Маятниковый калибровочный вибростенд
PENDULUM CALIBRATION VIBROBENCH

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения параметров векторных объектов в низкочастотном диапазоне, и может быть применено в геофизике для исследования таких параметров как чувствительность, характеристика направленности и коэффициент деления характеристики направленности каналов ускорения, в частности, векторных приемников соколеблющегося типа и их элементов, а также для использования в технологических циклах изготовления акселерометров для отбора датчиков по чувствительности.
Векторные приемники, используемые в гидроакустике, обладают характеристиками направленности, что позволяет измерять вектор колебательной скорости в акустическом поле. Существуют различные типы таких приемников, в том числе инерционные приемники соколеблющегося типа, чувствительные к ускорению в акустическом поле, при этом колебательную скорость получают интегрированием выходного сигнала векторного приемника. Как правило, такие приемники содержат три ортогональных канала, чувствительные к ускорению. Для успешной эксплуатации векторного приемника необходимо знание его чувствительности к ускорению по каналам, т.е. величина напряжения на выходе устройства под действием известного ускорения, а также форма характеристики направленности для каждого канала. Теоретически каналы ускорения векторного приемника должны иметь дипольную характеристику направленности, реально при действии ускорения перпендикулярно оси чувствительности на выходе канала векторного приемника присутствует ненулевой сигнал, в отличие от теоретически идеальной характеристики. При этом мерой неидеальности характеристики направленности является так называемый коэффициент деления, определяемый как отношение выходного сигнала при действии ускорения вдоль оси чувствительности канала векторного приемника к сигналу, когда ускорение направлено перпендикулярно оси чувствительности канала. Помимо векторных приемников в геофизике используются также отдельные акселерометры, обладающие характеристикой направленности и чувствительностью, и эти параметры акселерометров (коэффициент деления для характеристики направленности и величина чувствительности к ускорению) необходимо измерять, а также подвергать поверке в процессе эксплуатации. Кроме того, при изготовлении векторных приемников необходимо проводить перед сборкой отбор чувствительных элементов по величине чувствительности с целью установки в готовое изделие чувствительных элементов, параметры которых находятся в пределах допусков.
Для решения означенных задач используют различные вибростенды, создающие переменное ускорение вдоль какого-либо направления, например, вертикального, состоящие, как правило, из платформы, где закрепляется исследуемый объект (векторный приемник), привода, например, электромагнитного, обеспечивающего колебания платформы в вертикальной плоскости, а также электронного блока, обеспечивающего силовое энергоснабжение привода. К недостаткам таких вибростендов относятся высокая стоимость, сложность и наличие паразитных колебаний в плоскости, перпендикулярной оси, вдоль которой генерируются рабочие колебания, что приводит к погрешностям при определении коэффициента деления характеристики направленности канала векторного приемника.
Известен автоколебательный вибростенд (а.с. СССР №169842), содержащий автоколебательную систему и магнитную систему, выполняющую роль упругого элемента, жесткость которого определяется интенсивностью магнитного поля. Это позволяет плавно регулировать жесткость упругого элемента, за счет чего достигается изменение частоты колебаний. Однако наличие автоколебательной системы, состоящей из датчика, усилителя и возбудителя, а также системы управления током в магнитной системе усложняет конструкцию стенда. Кроме того, отсутствие в конструкции датчика ускорения делает генерируемую стендом амплитуду вибраций зависимой от массы помещенного на вибростенд объекта, и, в общем случае, неопределенной.
Известен низкочастотный вибростенд для испытаний сейсмической аппаратуры (а.с. СССР №1145257 А). Стенд воспроизводит вынужденные синусоидальные колебания, частоты и амплитуда которых задаются генератором. Однако из-за несовершенства параллелограммного подвеса при движении подвижной системы возникают ее наклоны в плоскости горизонта. При этом по оси воспроизводимых колебаний действует проекция ускорения свободного падения.
Наклоны в плоскости горизонта, имеющие место в данной конструкции, приводят как к погрешности создаваемых ускорений, особенно в низкочастотной области, так и к появлению ускорений, перпендикулярных оси чувствительности испытуемого акселерометра, что приводит к погрешностям определения параметров характеристики направленности. Кроме того, описываемое устройство отличается значительной конструктивной сложностью.
Известен маятниковый низкочастотный вибростенд, включающий основание, выполненное с возможностью регулирования горизонтальности, подвижную систему в виде качающегося блока с устройством для размещения исследуемого объекта, установленного на щеках блока между двух вертикальных стоек, соединенных с основанием, датчика угла качания, электронного блока, содержащего многоканальный усилитель, АЦП и систему цифровой связи, (п. РФ №2515353 С1), который является наиболее близким к заявляемому.
Векторный приемник закрепляется на подвижной системе, которая, будучи выведенной из положения равновесия, совершает затухающее маятниковое колебательное движение, при этом на каналы векторного приемника действует известное расчетным путем переменное ускорение, что позволяет определить чувствительность к ускорению канала, ось которого направлена вдоль вектора действующего ускорения. Устройство подвижной системы позволяет затем повернуть векторный приемник так, чтобы ускорение действовало перпендикулярно оси чувствительности канала; вычисляя отношение сигналов в первом и во втором описанном случае получают коэффициент деления. Помимо этого, данный вибростенд позволяет определять параметры отдельно взятых элементов чувствительности с целью их отбора для установки в один приемник одинаковых элементов, а также для отбраковки непригодных.
Для создания колебаний в известном вибростенде подвижную систему выводят из состояния равновесия и затем освобождают, после чего она под действием сил трения совершает постепенно затухающие колебания уменьшающейся амплитуды. При этом для создания одинаковых условий для всех исследуемых приемников необходимо отклонять подвижную систему на один и тот же угол, причем от точности выдерживания этого угла зависит точность проведенных измерений. Отклоняя подвижную систему вручную, оператор не может обеспечить необходимую точность, что заставляет использовать дополнительные приспособления, усложняющие использование устройства. Кроме этого, при исследованиях конструктивно различных векторных приемников, как правило, разной массы, происходит изменение частоты маятникового колебательного движения, из-за чего изменяются ускорения, воздействующих на исследуемый объект, при том, что для определения чувствительности величину этих ускорений необходимо знать достаточно точно. Для расчета величины действующих ускорений необходимо знать частоту маятникового колебательно движения, которую при этом можно определить только при после обработки полученных данных, например, методом Фурье-анализа. Мало того, затухающая форма колебаний, обогащая их спектр гармониками, затрудняет обработку полученных данных и приводит к непрерывному изменению отношения сигнал шум. Данные особенности значительно усложняют проведение работ по определению параметров векторных приемников и чувствительных элементов, затрудняя регулировочные процедуры, так как для получения численных значений измеряемых параметров требуется проведения записи данных с последующей математической обработкой результатов.
Таким образом, необходимо создать маятниковый стенд, лишенный перечисленных недостатков, простой в управлении и создающий одинаковые условия исследования для тестируемых векторных объектов.
Для решения вышеперечисленных проблем предлагается маятниковый калибровочный стенд для векторных объектов, включающий основание, выполненное с возможностью регулирования горизонтальности, подвижную систему в виде качающегося блока с устройством для размещения исследуемого объекта, установленного на щеках блока между двух вертикальных стоек, соединенных с основанием, датчика угла качания, электронного блока, содержащего многоканальный усилитель, АЦП и систему цифровой связи, при этом стенд дополнительно снабжен соединенным с датчиком угла качания процессорным блоком, подключенным к установленному на одной из вертикальных стоек электромагниту и генерирующим импульсы регулируемой длительности протекающего через электромагнит тока, постоянным магнитом, закрепленным на одной из щек подвижной системы так, чтобы при остановленной подвижной системе центр магнита располагался бы напротив центра электромагнита, а также соединенными с процессорным блоком задатчиком амплитуды качания и индикатором ускорения, частоты и амплитуды качания.
Предложенная конструкция стенда упрощает технологию использования маятникового вибростенда, повышает точность измерений, а также упрощает математическую обработку полученных результатов.
Наличие на подвижной системе постоянного магнита, взаимодействующего с магнитным полем электромагнита, соединенного с процессорным блоком, соединенным с датчиком угла качания, позволяет компенсировать потери на трение, возникающие при маятниковом колебательном движении, за счет возникновения силы притяжения между магнитом и электромагнитом в момент прохождения импульса тока регулируемой длительности, порождаемого процессорным блоком, за счет чего маятниковое колебательное движение осуществляется сколь угодно долго с постоянной амплитудой, а наличие задатчика амплитуды и индикатора ускорения, частоты и амплитуды, соединенных с процессорным блоком, позволяет устанавливать необходимые значения амплитуды и ускорения непосредственно в процессе проведения измерений, без необходимости записи данных с последующей математической обработкой, что упрощает технологию проведения измерений и повышает их точность, а также упрощает математическую обработку результатов, полученных при использовании маятникового калибровочного стенда.
Сущность заявляемого предложения поясняется на чертеже.
На чертеже приведена блок-схема одного из возможных вариантов осуществления заявляемого устройства, где 1 - основание с регулированием горизонтальности; 2 и 15 - стойки; 3 - платформа качающегося блока подвижной системы; 4 и 6 - щеки качающегося блока подвижной системы; 5 - ось подвижной системы; 7 - магнит датчика угла поворота; 8 - датчик угла поворота; 9 - плата электронного блока; 10 - процессорный блок; 11 - индикатор ускорения, частоты и амплитуды; 12 - задатчик амплитуды, 13 - электронный блок; 14 - электромагнит; 16 - постоянный магнит подвижной системы; 17 - калибруемый объект.
Описание устройства и его работы.
Устройство состоит из основания 1 с возможностью регулировки его горизонтальности, к основанию прикрепляются две стойки 2 и 15, в верхней части стоек, на подшипниках, установлена ось 5 подвижной системы. К оси 5 подвижной системы прикреплены две щеки 4 и 6 качающегося блока подвижной системы, к которым прикрепляется платформа 3 качающегося блока подвижной системы, на которую устанавливается калибруемый объект 17, например, векторный приемник. Для изменения ориентации векторного приемника относительно вектора действующего ускорения платформа 3 позволяет поворачивать векторный приемник вокруг его вертикальной оси; кроме того, сама платформа 3 вместе с установленным приемником 17 имеет возможность быть повернутой вокруг горизонтальной оси, проходящей через центр приемника. Подвижная система стенда, состоящая из платформы 3, соединенная посредством щек 4 и 6 с осью 5, имеет возможность совершать колебательное маятниковое движение в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа, за счет того, что ось 5 установлена в стойках 2 и 14 на подшипниках. На конце оси 5 закреплен постоянный магнит 7 датчика угла качания, поворачивающийся вместе с поворотом подвижной системы. В непосредственной близости от магнита 7 установлен датчик угла качания 8, закрепленный на плате 9 электронного блока 13. Плата 9 электронного блока 13 прикреплена к стойке 15. Сигнал датчика угла качания 8, с помощью кабеля, поступает в процессорный блок 10, размещаемый на плате 9 электронного блока. Процессорный блок 10 соединен кабелем с электромагнитом 14, закрепленном на стойке 15. На щеке 6 качающегося блока подвижной системы закреплен постоянный магнит 16, так, чтобы, когда подвижная система находится в состоянии покоя, центр постоянного магнита 16 был расположен напротив центра электромагнита 14. Также, на плате электронного блока 9, размещены индикатор ускорения, частоты и амплитуды 11 и задатчик амплитуды 12, соединенные с процессорным блоком 10 кабелями.
Работает устройство следующим образом. На платформу 3 качающегося блока подвижной системы устанавливается исследуемый объект 17, например, векторный приемник, и подключается к входам электронного блока 13, осуществляющего преобразование аналоговых сигналов векторного приемника в цифровую форму с последующей передачей их, например, в персональный компьютер для записи и анализа. Также возможно подключение, например, осциллографа, непосредственно к выходам векторного приемника для наблюдения формы сигналов. Качающаяся платформа 3 блока подвижной системы с установленным исследуемым объектом выводится оператором из положения равновесия и освобождается, при этом качающийся блок подвижной системы начинает совершать маятниковое колебательное движение. Процессорный блок 10, получая сигнал от датчика 8 угла качания, в моменты времени, определяемые расчетным путем с помощью программы, записанной в памяти процессорного блока 10, генерирует импульсы тока, поступающего в электромагнит 14, который, притягивая постоянный магнит 16, установленный в отверстии щеки 6, создает импульс силы, вызывающей дополнительное ускорение качающегося блока в направлении мгновенного значения его скорости, компенсируя, тем самым, уменьшение скорости качающегося блока из-за действия сил трения, возникающих как в подшипниках оси 5 подвижной системы, так и непосредственно на качающемся блоке за счет аэродинамического взаимодействия с окружающей средой. При этом процессорный блок 10 измеряет амплитуду и частоту качания подвижного блока благодаря наличию сигнала датчика угла качания 8, и вычисляет возникающие при этом величины ускорений, воздействующих на исследуемый объект, величины которых отображаются на индикаторе 11 ускорения, частоты и амплитуды, подключенному к процессорному блоку. За счет наличия задатчика амплитуды 12 оператор имеет возможность регулировать длительность импульсов тока, генерируемых процессорным блоком 10, тем самым регулируя амплитуду установившегося маятникового колебательного движения, что позволяет работать с исследуемыми объектами, имеющими различную чувствительность к ускорению, не вызывая перегрузку каналов электронного блока в случае, например, повышенной чувствительности. При этом оператор имеет возможность производить запись сигналов ряда исследуемых объектов при воздействии ускорения известной и одинаковой для всех объектов величины без процедуры обработки записанных сигналов, что упрощает и ускоряет проведение работ, одновременно повышая точность проводимых измерений.
Для изготовления устройства могут быть использованы стандартные, выпускающиеся серийно радиоэлементы и материалы. Для процессорного блока можно использовать, например, процессор Atmega 16, имеющий в своем составе встроенный АЦП, для изготовления задатчика пригоден переменный резистор, например, типа Сп5-2, в качестве индикатора ускорения, частоты и амплитуды можно использовать, например, LCD дисплей типа MT-20S4M-2YLG, в качестве датчика угла поворота применим, например, магниторезистивный датчик HMC1021S.