ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЧКОВОГО ИМПУЛЬСА СПОРТСМЕНА
DEVICE FOR MEASURING PUSHING MOMENTUM OF ATHLETE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам объективного контроля индивидуальных физических данных спортсменов в легкой атлетике.
Известны различные методы и средства преобразования физических величин в электрический сигнал. Для измерения механических напряжений (усилий) наибольшее применение нашли тензометрические и пьезометрические датчики [см., например. Справочник по радиоэлектронике, том 2, под редакцией А.А.Куликовского, изд. «Энергия», Москва, 1968 г., раздел 19, Электрические измерения неэлектрических величин, стр.454-472 - аналог].
Известен «Способ определения энергии машин ударного действия и устройство для его осуществления», см. Авторское свидетельство SU №1610322, G01L 5/00, 1990 г. - аналог.
2
Устройство для осуществления способа содержит датчик момента удара, выполненный в виде упругой пластины с прикрепленными к ней тензодатчиками, один конец которой жестко соединен с ударной частью машины, и инерционного элемента калиброванной массы, размещенного на втором конце упругой пластины, поджатой к упору. При ударе упругая пластина под действием сил инерции калиброванного элемента изгибается, при этом величина прогиба пропорциональна силе F=ma, сила регистрируется тензодатчиками, сигнал с которых подается на тензоделитель и далее на интегратор, на входе которого получают сигнал, пропорциональный импульсу торможения, величину которого регистрирует прибор-индикатор. По известной массе и измеренному значению импульса определяют предударную скорость (V) рабочего органа и энергию удара машины: E=mv/2, m - масса ударной части машины.
Недостатками аналога являются:
- невысокая чувствительность тензометрических датчиков как таковых;
- невозможность непосредственного использования, поскольку толчковый импульс функционально не может быть ограничен упором при динамических измерениях.
Известны преобразователи ударных импульсов в электрический сигнал (фирмы Bruel & Kjer) на основе пьезокерамических акселерометров [см., например, «Пьезоэлектрические датчики», под редакцией В.М.Шарапова, Москва, Техносфера, 2006 г., рис.13.13 - ближайший аналог]. Измеритель включает пьезокерамический акселерометр, устанавливаемый на контролируемый объект (механическое закрепление или приклеивание компаундом), гибкий проводник, малошумящий кабель, припаянный к верхнему электроду для съема заряда и передачи его на вход электронной схемы на основе усилителя заряда. Пьезоэлемент генерирует электрический заряд пропорционально действующей на него динамической силе. Поскольку амплитуда и фаза ускорения инерционной массы акселерометра в широком частотном диапазоне идентичны амплитуде и фазе ускорения основания акселерометра, электрический заряд пропорционален ускорению механических колебаний поверхности объекта, на котором акселерометр закреплен.
Недостатком ближайшего аналога является функциональная ограниченность, в смысле невозможности решения в полном объеме задачи измерения толчкового импульса спортсмена.
Задача, решаемая заявляемым измерителем, состоит в неискаженном воспроизведении толчкового импульса спортсмена посредством подпружиненной платформы и реализации его измерений электронной схемой, учитывающей как скорость разбега спортсмена, так и толчкового усилия.
Технический результат достигается тем, что измеритель толчкового импульса спортсмена содержит подпружиненную платформу, воспринимающую толчковый импульс наскока с коэффициентом передачи динамического усилия, равным единице, жестко закрепленный на платформе пьезоэлектрический акселерометр, выход которого подключен к электронной схеме в составе последовательно подключенных усилителя заряда на базе операционного усилителя в режиме активного фильтра верхних частот со сменной корректирующей цепочкой RC, операционного усилителя в режиме активного фильтра нижних частот со сменной корректирующей цепочкой RC, пикового детектора с большой постоянной времени релаксации и индикатора.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг.1 - функциональная схема измерителя;
фиг.2 - последовательность толчковых импульсов спортсмена при разбеге;
фиг.3 - Фурье-спектр толчкового импульса;
фиг.4 - коэффициент передачи подпружиненной платформы в диапазоне частот кинематического возбуждения;
фиг.5 - вид функции сигнала, регистрируемой индикатором.
Функциональная схема измерителя толчкового импульса спортсмена фиг.1 содержит подпружиненную платформу 1 в составе: доска наскока 2, массы нагружения пружин 3, дополнительные регулируемые массы нагружения 4 подбора собственной (резонансной) частоты платформы 1, набор параллельно подключенных пружин 5, болтов поджатая пружин 6 к поддону 7 с возможностью свободного хода при толчке спортсмена в месте закрепления их в поддоне, пьезокерамический акселерометр 8, жестко закрепленный на доске наскока 2, электронная схема 9 неискаженного усиления сигнала пъезокерамического акселерометра 8 в составе усилителя заряда 10, собранного по схеме: активный фильтр верхних частот со сменной корректирующей цепочкой 11 фронта импульса сигнала, активный фильтр нижних частот 12 со сменной корректирующей цепочкой амплитуды импульса сигнала 13, пиковый детектор видеосигнала 14, индикатор-вольтметр 15.
Спортивный результат определяется достигаемым ускорением спортсмена в момент толчка, поэтому измеряемой величиной измерителя является пиковое значение ускорения.
Измеритель устанавливают в конце полосы разбега, в подготовленную нишу на черте отталкивания.
Динамика взаимодействия элементов измерителя и физическая сущность измерений состоит в следующем.
п
Разбег спортсмена перед прыжком характеризуется последовательностью толчковых импульсов фиг.2. Максимальная скорость при спринтерском забеге (олимпийский рекорд) порядка 10 м/с. Длина одного шага 1,1…1,2 м, размер длины подошвы обуви (41-45 размер) 21…27 см или 1/5 шага при беге. На фиг.2 представлены последовательность толчковых импульсов при скоростях разбега соответственно 10 м/с и 5 м/с. Из чего следует, что длительность толчкового импульса занимает интервал 0,025…0,05 с, а период повторения Т, соответственно равен 0,125…0,25 с. Известно каноническое разложение импульса (типовой полусинусоидальной формы) в ряд Фурье [см., Справочник «Вибрации в технике», под ред. К.В.Фролова, М.: Машиностроение, т.6, 1981 г., стр.287]. Спектр Фурье толчковых импульсов спортсменов (при аппроксимации их формы полусинусоидой) иллюстрируется графиками фиг.3. Гармоники спектра типового полусинусоидального импульса рассчитываются из аналитического выражения:
и
0
1
2
3
0
1
2
3
Относительные амплитуды спектральных гармоник (согласно фиг.3) F(f)/at соответственно составляют: А=0,635; A=0,43; А=0,21; А=0,07; f=0; f=20-40 Гц; f=40-80 Гц; f=60-120 Гц.
Для преобразования толчковых импульсов в электрический сигнал используют пьезоэлектрический преобразователь (8), установленный на подпружиненной платформе (1), на которую спортсмены напрыгивают при разбеге. Чтобы избежать искажений при преобразовании физической величины (толчкового импульса) в электрический сигнал, необходимо обеспечить коэффициент передачи динамического усилия подпружиненной платформы, близким к единице. По определению [см., например. Справочник «Вибрации в технике», под ред. К.В.Фролова, М.: Машиностроение, т.6, 1981 г., стр.175, рис.4], коэффициент передачи вибросистемы представляет собой отношение абсолютных ускорений объекта и источника:
где ν - коэффициент демпфирования, равный v=1/2Q;
Q - качество энергоемкого элемента;
z - отношение частоты кинематического возбуждения  к собственной частоте вибросистемы
Известна зависимость собственной частоты  вибросистемы от массы (m) нагружения и жесткости (с) виброизолятора (пружины) [см., например, Справочник «Вибрации в технике», под ред. К.В.Фролова, М.: Машиностроение, т.6, 1981 г., стр.172, формула 2]:
3
На фиг.4 иллюстрируется зависимость коэффициента передачи подпружиненной платформы в диапазоне частот толчкового импульса. Для неискаженного преобразования толчкового импульса в электрический сигнал собственная резонансная частота подпружиненной платформы должна выбираться выше максимальной частоты спектра толчкового импульса (фиг.3), равной f≈60…120 Гц.
Собственная частота пружинного виброизолятора определяется формулой Рело [см. Справочник «Приборы и системы для измерения вибрации, шума, удара», под ред. В.В.Клюева, М.: Машиностроение, т.1, 1978 г., стр.46]:
2
где G - модуль сдвига пружинной проволоки ~8,5·10 Н/м;
d - диаметр проволоки;
D - диаметр витка навивки пружины;
n - количество витков пружины;
m - масса нагружения.
В подпружиненной платформе (1) использованы стандартные, серийно изготавливаемые пружины [см. В.И.Анурьев, Справочник конструктора-машиностроителя, M.: Машиностроение, изд. 6-е, том 3, 1982 г., табл.11, пружины №78, №82, №149]. Обеспечение коэффициента передачи k→1 путем выбора собственной резонансной частоты вибросистемы из массы нагружения (3) и жесткости пружин (5) обеспечивают регулированием дополнительных масс нагружения 4 (под собственный вес спортсмена). Расчетное значение статической осадки пружин (поджатие пружин посредством болтов 6) при перечисленных выше частотах спектра толчковых импульсов должно составлять 1,5-2 мм.
фр
верш
Преобразование толчковых импульсов наскока на подпружиненную платформу осуществляют посредством пьезокерамического акселерометра. Для неискаженного воспроизведения формы импульса электрического сигнала рекомендуют [см., например, «Пьезоэлектрические датчики» под ред. В.М.Шарапова, Техносфера. M., 2006 г., рис.13.11] использовать эквивалентную схему с источником заряда и последующим усилителем заряда. Одновременно, для неискаженного воспроизведения формы сигнала пьезоакселерометра в электронной схеме используют активные фильтры верхних и нижних частот со сменными корректирующими цепочками (11, 13), выбираемыми в зависимости от веса спортсмена и резкости толчка. Коррекция формы импульса сигнала в области фронта (t) и в области понижения вершины (t), посредством корректирующих цепочек иллюстрируется фиг.5.
Для устойчивого отсчета результата измерений индикатором время релаксации пикового детектора выбирается большим (RC - несколько секунд).
Элементы устройства выполнены на существующей технической базе и по известным электронным схемам. Пьезокерамический акселерометр фирмы Bruel & Kjer тип 861 285, частотный диапазон 0,5…5,000 Гц, перегрузка ±50 г, вес 70 г.
Активные фильтры верхних и нижних частот выполнены на операционных усилителях тип К.1446 УД5Р по электронной схеме см., например, Ж. Марше, перев. с французского, «Операционные усилители и их применение» § 8.3, Активные фильтры на базе усилителей с обратной связью, стр.190-194, изд. «Энергия», Ленинградское отделение, 1974 г. Пиковый детектор выполнен на двух операционных усилителях по схеме, см., например, Г.И.Волович «Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств», изд. дом. «Додэка - XXI», 2005 г., Москва, стр.144, рис.2.74. Корректирующие цепочки активных фильтров RC верхних и нижних частот, соответственно τ∈[1…0,1] с и τ∈[0,01…0,05] с.
Эффективность заявленного измерителя характеризуется оперативностью и достоверностью объективного контроля физических данных спортсменов.