УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИБРОИСПЫТАНИЙ

Полезная модель относится к виброиспытательной технике и может быть использована при испытаниях изделий с применением вибраторов с существенно неравномерной амплитудно-частотной характеристикой в рабочем диапазоне частот, например, электрогидравлических вибраторов.
Известно устройство для виброиспытаний изделий [1], содержащее последовательно соединенные генератор развертываемого синусоидального сигнала с блоком автоматической регулировки усиления (АРУ), имеющим входы управления коэффициентом усиления и скоростью регулировки усиления, усилитель мощности и вибровозбудитель, установленный на платформе вибровозбудителя первый вибропреобразователь, соединенный через предварительный усилитель и первый сопровождающий фильтр с входом управления коэффициентом усиления, устанавливаемый на испытуемом объекте второй вибропреобразователь, соединенный через согласующий усилитель, второй сопровождающий фильтр и управляемый ключ с входом управления коэффициентом усиления, компаратор, входы которого соединены с источником опорного напряжения и выходом второго сопровождающего фильтра, а выход - с управляющим входом ключа, дифференциатор, подключенный входом к выходу второго сопровождающего фильтра, а выходом - к входу управления скоростью регулировки блока АРУ, самописец, информационный вход которого подключен к выходу второго сопровождающего фильтра, а вход развертки - к генератору, к которому подключены также управляющие входы сопровождающих фильтров.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для виброиспытаний [2], содержащее последовательно соединенные генератор, выполненный со входом плавного регулирования коэффициента усиления, и вибратор, последовательно соединенные вибропреобразователь, сопровождающий фильтр, амплитудный детектор и пропорционально-дифференцирующее звено, второй выход генератора соединен со вторым входом сопровождающего фильтра, а вход плавного регулирования коэффициента усиления генератора - с выходом пропорционально-дифференцирующего звена, фазовый детектор, дифференциатор и компаратор, соединенные последовательно, причем первый и второй входы фазового детектора соединены соответственно с выходом сопровождающего фильтра и вторым выходом генератора, а пропорционально-дифференцирующее звено выполнено управляемым и его вход управления соединен с выходом компаратора.
Недостатком устройства-прототипа является невысокая точность поддержания заданного уровня вибрационного нагружения испытуемого изделия при развертке частоты с применением вибратора, имеющего существенно неравномерную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), например, электрогидравлического.
Предлагаемая полезная модель направлена на повышение точности поддержания уровня вибрационного нагружения при использовании вибратора с существенно неравномерной АЧХ.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для виброиспытаний, содержащее генератор с входом плавного регулирования коэффициента усиления, вибратор, вибропреобразователь, сопровождающий фильтр, амплитудный детектор, управляемое пропорционально-дифференцирующее звено, последовательно соединенные фазовый детектор, дифференциатор и компаратор, причем первый выход генератора соединен с входом вибратора, а второй выход - с первыми входами фильтра и фазового детектора, второй вход фильтра соединен с выходом вибропреобразователя, а второй вход фазового детектора - с выходом фильтра, выход амплитудного детектора соединен с первым входом пропорционально-дифференцирующего звена, второй вход которого соединен с выходом компаратора, а выход - с входом плавного регулирования коэффициента усиления генератора, согласно предложению, дополнительно снабжено компенсатором неравномерности амплитудно-частотной характеристики вибратора. Вход компенсатора подключен к выходу фильтра, а выход - к входу амплитудного детектора.
Компенсатор неравномерности АЧХ вибратора выполнен в виде полосно-заграждающего фильтра, передаточная функция которого является обратной по отношению к АЧХ вибратора. Выполнение компенсатора неравномерности АЧХ вибратора таким образом и подключение его входом к выходу сопровождающего фильтра, а выходом - к входу амплитудного детектора повышает точность поддержания уровня вибрационного нагружения за счет выравнивания совокупной АЧХ системы в рабочем диапазоне частот.
Устройство для виброиспытаний поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена структурная схема устройства, на фиг.2 - схема компенсатора АЧХ вибратора, на фиг.3 - АЧХ электрогидравлического вибратора, на фиг.4 - АЧХ компенсатора.
Устройство для виброиспытаний (фиг.1) содержит генератор 1 с блоком компрессии, имеющим вход плавного управления коэффициентом усиления. Первый выход генератора соединен с вибратором 2 с размещенным на нем испытуемым объектом 3, а второй выход - с первым входом сопровождающего фильтра 4. Второй (информационный) вход фильтра подключен к вибропреобразователю 5, установленному на объекте 3. Устройство содержит также компенсатор 6, амплитудный детектор 7, управляемое пропорционально-дифференцирующее (ПД) звено 8, последовательно соединенные фазовый детектор 9, дифференциатор 10 и компаратор 11, причем первый вход детектора 9 соединен с вторым выходом генератора 1, а второй вход - с выходом фильтра 4 и входом компенсатора 6, выход которого соединен с входом амплитудного детектора 7. Выход последнего подключен к первому (информационному) входу ПД-звена 8, второй вход которого соединен с выходом компаратора 11, а выход - с управляющим входом генератора 1.
Компенсатор (блок 6 на фиг.1) в развернутом виде изображен на фиг.2 и содержит операционный усилитель 12, к неинвертирующему входу которого подключены первые выводы конденсатора 13 и резистора 14, вторые выводы которых соединены с первыми выводами соответственно конденсатора 15 и резистора 16. Вторые выводы конденсатора 15 и резистора 16 соединены между собой и являются входом компенсатора 6. К точке соединения выводов резисторов 14 и 16 подключен первым выводом конденсатор 17, второй вывод которого подключен к шине «Общий». Инвертирующий вход операционного усилителя 12 соединен с его выходом и с первым выводом резистора 18, второй вывод которого подключен к точке соединения выводов конденсаторов 13 и 15. Выход операционного усилителя 12 является выходом компенсатора 6.
Параметры конденсаторов 13, 15, 17 и резисторов 14, 16, 18, входящих в схему компенсатора 6, выбраны таким образом, что результирующая АЧХ полосно-заграждающего фильтра является обратной АЧХ вибратора.
Устройство работает следующим образом. Электрический гармонический сигнал, изменяющийся по частоте, с первого выхода генератора 1 подается на усилитель мощности вибратора 2 и преобразуется в механические колебания платформы вибратора 3, на которой закреплен испытуемый объект 3. Установленный на объекте 3 вибропреобразователь 5 вырабатывает сигнал отклика испытуемого объекта 4 на приложенное вибрационное воздействие. С выхода вибропреобразователя 5 нормализованный сигнал отклика, представляющий собой электрический сигнал в виде зашумленной синусоиды, подается на вход сопровождающего фильтра 4, перестраиваемого по сигналу генератора 1 с целью селекции основной гармоники вибрационного воздействия при развертке частоты по диапазону сканирования.
Отфильтрованный сигнал отклика через компенсатор 6 и амплитудный детектор 7, выделяющий амплитуду сигнала, поступает на ПД-звено 8, преобразующее амплитуду сигнала отклика в сигнал управления коэффициентом усиления блока компрессии генератора 1. Блок компрессии изменяет уровень гармонического электрического сигнала на первом выходе генератора 1 в зависимости от амплитуды сигнала отклика и ее изменения, что позволяет поддерживать с определенной точностью уровень вибрационного воздействия на объект 3 в процессе сканирования частоты. Одновременно фазовый детектор 9 в процессе развертки частоты вибрационного воздействия определяет фазо-частотную характеристику испытуемого объекта 3, а дифференциатор 10 выделяет на ней характерные, важные для управления нагружением участки в виде уменьшающегося значения фазовой задержки. На этих участках фазо-частотной характеристики компаратор И формирует управляющие сигналы для подстройки параметров ПД-звена 8, оптимизируя, таким образом, процедуру управления нагружением испытуемого изделия.
Однако, при проведении виброиспытаний с применением вибратора, имеющего существенно неравномерную АЧХ в рабочем диапазоне частот, например, электрогидравлического (фиг.3) [3, рис.2а], [4, рис.2а], [5], работа системы управления нагружением затруднена вследствие того, что в дополнение к необходимости компенсации резонансных явлений в объекте испытаний, возникающих в процессе развертки частоты, система управления должна компенсировать неравномерность АЧХ вибратора. Это приводит к снижению точности поддержания уровня нагружения в ситуациях, когда резонансные явления в объекте совпадают с участками наибольшего отклонения АЧХ вибратора от среднего уровня (участки частотного диапазона 1, 2 и 3 на фиг.3).
Задачу повышения точности поддержания заданного уровня вибронагружения в описанных условиях решает введение компенсатора 6 АЧХ вибратора, включенного между выходом сопровождающего фильтра 4 и входом амплитудного детектора 7 (фиг.2).
0
Компенсатор 6 реализован по известной схеме полосно-заграждающего фильтра на источнике напряжения, управляемом напряжением (ИНУН) [6, рис.6.5]. АЧХ компенсатора 6 изображена на фиг.4. Она представляет собой АЧХ полосно-заграждающего фильтра [6, рис.6.1], обратную АЧХ вибратора. Частота F, ширина полосы заграждения и крутизна спада и нарастания коэффициента передачи полосно-заграждающего фильтра определяются соотношениями емкостей конденсаторов 13, 15, 17 и сопротивлений резисторов 14, 16, 18, входящих в состав схемы компенсатора, что позволяет для различных типов вибраторов рассчитать оптимальную АЧХ компенсатора. Операционный усилитель 12 во всех режимах работы компенсатора 6 обеспечивает согласование выходного сопротивления пассивной части компенсатора (резисторов и конденсаторов) и входного сопротивления амплитудного детектора 7 (фиг.1).
Работа компенсатора 6 происходит следующим образом. На начальном участке развертки частоты вибрационного воздействия, когда проводимости конденсаторов 13, 15, 17 невелики (их сопротивления намного больше сопротивлений резисторов 14, 16, 18), схема работает как обычный повторитель напряжения с коэффициентом передачи, равным единице, так как замыкание инвертирующего входа и выхода операционного усилителя 12 обеспечивает именно такой режим работы (интервал частот 1 на фиг.4). Соотношение емкостей конденсаторов 13, 15 и 17 выбрано таким образом, что по мере роста частоты сигнала на входе компенсатора 6 первой начинает увеличиваться проводимость конденсатора 17, начинается работа классического фильтра нижних частот на резисторе 16 и конденсаторе 17 и сигнал на выходе операционного усилителя 12 начинает уменьшаться, постепенно переходя к ситуации полного подавления сигнала (интервал частот 2 на фиг.4), поскольку по мере роста частоты проводимость конденсатора 17 становится близкой к нулю. В то же время проводимость конденсаторов 13 и 15 еще недостаточна для пропускания сигнала с входа компенсатора 6 на неинвертирующий вход операционного усилителя 12 (обозначен знаком «+» на фиг.2), что и обеспечивает частотный интервал подавления сигнала. Конденсатор 17 при дальнейшей развертке частоты в работе компенсатора 6 не участвует - его сопротивление становится близким к нулю и точка соединения выводов резисторов 14 и 16 замыкается на «Общий», - при этом резистор 14 обеспечивает нормальный режим работы операционного усилителя 12, не давая замкнуться на «Общий» его неинвертирующему входу. В процессе дальнейшего роста частоты сигнала растет проводимость конденсаторов 13 и 15, начинается работа фильтра верхних частот, образованного парами: конденсатор 15 - резистор 18 и конденсатор 13 - резистор 14. Соответственно этому растет уровень сигнала на выходе операционного усилителя 12, возвращаясь постепенно к коэффициенту передачи, равному единице (интервал частот 3 на фиг.4). При последующем росте частоты проводимости конденсаторов 13 и 15 становятся близкими к нулю, и резистор 18 обеспечивает нормальную работу операционного усилителя 12, предотвращая короткое замыкание его выхода с неинвертирующим входом. Таким образом, происходит формирование АЧХ компенсатора 6, показанной на фиг.4.
Включение описанного компенсатора в кольцо обратной связи устройства для виброиспытаний выравнивает совокупную АЧХ системы управления и позволяет повысить точность поддержания уровня вибронагружения, а в критических ситуациях предотвращает разрушение объекта испытаний.
Источники информации
1. А.с. СССР N 1216695, G01М 7/00,1986, БИ N 9.
2. Патент РФ №2138792, G01M 7/02, G01H 17/00, 1999, Бюл. №27, ч.2 (прототип).
3. Шагинян А.С, Циммерман В.В., Гинзбург B.C. Нелинейные эффекты процесса возбуждения сейсмических волн электрогидравлическим вибратором // Нефтегазовая геология и геофизика, вып.12, 1983. - С.14-16.
4. Алешин А.С, Кузнецов В.В., Циммерман В.В., Гинзбург B.C. Параметрическое излучение сейсмических сигналов // Сборник «Проблемы нелинейной сейсмики» ИФЗ АН СССР, М: Наука, 1987. - С.263-267.
5. Шенк. Продольные цилиндры Гидропульс серии PL: Проспект. - Дармштадт: Карл Шенк А.Г, Р2701/3ч, 1987. 15 с.
6. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам: Пер. с англ./ Д.Джонсон, Дж.Джонсон, Г.Мур. - М: Энергоатомиздат, 1983. - 128 с.