключенный к блоку 8 регистрации (например, один или несколько многоканальных осциллографов типа Н, позволяющих одновременно регистрировать до 12-ти сигналов на светочувствительной бумаге), фотоприемник 9 и оптическую систему подвода отраженного от конструкции 4 излучения генератора 5 к фотоприемнику 9 включающую, например, коллиматор 10 и интерференционный фильтр 11, настроенный на длину волны излучения генератора 5. Выход фотоприемника 9 подключен к выходу блока 12 формирования управляющих импульсов, выходы которого подключены к блоку 8 регистрации, блоку 13 выделения максимальной глубины модуляции (выход которого также подключен к блоку 8 регистрации), к источнику механических колебаний, содержащему последовательно соединенные усилитель 14 (например, усилитель мощности УКУ, один из выходов которого подключен к блоку 8 регистрации)и магнитоэлектрический преобразователь 15 (например, динамик 30 ГД). При этом магнитоэлектрический преобразователь может быть снабжен толкателем 16, прикрепленным, например, к диффузору 17, ОКГ 5, блок 6 модуляции, коллиматор 7, фотоприемник 9, коллиматор 10, фильтр 11 неподвижно закреплены на подвижной платформе 18, установленной на стойке с возможностью перемещения относительно конструкции 4. Стойка может состоять из связанных с основанием 1 винта 19 и стойки (направляющей) 20, причем винт 19 через червячную передачу 21 и муфту 22 связан с рукояткой 23,На фиг, 1 представлена стойка, обеспечивающая поступательное перемещение платформы относительно конструкции, на фиг.2 - угловое перемещение в плоскости чертежа на фиг. 1. Ха платформе 18 установлен датчик 24 перемещений (например, многооборотный потенциометр, включенный по мостовой схеме) соединенный, например, с помощью троса 25, переброшенного через блок 26, с опорой 2, При этом датчик 24 подключен к блоку 8 регистрации. Кроме того, с опорой 3 связано нагружающее устройство, выполненное, например, в виде гидроцилиндра 27, подключенного через регулятор 28 давления (например, редуктор) к источнику 29 давления (например, гидроаккумулятор), Датчик 30 давления (например, индуктивный датчик давления) подключен к полости гидро- цилиндра и к блоку 8 регистрации. Блок 6 модуляции (фиг. 3) содержит электрооптический модулятор 31 (например, МЛ) с источником 32 напряжения смещения рабочей точки модулятора и подключенный к нему генератор 33 поднесущей частоты для обеспечения возможности усиления сигнала, несущего полезную информацию о колебаниях конструкции 4 с помощью узко 5. полосного усилителя (в качестве генератораможет быть использован генератор Г 3-41).Фотоприемник 9 (фиг. 4) содержит фотоэлектронный умножитель 34 (например,.ФЭУА) с блоком 35 питания и усилитель10 36, в качестве которого может быть использовано, например, селективный микровольтметр В 6-1, Блок 12 формирования управляющих импульсов (фиг. 5) содержит амплитудный детектор 37, активный фильтр 15 38, в качестве которого может. быть использован усилитель с частотно-зависимой положительной. обратной связью, выполненной, например, на основе моста Вина, блок 39 преобразования сигнала в 20 прямоугольные импульсы (например, усилитель-формирователь УЗ), генератор 40 электрических импульсов, работающий в режиме внешнего запуска (например,Г 5-26).Блок 13 выделения максимальной глубины 25 модуляции (фиг. 6) содержит последовательно соединенные амплитудный детектор 41 (с большой относительно детектора 37 постоянной времени 1 Т, где Т - ожидаемый период колебаний конструкции 4), дифференцирую щего каскада 42(например, ЯС-цепочка), компаратора 43 (выполненного, например, на основе микросхемы 140 УД 1).Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции работает 35 следующим образом.Запускают оптический квантовый генератор 5, Его излучение, модулированное по амплитуде блоком 6 модуляции, с помощью коллиматора 7 подводится к поверхности 40 конструкции 4 (модуляция осуществляется спомощью модулятора 31 с подключенный к нему генератором 33 для обеспечения возможности усиления сигнала, несущего полезную информацию о колебаниях 45 конструкции 4 с помощью узкополосногоусилителя 36), Излучение оптического квантового генератора 5 модулируется по амплитуде колеблющейся поверхностью конструкции 4 (при включении оптического 50 .квантового генератора 5 будет подан первый импульс на усилитель 14 и магнитоэлектрический преобразователь 15 источника механических колебаний). Отраженное излучение генератора 5 с помощью оптиче ской системы (коллиматора 10 иинтерференционного фильтра 11, настроенного на длину волн излучения оптического квантового генератора 5) подводится к фотоприемнику 9, где сигнал усиливается с помощью узкополосного усилителя 36 и подается на блок 12 формирования управляющих импульсов, а также на блок 8 регистрации для контроля качества принимаемого сигнала. В блоке формирования управляющих импульсов сигнал поступает на амплитудный детектор 37, с выхода которого снимается сигнал, содержащий информацию о частоте, амплитуде и форме колебаний точки поверхно ти конструкции, на которую попадает излучение ОКГ 5 (сигнал поступает на блок 8 регистрации), Этот сигнал представляет собой периодическую функцию времени, близкую к синусоидальной,Чтобы устранить влияние высших гармоник на формированле управляющих импульсов в блок введен перестраиваемый активный фильтр 38. Сигнал с него преобразуется в пропорциональные импульсы с помощью усилителя-ограничителя 39 и генератора 40 электрических импульсов. Импульсы с блока 12 поступают на усилитель 14 (сигнал с выхода усилителя контролируется с помощью блока 8 регистрации) а затем а магнитоэлектрический преобразователь 15. Последний посредством толкателя 16 взаимодействует с конструкцией 4. Таким образом, момент времени подвода механической энергии к конструкции 4 определяется параметрами колебаний конструкции 4, При этом амплитуда колебаний постепенно возрастает по закону, определяемому добротностью колебательной системы, После наступления установившегося режима колебаний с целью исследования формы колебаний конструкции (длин волн поверхности конструкции 4) начинают вращать рукоятку 23, При этом подвижная платформа 18 начинает перемешаться по направляющей 20 поступательно вдоль конструкции 4 (может также проводиться угловое перемещение платформы при вращении рукоятки 23 (фиг, 2), если обеспечено достаточно большое расстояние между платформой и конструкцией. Расстояние определяется исходя из того, чтобы поворот платформы при охвате всей конструкции не превышал нескольких угловых минут). При этом начинает меняться глубина модуляции принимаемого:ротоп риемником 9 сигнала. Покажем этоПараметры модуляции интенсивности отраженного сигнала от колеблющейся поверхности могут быть оценены из расчета мощности рассеянного электрического поля в точке приема в различные моменты времени. Для этого может быть использовано метод касательной плоскости, когда профиль поверхности представляется в виде элементарных площадок, Принимая диаграмму направленности элементарной площадки в виде кардиоиды (элемент Гюйгенса), используя принцип суперпозиции и переходя к пределу, получим следующую формулу для 5 расчета интенсивности сигнала в фотоприемнике 9:Р( О) = А( О ) + В(0 ) 21.о х) з 1 п ( --)1 24 Х 2 - Х 1хх Оо г з 1 п Йс,г 4 лг1где А( О) = - + - соз 2 О + - соз 4 0;3 18 2 8В( О) = -- (2 з 1 п 20 + з 1 п 40 );12С( О ) = - соз 2 О + 2 соз 4 О;О- угол падения луча ОКГ 5 на колеблющуюся поверхность;1 - пространственная длина изгибнойволны колеблющейся поверхности;0 о - амплитуда смещения колеблющейся поверхности крайних точек;х 1, х 2 - координаты крайних точек облучаемого участка колеблющейся поверхности.Й - частота колеблющейся поверхно 35 сФиксируя 0 и принимая размеры облу 1ченной поверхности, например а = - (фиг.27), легко из (1) видеть, что максимальнаяглубина модуляции (сомножитель при зи Юво втором слагаемом (1 наблюдается припрохождении излучения ОКГ 5 через узловую точку(точка А на фиг. 7) колеблющейсяповерхности, При перемещении платформы18 относительно конструкции 4 трос 25, разматываясь, вращает ось датчика 24 перемещений, При этом последний выдает сигнал,пропорциональный этому перемещению(датчик 24 предварительно тарируют), на50 блок 8 регистрации. В то же время сигнал сблока 12 формирования поступает на блоквыделения максимальной глубины модуляции (на фиг. 8 представлены сигналы на входе в амплитудный детектор 37 - сигнал 44,на входе в блок выделения максимальнойглубины модуляции - сигнал 45), которыйдетектируется с помощью детектора 41(сигнал на его выходе представлен на фиг. 8 -сигнал 46), дифференцируется каскадом 42,и на выходе компаратора 43 сигнал приобретает вид, представленный на фиг, 9 (скачки при смене знака производной сигнала 46, т.е, при прохождении через узловые точки колеблющейся поверхности конструкции 4), Таким образом, по сигналам с датчика 24 и блока 13 регистрируется с помощью блока 8 длины волн колеблющейся конструкции 4 (исследуется форма колебаний конструкции 4). Описанные исследования конструкции могут проводиться и при различных нагрузках на конструкцию (исследование влияния нагрузки на колебания конструкции). При этом уровень нагрузки задают с помощью регулятора 28, подавая давление от источника 29 в полость гидроцилиндра 27 (при этом перемещается шток гидроцилиндра 27, воздействуя через опору 3 на конструкцию 4), Уровень нагрузки регистрируется с помощью блока 8 по сигналу с датчика 30 давления.Технико-экономический эффект от использования изобретения заключается в расширении дидактических возможностей устройства; так как, помимо демонстрации колебаний конструкции в режиме автоколебательного воздействия, обеспечена демонстрация форм колебаний при таком воздействии, демонстрация влияния на колебания конструкции действующих на нее нагрузок. Формула изобретения 1, Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции по авт.св. М 1536428, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения дидактических возможностей за счет демонстрации зависимости формы колебаний от величины нагрузки, оно дополнительно содержит установленную на направляющей и кинематически связанную с ходовым винтом подвижную платформу, датчик перемеще ния платформы, узел создания нагрузок сдатчиком давления и блок выделения максимальной глубины модуляции, при этом направляющая установлена на основании параллельно балке, датчик перемещения 10 кинематически связан с подвижной платформой, а выходное звено узла создания нагрузок кинематически соединено с подвижной опорой балки, при этом квантовый генератор, блок модуляции, коллиматор, ин терференционный фильтр и фотоприемникустановлены на подвижной платформе, выходы датчика давления, датчика перемещения и блока выделения максимальной глубины модуляции связаны соответствен носпятым,шестым иседьмымвходомблокарегистрации, а вход блока выделения максимальной глубины модуляции подключен к выходу блока формирования управляющих импульсов.25 2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что узел создания нагрузки содержит последовательно соединенные гидро- аккумулятор, регулятор давления и гидроцилиндр с поршнем, который является 30 выходным звеном.3, Устройствопоп,1,отличающеес я тем, что блок выделения максимальной глубины модуляции включает последовательно соединенные амплитудный детек тор, дифференцирующий каскад икомпаратор, выход которого является выходом блока, а входом блока является вход амплитудного детектора,1720067 Составитель В.НестеТехред М.Моргентал дактор М.Кобылянска рректор А,Осауленко Т ательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 изводствен аказ 772 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям и 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5