УСТРОЙСТВО ИНДИКАЦИИ РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ

Полезная модель относится к области измерительной техники, а конкретно, к устройствам определения резонанса конструкции для выбора режима испытаний на вибропрочность, виброустойчивость и выбора дальнейших конструктивных решений.
Резонансной частотой конструкции является частота колебаний при условии, что частота возбуждающей системы совпадает с собственной частотой конструкции.
Классический метод определения резонансных частот заключается в установке на исследуемый объект пьезоэлектрических датчиков и анализ их сигналов по амплитуде. Недостаток этого метода заключается в том, что закрепленные датчики имеют массу, что вводит порой значительные искажения в их показания при установке на малогабаритные изделия, такие как микросхемы или транзисторы.
Известно устройство определения резонансных частот конструкции (патент № US 5883715, 1999 г., патентообладатель BOSCH GMBH ROBERT), состоящее из полупроводникового лазера, оптической системы, необходимой для формирования излучения и приема отраженного оптического сигнала. Гетеродинование отраженного сигнала с лазерным излучением и выделение разностного сигнала, пропорционального амплитуде вибрации точки, на которую падает излучение, позволяет определить критическую частоту.
К достоинствам данного решения следует отнести бесконтактное дистанционное измерение перемещений (вибрации) контролируемой точки поверхности, на которую падает лазерное излучение. Недостатком является очень высокая стоимость и относительно низкий динамический диапазон входного сигнала, а также большое время измерения.
1
2
1
1
1
2
Известно устройство определения резонансных частот с использованием стробоскопа «Генкина М.Д. Вибрация в технике. Измерение и испытания. В 6-ти. томах. Том 5. «Машиностроение», - М. 1981 г. стр. 125-126», принцип действия которого основан на стробоскопическом эффекте, т.е. при циклическом перемещении объекта с частотой f в определенный момент времени происходит вспышка света с частотой f=f+4 Гц. Где f - частота предполагаемого резонанса. При наличии резонанса, когда f=f оптически видны высвечиваемые стробоскопом штрихи частотой приблизительно 4 Гц. Недостаток метода заключается в том, что при небольшой амплитуде визуально трудно определить момент возникновения резонанса и оценить его характер.
Наиболее близким, взятым в качестве прототипа, является установка определения резонансных частот (патент №2377509, 2008 г., патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет), содержащая вибратор, на подвижной части которого закреплен объект контроля и источник света. Момент резонанса фиксируется по максимальной величине ширины линии, отраженной от объекта контроля. Недостатком известного способа является недостаточная точность и сложность используемой конструкции, которая должна иметь отражательную способность.
Задачей предлагаемого способа является повышение точности определения резонансных частот конструкции.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известном устройстве индикации резонансных частот, содержащем вибратор для установки на нем объекта контроля и источник света, источник света выполнен в виде трех светодиодов разного цвета: красного, синего и зеленого, при этом один источник света, подключен к источнику постоянного тока, а другие два - к источнику стробирующих импульсов, например, зеленый, подключен к источнику постоянного тока, а синий и красный подключены к источнику стробирующих импульсов. При этом источник стробирующих импульсов и источник постоянного тока собраны на микроконтроллере, а микроконтроллер соединен с усилителем вибратора для подачи синусоидального сигнала и с цифровым осциллографом.
Технический результат заявленного решения достигается за счет того, что при смешении трех цветов исследуемый объект подсвечивается белым цветом. Затем при изменении частоты колебаний, в стробоскопическом свете, направленном на объект контроля от источников разного цвета, при совпадении резонансной частоты объекта контроля и частоты механических колебаний вибростенда, наблюдается разделение одной полосы белого цвета на три полосы разных цветов: красного, синего и зеленого. Визуально наблюдаемые оптические эффекты, представляющие устойчивые разноцветные полосы, позволяют с большой точностью фиксировать момент резонанса.
Заявленное решение характеризуется высокой разрешающей способностью определения резонансных частот конструкции и низкой стоимостью по сравнению с известными методами.
Заявленное решение поясняется графическими материалами, где:
На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства индикации резонансных частот.
В качестве дополнительных материалов, иллюстрирующих заявленное решение, представлены фотографии проведенного эксперимента.
На фиг. 2 показан начальный период измерений.
На фиг. 3 показан момент резонанса.
На фиг. 4 показан экран осциллографа.
Устройство индикации резонансных частот (фиг 1.) содержит вибратор 1 и усилитель 2 вибратора 1. На подвижной части вибратора 1 закреплен исследуемый объект 3 (объект контроля). Перед объектом контроля 3 установлены три светодиода: светодиод красного цвета 4, светодиод синего цвета 5 и светодиод зеленого цвета 6. Светодиод красного цвета 4 и светодиод синего цвета 5 подключены к источнику стробирующих импульсов 7 (при этом коммутируют сигнал по фазам 90 градусов между сигналом красного и синего светодиодов), а светодиод зеленого цвета 6 соединен с источником постоянного тока 8. Устройство содержит 4-х канальный цифровой осциллограф 9, по входам соединенный с усилителем 2 вибратора и с источником стробирующих импульсов 7.
Устройство работает следующим образом. Объект контроля 3 закрепляется на подвижной части вибростенда 1, которая приводится в колебательное движение с переменной частотой. На объект контроля 3 направляют излучения от трех источников света: светодиода красного цвета 4, светодиода синего цвета 5 и светодиод зеленого цвета 6. В начале работы все три источника света настраиваются таким образом, чтобы при смешении трех цветов исследуемый объект подсвечивался белым цветом (см. фиг. 2). При этом светодиод зеленого цвета 6 подключают к источнику постоянного тока 8, и он горит постоянно, а на светодиод красного цвета 4 и на светодиод синего цвета 5 подают стробирующие импульсы длительностью примерно 1/20 от периода сигнала, подаваемого на вибратор 1. Затем начинают повышать частоту вибрации подвижной части вибратора 1. При вхождении конструкции в резонанс на объекте контроля появляются красные, синие и зеленые полосы. За счет разницы цветов более четко видна амплитуда перемещения. Момент резонанса визуально фиксируют, по появлению на объекте контроля разноцветных полос (см. фиг. 3).
Для эксперимента на вибраторе 1 консольно закрепляется отрезок медного провода, после чего установка включается в режиме сканирования по частоте. При этом источником можно подстраивать стробирующие импульсы под сигнал, подаваемый на вибраторе 1 и наблюдать их на осциллографе 9.
Для оценки пригодности использования заявленного устройства произведена оценка погрешности определения резонансной частоты. Для этого теоретически рассчитывают первую собственную частоту консольного прямолинейного жесткого стержня с жесткой заделкой левого конца. Для  расчета используют формулу (1). Формула для определения первой собственной частоты консольного прямолинейного жесткого цилиндрического стержня с жесткой заделкой левого конца:
ст
где L=98 мм - длина стержня
ст
D=1,3 мм - диаметр стержня
E=110 ГПа - модуль Юнга для меди
3
ρ=8,92 г/см - плотность меди
Расчетное значение резонансной частоты  Гц
Измеренное значение составляет  Гц
Далее определяют относительную погрешность измерения первой собственной частоты по формуле (2):
Из расчетов видно, что дистробоскопический метод имеет большие преимущества и низкую стоимость по сравнению с другими методами, представленными в ГОСТ 20.57.406-81. Очень интересным представляется вариант объединения данного метода с распространенными пакетами компьютерного моделирования. В этом случае становится возможным сравнивать экспериментально полученные значения собственных частот различных конструкций и рассчитанные в программе, например, методом конечных элементов. На основе проведенного сравнения можно выбирать наиболее устойчивую к вибрации конструкцию того или иного узла. Также метод, при соответствующей модернизации, может быть использован для поиска слабых мест в уже изготовленных изделиях, так как наличие резонанса и его вид будет определятся по изменению цвета исследуемой области, что очень легко зафиксировать.