Система формирования и анализа широкополосных нестационарных сигналов на основе виброиспытательного комплекса

СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА ШИРОКОПОЛОСНЫХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ВИБРОИСПЫТАТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Р.Р. АСКАРОВ, А.Ю. СВИЛИН Казанский государственный энергетический университет

В статье рассматривается пример построения системы для стендовых виброиспытаний изделий, состоящей из подсистемы формирования нестационарных сигналов и соответствующей подсистемы анализа.

Оборудование, установленное на транспортных средствах, находится под воздействием вибрации. Поэтому вновь разрабатываемое оборудование должно удовлетворять требованиям надежности при действии эксплуатационных вибрационных нагрузок. В настоящее время эту задачу решают с помощью специализированных испытательных комплексов на основе возбудителя механических колебаний, которые создают моногармоническую или по-лигармоническую, узкополосную или широкополосную случайную стационарную вибрацию [1]. Недостатком существующих методов отработки вибрационной надежности является то, что испытания проводятся на вибрацию, которая редко встречается в транспорте, а качество испытаний во многом определяется тем, насколько соответствует имитируемые лабораторные условия эксплуатационным. Вибрация подвижных средств представляет собой смешанные колебания, вызванные действием нескольких источников, одни из которых имеют периодические, а другие - случайные законы изменения, статистические характеристики которых меняются во времени, что указывает на их нестационарность.

Предлагается использовать новую систему формирования и анализа нестационарных сигналов, которая создает смешанные колебания, устраняя тем самым указанные недостатки стендовых виброиспытаний. На приведенной структурной схеме (рис. 1.) в каждом из п каналов подсистемы формирования (ПФ) генератор (ГГС) вырабатывает гармонический сигнал, модулируемый по частоте в определенном диапазоне, не перекрывающемся с диапазонами соседних каналов. Закон частотной модуляции синусоидального сигнала с ГГС в каждом канале носит случайный характер, так как этот закон определяет сигнал с генератора шума (ГШ), сглаженный фильтром нижних частот (ФНЧ). Амплитудные значения гармонического сигнала с ГГС в каждом канале изменяются усилителем (УС) с коэффициентом усиления, управляемым генератором модулированных сигналов (ГМС), который создает случайную или детерминированную амплитудную модуляцию. Сигналы со всех каналов подаются на сумматор, затем - на вход усилителя мощности вибростенда и далее - на электродинамический возбудитель, на столе которого жестко закреплено исследуемое изделие. Сигнал с датчика-акселерометра, находящегося на столе, поступает на предварительный усилитель (ПУ), а далее - в подсистему анализа (ПА), состоящую из такого же количества каналов, как и в формирователе. В каждом канале сигнал подвергается амплитудной демодуляции посредством усилителя (УС) с коэффициентом усиления обратно пропорциональным коэффициенту усиления в соответствующем канале

© Р. Р. Аскаров, А.Ю. Свилин

Проблемы энергетики, 2006, № 11-12

формирования. Затем сигнал поступает на узкополосный частотно-модулируемый фильтр (ЧМФ), закон модуляции которого определяется сигналом с ФНЧ, таким же, какой используется в канале формирователя. С выхода ЧМФ амплитудный детектор (АД) регистрирует уровни сигнала, которые отображаются на графике амплитудного спектра.

Рис. 1. Структурная схема

Воспроизводимый на столе возбудителя спектр вибрации должен соответствовать обобщенно-усредненному эксплуатационному

энергетическому спектру вибрации того типа транспортных средств, для которого разрабатывается испытываемое оборудование [2], поэтому предварительно, до испытаний, производится настройка параметров элементов каждого канала, входящего в систему: уровень напряжения ГШ, частота среза ФНЧ, вид сигналов с ГМС, коэффициент усиления усилителя мощности вибростенда и предварительного усилителя, ширина полосы пропускания ЧМФ.

Вибрация, создаваемая подсистемой формирования, случайная вследствие того, что частотная модуляция гармонических сигналов управляется случайной величиной — напряжением ГШ, и нестационарная вследствие того, что дисперсия с течением времени меняется в зависимости от напряжения ГМС. Но анализ этой вибрации проводится так же, как в системах с детерминированной вибрацией, так как параметры элементов подсистемы анализа автоматически подстраиваются под изменяющиеся сигналы формирователя. Поэтому рассматриваемая система, в сравнении с аналогами, производит измерения более точно. Погрешность анализа систем для виброиспытаний состоит из методической и аппаратурной погрешности. Методическая погрешность спектрального анализа зависит от случайной и погрешности нестационарности. Погрешность нестационарности

рассматриваемой системы, обусловленная изменением с течением времени статистических характеристик формируемых случайных сигналов, устраняется, так как в ПА в качестве сигналов демодуляции используются модулирующие сигналы формирователя. Случайная погрешность, определяющая точность оценки случайного сигнала в диапазоне частот пропускания анализирующего фильтра, незначительна в виду того, что в предложенной схеме ЧМФ в каждый момент времени настроен на частоту используемого при формировании сигнала, который изменяется по гармоническому закону. Аппаратурная погрешность обусловлена взаимным

перекрытием амплитудно-частотных характеристик полосовых фильтров, из которых состоит традиционно используемый при измерениях параллельный спектроанализатор. Применением узкополосных ЧМФ, модулируемых в широком диапазоне, решается задача ортогональности анализирующих фильтров, что значительно уменьшает аппаратурную погрешность.

Подсистемы ПФ и ПА описанной системы могут быть реализованы на основе персонального компьютера с соответствующим программным обеспечением и платой аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования (АЦ-ЦАП). На кафедре ТОЭ (КГЭУ) разработан аппаратнопрограммный комплекс на основе переносного компьютера Notebook RB Navigator W 511 WH со слотом PCMCIA для подсоединения платы АЦ-ЦАП фирмы NI DAQ-6062E, коннекторной платы SCB-68, датчика-акселерометра, среды программирования LabVIEW 7.1 и вибростенда ВЭДС-10А. Компьютер на базе высокопроизводительного процессора успешно осуществляет сбор, обработку и запись данных, работу программы и управление платой АЦ-ЦАП, которая имеет высокую частоту дискретизации (до 500 кГц), разрешение (12 бит) и динамический диапазон (±10 В). Коннекторная плата предназначена для подсоединения проводов с предварительных усилителей датчиков к 8 дифференциальным входным каналам АЦП и 2 выходным каналам ЦАП. Используемый датчик KD 35 имеет равномерную частотную характеристику до 10 кГц и обладает хорошей чувствительностью. Выбранная графическая среда программирования легко осваивается благодаря тому, что основана на использовании, привычного инженерам языка блок-диаграмм и позволяет строить системы с гибкой структурой и параметрами и удобным, наглядным представлением результатов. Например, библиотека Signal Processing Toolset может осуществлять частотно-временные преобразования Габора, Вигнера-Вилля, Чои-Вилиамса и вейвлет. Этот анализ, по сравнению с классическим спектральным анализом, обладает явным преимуществом, если изучаются сигналы, частотные свойства которых меняются со временем. На рис. 2 изображена блок-диаграмма виртуального прибора «Система воспроизведения и анализа нестационарных сигналов для вибростенда», написанного в LabVIEW, а на рис. 3. - график нестационарного вибрационного сигнала во времени, его энергетический спектр и диаграмма частотно-временного преобразования - спектрограмма Габора. Вибростенд состоит из блока измерения вибрации (ИВ), усилителя мощности (УМ) и возбудителя колебаний (ВК). Блок ИВ предназначен для измерения и отображения величины виброускорения на стрелочном приборе и содержит встроенный ПУ с выходными клеммами, к которым подключаются провода, подсоединенные к коннекторной плате. К имеющимся клеммам на УМ для подключения внешнего генератора подводятся провода с ЦАП. Применяемый в работе электродинамический ВК, в сравнении с возбудителями иного способа создания возмущающей силы, выгодно отличается по большинству технических характеристик, среди которых необходимо отметить широкий диапазон рабочих частот, большой динамический диапазон, малые массу и габариты. В целом, собранный комплекс успешно решает поставленные задачи, а также может быть использован для вибродиагностики оборудования и различных изделий.

Проблемы энергетики, 2006, Ж» 11-12

©

Рис. 2 Фрагмент блок-диаграммы виртуального прибора "Система воспроизведения и анализа нестационарных сигналов для вибростенда"

кред;

ПТ»

лненне спеттрое!

Частота, Гц

Рпс.З. Осциллограмма нестационарного вибрационного сигнала, его энергетический спектр и спектрограмма Габора

Summary

In article is considered example of the building of the system for testing the product on vibration, consisting of subsystem of the shaping no stationary signal and corresponding to subsystems of the analysis.

Литература

1. Кузнецов А.А. Вибрационные испытания элементов и устройств автоматики. - М.: Энергия, 1976. - 120 с.

2. Ленк А., Ренитц Ю. Механические испытания приборов и аппаратов / Пер. с немец. П.С. Богуславского. - М.: Мир, 1976. - 272 с.