Средства измерения, анализа и регистрации вибрационных, ударных и акустических процессов.

Типовая схема измерительного канала при проведении вибра­ционных, ударных и акустических испытаний представлена на рис. 8.1.

Рис. 8.1 Типовая схема измерительного канала.

Основными элементами схемы (рис. 8.1) являются: 1 — датчик; 2 — предварительный усилитель; 3 — интеграторы; 4 — фильтр верхних частот; 5, 7 — измерительные усилители; 6 — фильтр нижних частот; 8 — детектор; 9 — преобразователь масштаба; 10 — устройство отображения информации; 11 — блок питания; 12 — калибровочный генератор.

Измерительный канал должен иметь широкий частотный и динамический диапазоны. Частотный диапазон обычно составляет от десятых долей герца до десятков килогерц. Динамический диапазон — до 80 дБ. Например, при измерении параметров ударных процессов помимо пикового значения и длительности удара необходимо также определять изменение параметров процесса во вре­мени. Для таких измерений требуется линейность амплитудной и фазовой частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) в диапазоне частот, занимаемых ударным процессом, а также широкий динамический диапазон измерительного тракта.

Предварительный усилитель является согласующим устройством между датчиком и измерительной аппаратурой.

В качестве датчиков вибрации и удара обычно используются акселерометры (например, пьезодатчики), выходной сигнал которых пропорционален ускорению, и для определения скорости и перемещения используютя интеграторы.

Фильтры верхних и нижних частот необходимы для настройки измерительного канала с учетом рабочего частотного диапазона, характеристик используемого датчика и для подавления низко- и высокочастотных шумов.

Калибровочный генератор предусмотрен для периодической калибровки усилительно-измерительного тракта.

Для регистрации вибрационных, акустических и ударных процессов используются аналоговые и цифровые устройства. Из аналоговых устройств наиболее широко используются самописцы уровня, электронно-лучевые осциллографы, измерительные магнитофоны (магнитографы).

Самописцы уровня предназначены для регистрации медленно изменяющегося (в основном осредненного) сигнала в функции времени или частоты.

Электронно-лучевые осциллографы имеют широкий частотный диапазон (до сотен кГц). Применение осциллографов с памятью позволяет регистрировать и сохранять и воспроизводить однократные кратковременные процессы (с длительностью от долей микросекунд) без фотографирования.

Наиболее универсальным аналоговым средством регистрации являются магнитографы, имеющие частотный диапазон от нуля до десятков кГц. Их преимуществами, по сравнению с остальными, средствами регистрации, являются: возможность многократного повторного воспроизведения сигнала, накопление большого объема информации, возможность растяжения и сжатия сигнала путем изменения скорости протяжки, многоканальная регистрация,

В настоящее время большое распространение получили цифровые средства регистрации, которые обеспечивают высокую» точность записи сигналов с погрешностью (0,1 - 0,01)% и возможность их непосредственной обработки с помощью ЭВМ.

При измерении шумов, вибрации и ударных процессов наибольший интерес представляют спектральный состав процессов и распределение их энергии по частотному диапазону. Поэтому одним из основных методов исследования динамических процессов является частотный анализ, для проведения которого в измерительный канал может включаться аппаратура для частотного анализа (анализаторы спектра). Эта аппаратура реализует либо метод аналоговой фильтрации, либо метод цифровой фильтрации.

Для аналоговой фильтрации применяются полосовые фильтры, пропускающие составляющие процесса, находящиеся в заданных частотных полосах. В анализаторах спектра используются два типа фильтров: с постоянной абсолютной и постоянной относительной шириной полосы пропускания.

Выходной сигнал фильтра первого типа пропорционален спектральной плотности процесса G(f). Для второго типа фильтра абсолютная ширина полосы пропускания ∆f пропорциональна средней частоте полосы f0 и для получения выходного сигнала, пропорционального спектральной плотности, вводится его коррекция (деление на величину f0 0,5).

Фильтры с постоянной абсолютной шириной ∆f рекомендуется применять для анализа периодических детерминированных процессов, с переменной - для случайных процессов.

Анализаторы с фильтрами первого типа можно, в свою очередь разделить на две группы: анализаторы параллельного действия (в реальном масштабе времени) и последовательного действия.

При параллельном анализе сигнал поступает одновременно на блок параллельно включенных фильтров, каждый из которых настроен на определенную частоту (количество фильтров может быть до нескольких сотен). Используются октавные, третьоктавные, 1/6-октавные и 1/12-октавные фильтры. Время анализа Та здесь определяется временем установления колебаний в наиболее узкополосном фильтре с полосой пропускания ∆f min и временем съема данных tc:

(8.1)

В анализаторах последовательного действия используется один узкополосный фильтр, частота настройки которого изменяется в пределах от fн до fв. Время анализа в таких анализаторах определяется соотношением

(8.2)

где ∆fр — разрешающая способность анализатора (минимальная разность частот составляющих спектра, различаемых анализатором). Таким образом, продолжительность последовательного анализа приблизительно в (fв-fн)/fp раз больше, чем параллельного.

В настоящее время широко распространены цифровые анализаторы спектра, в которых используется алгоритм дискретного преобразования Фурье (ПФ). Эти анализаторы имеют широкий частотный диапазон (от долей Гц до сотен кГц), высокую разрешающую способность, небольшую погрешность измерения частоты и амплитуды составляющей сигнала. Кроме того, в таких анализаторах предусмотрен режим «растяжки» исследуемого диапазона частот, позволяющий различить близко расположенные резонансы, имеющие высокую добротность.

Прямое и обратное ПФ реализации процесса х(t) на интервале (0—7) выполняется по формулам:

(8.3)

(8.4)

m = 0, 1 …, N/2; n =0, 1, …, (N-1).

Здесь — шаг дискретизации по времени; - шаг дискретизации по частоте;N - количество дискретных значений на реализации х (t).

Частотный диапазон анализа равен частота измерений мгновенных значений процесса - .

Существенное уменьшение объема вычислений при анализе дает использование алгоритмов быстрого преобразования Фурье.

Единство измерений параметров вибрации и удара обеспечивается Государственным специальным эталоном перемещения, скорости и ускорения при колебательном движении твердого тела в диапазоне частот (0,5—104) Гц, Государственным специальным эталоном пиковых ускорений при ударном движении и общегосударст

Список использованной литературы:

1. А.С.Сидоренко. Методы и средства испытаний и контроля: Учебн. Пособие. – М.:Изд-во МАИ, 2005.

2. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник в 2-х кн. /Под ред. В.В.Клюева. – М.: Машиностроение, 1978.

3. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти томах/Под ред. В.Н.Челомея. – М.:Машиностроение, 1981.

4. С.М.Харрис.,Ч.И. Крид. Справочник по ударным нагрузкам. – Л.:Судостроение, 1980.

.