Устройство для определения динамических характеристик материалов

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при исследовании физико-механических свойств различных материалов по измеренным параметрам их свободно затухающих колебаний. Целью изобретения является повышение точности измерений за-счет использования в анализаторе ударных спектров цифровых фильтров с перестраиваемыми коэффициентами демпфирования. При воздействии ударного механизма I на исследуемый объект 2 сигнал с датчика 3 ускорения поступает через последовательно соединенные усилитель 4, фильтр 5 нижних частот и аналого-гщфровой преобразователь 6 в анализа-

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (59 4 G 01 М 7 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3930825/24-28 (22) 19.07.85 (46) 15,01.87. Бюл. И 2 (7!) Научно-исследовательский институт интроскопии (72) 1О,В, Иванов и В.П. Трофимов, (53) 620.178.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1021953, кл. С 01 Н 1/08, 1981.

Авторское свидетельство СССР

Ф 994949, кл. G 01 М 7/00, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может использо,.SU,„, 1283570 A1 ваться при исследовании физико-механических свойств различных материалов по измеренным параметрам их свободно затухающих колебаний. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет использования в анализаторе ударных спектров цифровых фильтров с перестраиваемыми коэффициентами демпфирования. При воздействии ударного механизма 1 на исследуемый объект 2 сигнал с датчика 3 ускорения поступает через по ледовательно соединенные усилитель 4, фильтр 5 нижних частот и аналого-цифровой преобразователь 6 в анализа-.

1283 тор 7 ударных спектров. В исходном состоянии цифровые фильтры анализатора 7 представляют собой резонансные фильтры без затухания. С выхода анализатора 7 через ключ 8 сигналы запоминаются в первом запоминающем блоке 9, Одновременно в момент соударения ударного механизма 1 с объектом 2 сигнал со второго датчика 17 ускорения через соответствующий измерительный тракт запоминается во втором запоминающем блоке 2! По сиг. налу управления с триггера 10 в блоке 12 компараторов происходит сравнение исходного ударного спектра с датчика 17 ускорения и спектра отклика

570 с датчика 3 ускорения. Величины невязки через блок 14 одновибраторов управляют счетчиками блока 15 счетчиков, выходные сигналы которого приводят к перестройке передаточных функций цифровых фильтров анализатора 7.

При равенстве исходного ударного спектра и спектра отклика процесс перестройки фильтров заканчивается.При этом величины коэффициентов затухания соответствующих фильтров передаются с блока 15 счетчиков через блок 25 ключей на блок 26 отображения.

Тактирование измерительного процесса осуществляется с помощью генератора 22 тактовой частоты .1з.п.ф — лы,2ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при исследовании физико-механических свойств различных материалов по измеренным параметрам их свободно 5 затухающих колебаний.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет использования в анализаторе ударных спектров цифровых фильтров с перестраиваемыми коэффициентами демпфирования.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 — блок-схема цифрового фильтра.

Устройство для определения динамических характеристик материалов содержит (фиг. 1) механизм 1 для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту 2, устанавливаемый на объекте 2 первый датчик 3 ускорения, последовательно соединенные согласующий усилитель 4, фильтр 5 нижних частот, аналого-цифровой преобразователь 6. Подключенный к выходу аналого-цифрового преобразователя 6 анализатор 7 ударных спектров, первый ключ 8, первый запоминающий блок 9, первый триггер 10, блок ll вычитания, блок 12 компараторов, элемент !3 И, блок 14 одновибраторов, блок 15 счетчиков, второй триггер 16, второй датчик 17 ускорения, устанавливаемый на исследуемом объекте 2 вблизи точки соударения механизма 1 для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту 2 с поверхностью объекта 2, второй согласующий усилитель 18, второй фильтр 19 нижних частот, второй аналого-цифровой преобразователь 20, второй запоминающий блок 21, генератор 22 тактовой частоты, второй ключ 23, одновибратор 24, блок 25 ключей, блок 26 отображения информа" ции и блок 27 установок.

Анализатор 7 ударных спектров содержит совокупность блоков 28 цифровых фильтров (не показаны). Блок 26 отображения информации подключен через блок 25 ключей с одной иэ групп выходов блока 15 счетчиков, вторая группа выходов которого подключена к соответствующим входам анализатора 7 ударных спектров, являющихся управляющими входами блоков 28 цифровых фильтров (не показаны). Второй датчик !7 ускорения через последовательно соединенные второй согласующий усилитель 18, второй фильтр 19 низкой частоты, второй аналого-цифровой преобразователь 20 и второй запоминающий блок 21 подключен к первому входу анализатора 7 ударных спектров.

В свою очередь, блок 28 цифрового фильтра (фиг. 2) содержит первый сумматор 29, второй сумматор 30, первую линию 31 задержки, вторую

1283570 линию 32 задержки, первый блок 33 умножения, второй блок 34 умножения, третий блок 35 умножения, четвертый блок 36 умножения, пятый блок 37 умножения, шестой блок 38 умножения, 5 седьмой блок 39 умножения, восьмой блок 40 умножения, первый блок 41 потенциирования, второй блок 42 потенциирования, первый инвертор 43, нто(poA инвертор 44, блок 45 функциональ-10 ного преобразования "cos".

Первым входом блока 28 цифрового фильтра является первый вход первого сумматора 29, нторым входом блока 28 цифрового фильтра являются объедиl5 ненные вторые входы четвертого блока 36 умножения и шестого блока 38 умножения, третьим входом блока 28 является первый вход четвертого блока 36 умножения, четвертым входом блока 28 является первый вход шестого блока 38 умножения. Вторые входы седьмого 39 и восьмого 40 блоков ум.ножения подключаются к величине уставки, численно равной значению "2".

Принцип действия устройства основан на сравнении ударных спектров отклика объекта и входного импульса удара и определения коэффициентов демпфирования полосовых цифровых

30 фильтров анализатора ударных спектров, которые обеспечивают настройку одного ударного спектра на другой и, таким образом, являются мерой затухания материала объекта испытаний.

Движение объекта, возбужденного ударом, представляет собой отклик резонансной механической колебательной системы на импульсное воздействие, который описывается импульсной

40 переходной характеристикой, характеризуемой в частности коэффициентом затухания колебаний, который является мерой динамических характеристик исследуемого материала.

Устройство работает следующим образом (фиг. 1).

Механизм 1 для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту 2 импульсом удара возбуждает в объекте 2 контроля свободные колебания, которые воспринимаются первым датчиком 3, установленным на объекте 2 контроля, и передаются на

axon согласующего усилителя 4, Усиленный и согласованный по мощности сигнал с выхода согласующего усилителя 4 поступает на вход фильтра 5,нижних частот, где произнодится ограничение верхней граничной частоты сигнала так, чтобы ока не превосходила ширины полосы частот анализа анализатора 7 ударных спектров.

С выхода фильтра 5 нижних частот отфильтрованный сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6, с выхода которого диск! ретные отчеты сигнала поступают на первый вход анализатора 7 ударных спектров для анализа.

В исходном состоянии устройства цифровые фильтры 28 анализатора 7 ударных спектров настроены сигналом по его управляющему входу таким образом, что их импульсные переходные функции имеют вид консервативного звена, т.е ° резонансного фильтра без затухания.

Одновременно с этим первый триггер 10 и второй триггер 16 находятся в своем первом .исходном состоянии, при котором с первого выхода первого триггера 10 на второй (управляющий) вход первого ключа 8 поступает сигнал, которым пропускается сигнал с выхода анализатора 7 ударных спектров на первый вход первого эапом1.нающего блока 9 с первого выхода первого ключа 8, второй ключ 23 при этом закрыт по управляющему нходу, второй триггер 16 находится в своем первом исходном состоянии, при котором блок 25 ключей закрыт по управляющему входу и не пропускает сигналы с выходов блока 15 счетчиков на вход блока 26 отображения °

Одновременно с этим в момент соударения с объектом 2 механизма l для приложения одиночного ударного импульса с выхода второго датчика 17 ускорения, устанавливаемого на объекте 2 вблизи точки соударения механизма 1 с поверхностью объекта 2, на вход второго согласующего усилителя 18 поступает сигнал, который передается с его выхода на вход второго фильтра 19 нижних частот с точно такой же полосой верхней граничной частоты, что и у фильтра 5 нижних частот.

С выхода второго фильтра 19 нижних частот сигнал поступает на вход второго аналого-цифрового преобра-. зователя (АЦП) 20, по своим техническим характеристикам равного первому АЦП 6.

1283570

Сигналы с выхода второго АЦП 20 поступают на первый вход второго запоминающего блока 21, где запоминаются.

В первом запоминающем блоке 9 по- 5 следовательно запоминаются сигналы с выхода анализатора 7 ударных спектров, прошедшие через открытый первый ключ 8 на первый вход первого запоминающего блока 9.

После заполнения последней ячейки первого запоминающего блока 9 с его первого выхода на первый вход первого триггера 10 поступает сигнал, которым он переводится в свое другое устойчивое состояние, при котором с

его выхода на управляющий вход первого ключа 8 поступает сигнал запрета, и первый ключ 8 начинает пропускать сигналы с выхода анализатора 7 ударных спектров на второй вход блока 11 вычитания, на первый вход которого подается сигнал с второго выхода первого запоминающего блока 9.

Одновременно с этим второй ключ 23 открывается по управляющему входу и начинает пропускать сигналы с выхода генератора 22 тактовой частоты на второй вход второго запоминающего блока 21 для считывания.

Сигналы с выхода генератора 22 тактовой частоты поступают в течение всего цикла работы устройства на второй вход анализатора 7 ударных спектров в качестве тактовых сигна-: лов.

С выхода второго запоминающего . блока 22 сигналы поступают на первый вход анализатора 7 ударных спектров 40 для анализа, а также на первый вход второго запоминающего блока для перезаписи. Вначале в анализаторе 7 ударных спектров вычисляется ударный спектр импульса возбудителя колебаний на входе объекта контроля 2, который отличается от ударного спектра выходного сигнала, измеренного датчиком 3.

На первом цикле анализа данные, записанные во втором запоминающем блоке 21, анализируются анализатором 7 ударных спектров на фильтрах с импульсной характеристикой консервативного звена, т.е. беэ затухания, поскольку сигналы управления на управляющих входах анализатора 7 ударных спектров пока отсутствуют.

После сравнения ударных спектров в блоке 11 вычитания на выходах блока 21 присутствуют сигналы, представляющие собой разность амплитуд сигналов на фильтрах одноименной частоты, которые поступают на соответствующие входы блока 12 компараторов.

В блоке 12 компараторов происходит поразрядное по полосам частот сравнение указанных сигналов с нулем, и сигнал невязки сравнения подается одновременно на входы элемента 13 И и на входы блока 14 одновибраторов, Поскольку на первом цикле анализа исключается воэможность равенства ударных спектров сигналов входа и выхода объекта 2 контроля, то на части одновибраторов блока 14 одновибраторов присутствуют сигналы, поступающие на соответствующие счетчики блока 15 счетчиков, которые в исходном.состоянии обнулены.

По сигналам, поступившим с выходов блока 14 одновибраторов, на этих счетчиках блока 15 счетчиков состояние изменяется на единицу в младшем разряде соответствующего счетчика.

Эти значения чисел, записанные в счетчиках блока 15 счетчиков в качестве сигналов управления, поступают на управляющие входы анализатора 7 ударных спектров и изменяют импульсную характеристику цифровых фильтров соответствующих разрядов на единицу затухания фильтра, т.е. вносят В каждый из этих фильтров член, вызывающий такие потери, что соответствующий цифровой фильтр анализатора 7 ударных спектров переходит из консервативного звена в колебательное второго порядка °

Реакция этого фильтра иа входной сигнал, поступающий на первый вход анализатора 7 ударных спектров с выхода второго запоминающего блока 22, снова сравнивается в блоке 11 вычитания и при отличии от нуля, определенном в блоке 12 компараторов, снова изменяет на единицу состояние соответствующих счетчиков в блоке 15 счетчиков.

Спустя необходимое число циклов ударный спектр входного сигнала настраивается на ударный спектр выходного сигнала, а на счетчиках блока 15 счетчиков записываются величины коэффициентов затухания каждого

7 1 2835 из фильтров анализатора 7 ударных спектров.

Одновременно с этим на выходах блока 12 компараторов все сигналы становятся равными нулю, вследствие чего на выходе элемента 13 И появляется сигнал, который поступает на первый вход второго триггера 16 и изменяет его состояние.

С выхода второго триггера 16 на вход одновибратора 24 и на управляющий вход блока 25 ключей приходит сигнал, которым блок 25 ключей открывается, а на выходе одновибратора 24 появляется импульс, которым за- 15 писанные данные в блоке 15 счетчиков считываются на блок 26 отображения через открытый по управляющему входу блок 25 ключей, а счетчики блока 15 счетчиков обнуляются. 20

Одновременно с этим очищаются первый запоминающий блок 9 по второму его входу, второй запоминающий блок 21 по третьему его входу, а первый триггер 10 и второй триггер 16 переходят в свои первые устойчивые состояния по сигналу, поступившему на их вторые входы.

Ключи 8, 23 и блок 25 ключей переходят в свое исходное состояние.

Устройство готово к работе, а на блоке 26 отображения выводятся значения величин декрементов колебаний в функции собственных частот резонаторов, составляющих всю ширину полосы анализа исследуемого акустического тракта объекта 2 контроля анализатором 7 ударных спектров.

Блоки 28 цифровых фильтров анализатора 7 ударных спектров работают следующим образом (фиг. 2).

На первый вход блока 28 цифрового фильтра с выхода АЦП 6 или второго запоминающего блока 21 в зависимости от состояния режима работы устройства поступают текущие отсчеты сигналов.

На второй вход блока 28 цифрового фильтра поступают тактовые сигналы с выхода генератора 22 тактовой час1 тоты.

На четвертый вход блока 28 цифрового фильтра поступает сигнал уставки,. численно равный желаемой резонансной частоте и0; с выхода блока 27 уставок.

На третий (управляющйй) вход блока 28 цифрового фильтра с выходов

70 8 разрядов счетчиков блока 15 счетчиков поступают сигналы, численно равные значению величины коэффициента

3 затухания, которые в исходном состоянии работы устройства равны нулю.

Таким образом, на первом цикле работы блока 28 цифрового фильтра на вторых входах, соответственно, первого блока 33 умножения находится сигнал, равный Ъ, -2cos(д, at) ° второго блока 34 умножения — сигнал а, = сов(и,at), а третьего блока 35 умножения — сигнал Ъ -1, Работа цифрового фильтра блока 28 протекает в режиме консервативного звена, т.е. звена без затухания, на выходе которого присутствует сигнал

g(t) Асов(д, at), где А — коэффициент, характеризующий усиление, вытекающий из соотношения

А 1-cos(u atPz

2 I+2cos (y, at)z -z

А 1+а,z

z- т 2 где a t — частота дискретизации генератора 22 тактовой частоты.

При появлении на управляющем входе блока 28 цифрового фильтра сигнала, кратного единице младшего разряда счетчика блока 15 счетчиков, вид передаточной функции -цифрового фильтра (импульсной характеристики) изменяется на величину

M(ju)

1 . 25 г ()а) + (Зя)+1 ! о î где 8 Ф 0 — коэффициент затухания колебательного звена второго порядка, т.е. соответствует реакции резонансной колебательной системы на импульсное воздействие в виде импульсной переходной функции

g(t) Ае сов(и,at), где А — размерный множитель.

Возрастание коэффициента S на каждом цикле работы устройства приводит к равенству подстраиваемогб ударного спектра входного сигнала ударному спектру отклика, записанному в первом запоминающем блоке 9.

На счетчиках блока 15 счетчиков (фиг. !) записываются значения коэффициентов 3 на каждой иэ частот 4),; анализа.

Это осуществляется следующим образом.

При появлении сигнала на третьем(управляющем) входе блока 28 цифрово9 128357 го фильтра, являющимся первым входом четвертого блока 36 умножения, в нем происходит, перемножение сигнала управления с сигналом тактового генератора 6С, поступившим на его второй 5 вход, произведение которых поступает на вход первого блока 41 потенциирования и на первый вход седьмого блока 39 умножения, на второй вход которого подается const = 2. fD

Сигнал с выхода блока 41 потенциирования подается на первый вход пятого блока 37 умножения, на второй вход которого подается сигнал с выхода блока 45 функционального преобразования "cos" на вход которого подается произведение уставки я, на d t, соответственно, поданные на первый и второй входы шестого блока 3 умножения.

Таким образом, на первый вход восьмого блока 40 умножения и на второй вход второго блока 34 умножения подается сигнал, численно равный коэффициенту а, = е ° cos(я д1), SaC

На второй вход восьмого блока 40 умножения подается сигнал const = 2.

Таким образом, на втором входе первого блока 33 умножения оказывается сигнал, численно равный коэффициенту

SaC

Ь, = -2е сов(я,at), полученный с выхода восьмого блока 40 35 умножения через включенный с ним последовательно второй инвертор 44.

На втором входе третьего блока 35. умножения присутствует сигнал, выражающий к оэ ффицие нт Ь = - e, no - 4О

М@1 лученный с выхода седьмого блока 39 умножения через последовательно с ним включенные блоки 42 потенциирования и первый инвертор 43.

После появления на первом входе первого сумматора 29 (являющегося первым входом блока 28 цифрового фильтра) сигнала в виде текущего отсчета спустя два такта задержки (на первой 31 и второй 32 линиях задержки) на втором и третьем его входах появляются сигналы, один иэ которых, соответственно, представляет собой произведение коэффициента Ь2 -e 55

Вл1 и значения текущего цифрового отсчета, задержанного на два такта, а второй — произведение коэффициента Ь|

l -2е сов(и,gt) и значения текущего

За

0 10 цифрового отсчета, задержанного на один такт, На первом и втором входах второго сумматора 30 присутствуют, соответственно, значения текущих цифровых отсчетов, задержанных на два такта, и произведение коэффициента а, на текущий отсчет, задержанный на такт.

Таким образом, на выходе блока 28 цифрового фильтра присутствует сигнал, выражающий собой значение текущего входного сигнала, отфильтрованного узкополосным фильтром с коэффициентом затухания 3 . формула изобретения

1. Устройство для определения динамических характеристик материалов, содержащее механизм для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту, устанавливаемый на объекте датчик ускорения, подключенный через цепь из последовательно соединенных согласующего усилителя, фильтра нижних частот, аналого-цифрового преобразователя к анализатору ударных спектров, генератор тактовой частоты, блок отображения информации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено цепью из последовательно соединенных первого ключа, первого запоминающего блока, блока вычитания, блока компараторов, блока одновибраторов, блока счетчиков, вторым датчиком ускорения, устанавливаемым на исследуемом объекте вблизи точки соударения исследуемого объекта с механизмом для приложения ударного импульса, подключенной к второму датчику ускорения цепью из последовательно соединенных второго согласующего усилителя, второго фильтра нижних частот, второго аналого-цифрового преобразователя, второго запоминающего блока, вторым

1 ключом, одновибратором, двумя триггерными элементом И, блоком ключей, блоком уставок, выход анализатора ударных спектров подключен к первому входу первого ключа, второй вход которого соединен с выходом первого триггера и вторым входом второго ключа, первый вход которого соединен с генератором тактовой частоты и вторым входом анализатора ударных спектров, выход — с вторым входом второго запоминающего блока, выход второ1283570

12 го запоминающего блока подключен к пе рв ому в ходу анализ ато ра ударных спектров и своему первому входу, первый вход первого триггера подключен к второму выходу первого запоминаю- 5 щего блока, второй - к выходу одновибратора, третьему входу второго запоминающего блока, вторым входам первого запоминающего блока, блока ! счетчиков и второго триггера, элемент И каждым из группы своих входов подключен к соответствующему выходу блока компараторов, выходом — к первому входу второго триггера, выход которого соединен с входом одновибратора и вторым входом блока ключей, второй выход первого ключа подключен к второму входу блока вычитания, блок счетчиков каждым своим выходом иэ первой группы выходов подключен к со-20 ответствующему входу из группы входов анализатора ударных спектров, каждым выходом из второй группы своих выходов через блок ключей подключен к блоку отображения информации, а блок уставок каждым выходом иэ группы своих выходов подключен к соответствующему входу анализатора ударных спектров.

2. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что анализатор ударных спектров представляет собой совокупность блоков цифровых фильтров, каждый из которых содержит первый и второй сумматоры, первую и вто- 35 рую линии задержки, первый и второй инверторы, первый и второй блоки потенциирования, блок. функционального преобразования»сов"и первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, ® седьмой и восьмой блоки умножения, выход первого сумматора подключен к первому входу второго сумматора через соединенные последовательно первую и вторую линии .задержки, выход первой линии задержки соединен с первыми входами первого и второго блоков умножения, выходы которых подключены соответственно к третьему входу первого сумматора и к второму входу второго сумматора, выход второй линии задержки соединен с первым входом третьего блока умножения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход четвертого блока умножения подключен к второму-входу третьего блока умножения через включенные последовательно седьмой блок умножения, второй блок потенциирования и первый инвертор, выход пятого блока умножения соединен с вторым входом первого блока умножения через включенные r.оследовательно восьмой блок умножения и второй инвертор, выход четвертого блока умножения соединен с первым входом пятого блока умножения через первьй блок погенциирования, выход шестого блока умножения соединен с вторым входом пятого блока умножения через блок функционального преобразования"соз", вторые входы седьмого и восьмого блоков умножения подключаются к величине уставки, численно равной значению "2", первым входом блока .цифрового фильтра является первый вход первого сумматора, вторым входом — объединенные вторые входы четвертого и шестого блоков умножения, первые входы которых соответственно являются третьим и четвертым входами блока цифрового фильтра, выходом которого является выход второго сумматора.

1283570 дход

/От й;

Фи 2fj дхоИ

/От Й

&она

87j (Фт Йока 22)

Фиг, Я

Составитель Ю. Петраковский

Редактор Л. Повхан Техред Л.Сердюкова Корректор Е. Сирохман

Заказ 7428/38 Тираж 77б Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4