Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции

Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к учебным и наглядным пособиям по механике. Цель изобретения - расширение дидактических возможностей за счет демонстрации зависимости формы колебаний конструкции от величины нагрузки. Устройство дополнительно снабжено связанной с основанием стойкой, на которой установлена с возможностью перемещения подвижная платформа , и с датчиком перемещений платформы, связанным с пятым входом блока регистрации . Оптический квантовый генератор и фотоприемник размещены на подвижной платформе. Кроме того, устройство снабжено блоком выделения максимальной глубины модуляции, состоящим из последовательно соединенных амплитудного детектора дифференцирующего каскада и компаратора. Узел создания нагрузки содержит последовательно соединенные гидроаккумулятор , редуктор давления и гидроцилиндр с поршнем, 2 з.п.ф-лы, 9 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

csi)s G 09 В 23/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1536428 (21) 4758700/12 (22) 13.11.89 (46) 15.03.92. Бюл. М 10 (72) В.А; Нестеров, B.Ï, Сизов и А.А. Чернов (53) 521,3(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР.

N 1536428, кл. G 09 В 23/06, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ

И ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ КОНСТРУКЦИИ (57) Изобретение относится к учебным и наглядным пособиям по механике. Цель изобретения — расширение дидактических возможностей за счет демонстрации зависимости формы колебаний конструкции от

Изобретение относится. к учебным приборам по механике, в частности к приборам для исследования колебательного движения, и является усовершенствованием устройства по авт,св. и 1536428.

В основном изобретении описано устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции, содержащее основание с опорами для установки конструкции, источник механических колебаний, блок регистрации, оптический квантовый генератор, фотоприемник, блок формирования управляющих импульсов. При этом источник механических колебаний выполнен в виде магнитоэлектрического преобразователя с усилителем для взаимодействия с конструкцией, а квантовый генератор оптически связан с фотоприемником, выходы которого подключены к входу блока формирования управляющих импульсов и к первому входу блока регистрации, второй и

„„SU ÄÄ 1720067А2 величины нагрузки. Устройство дополнительно снабжено связанной с основанием стойкой, на которой установлена с возможностью перемещения подвижная платформа, и с датчиком перемещений платформы, связанным с пятым входом блока регистрации. Оптический квантовый генератор и фотоприемник размещены на подвижной платформе. Кроме того, устройство снабжено блоком выделения максимальной глубины модуляции, состоящим из последовательно соединенных амплитудного детектора дифференцирующего каскада и компаратора. Узел создания нагрузки содержит последовательно соединенные гидроаккумулятор, редуктор давления и гидроцилиндр с поршнем, 2 з.п.ф-лы, 9 ил. третий входы которого связаны соответственно с первым и вторым выходами, блока формирования управляющих импульсов, второй выход которого также подключен к усилителю магнитоэлектрического преобразователя, соединенным с четвертым входом блока регистрации. При этом блок формирования управляющих импульсов содержит последовательно включенные амплитудный детектор, перестраиваемый фильтр, усилитель-ограничитель, генератор электрических сигналов, Вход амплитудного детектора является входом блока формирования импульсов, выход амплитудного детектора является первым выходом блока формирования импульсов, а выход генератора электрических сигналов является вторым выходом блока формирования импульсов.

Недостатком указанного устройства являются его ограниченные дидактические

1720067

20 форм;верования управляющих импульсов, 25

40

55 возможности, так как оно не позволяет исследовать формы колебаний конструкций.

Цель изобретения — расширение дидактических возможностей за счет демонстрации зависимости формы колебаний от величины нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции, содержащее основание с опорами для установки конструкции, источник механических колебаний, блок регистрации, оптический квантовый генератор, фотоприемник, блок формирования управляющих импульсов, причем источник механических колебаний выполнен в виде магнитоэлектрического преобразователя с усилителем для взаимодействия с конструкцией, квантовый генератор оптически связан с фотоприемником, выходы которого подключены к входу блока формирования управляющих импульсов и к первому входу блока регистрации, второй и третий входы которого связаны соответственно с первым и вторым выходами блока второй выход которого также подключен к усилителю магнитоэлектрического преобразователя, соединенным с четвертым входом блока регистрации, причем блок формирования управляющих импульсов содержит последовательно включенные амплитудный детектор, перестраиваемый фильтр, усилитель-ограничитель, генератор электрических сигналов, вход амплитудного детектора является входом блока формирования импульсов, выход амплитудного детектора является первым выходом блока формирования импульсов, а выход генератора электрических сигналов является вторым выходом блока формирования импульсов, дополнительно содержит установленную на направляющей и кинематически связанную с ходовым винтом подвижную платформу, датчик перемещения платформы, узел создания .нагрузок с датчиком давления и блок выделения максимальной глубины модуляции. При этом на, правляющая установлена на основании параллельно балке, датчик перемещения кинематически связан с подвижной платформой, а выходное звено узла создания нагрузок кинематически соединено с подвижной опорой балки. При этом квантовый генератор, блок модуляции, коллиматор, интерференционный фильтр и фотоприемник установлены на подвижной платформе, выходы датчика давления, датчика перемещения и блока выделения максимальной глубины модуляции связаны соответстзенно с пятым, шестым и седьмым входом бло. ка регистрации, а вход блока выделения максимальной глубины модуляции подключен к выходу блока формирования управляющих импульсов. Узел создания нагрузки содержит последовательно соединенные гидроаккумулятор, регулятор давления и гидроцилиндр с поршнем, который является выходным звеном, а блок выделения максимальной глубины модуляции включает последовательно соединенные амплитудный детектор, дифференцирующий каскад и компаратор, выход которого является выходом блока, а входом блока является вход амплитудного детектора. При колебаниях

5 конструкции в режиме автоколебательного воздействия при перемещении подвижной платформы относительно конструкции меняется (как это будет показано ниже) глубина модуляции колеблющейся поверхностью излучения оптического квантового генератора. При этом максимальная глубина соот° ветствует узловым точкам колеблющейся поверхности конструкции. По сигналу с датчика перемещений и сигналу с блока выделения максимальной глубины модуляции, который выделяет сигнал, соответствующий точкам на поверхности конструкции, де максимальная глубина модуляции, т.е. узловым точкам, можно с помощью блока регистрации определить длины волн колеблющейся конструкции, т,е. исследовать формы колебаний конструкции.

На фиг. 1 и.2 изображено устройство для демонстрации и исследования колебаний

5 конструкции, общий вид; на фиг. 3 — блок модуляции излучения; на фиг. 4 — фотоприемник; на фиг. 5 — блок формирования управляющих импульсов; на фиг. 6 — блок выделения максимальной глубины модуляции; на фиг. 7 — схема взаимодействия излучения ОКГ с колеблющейся поверхностью конструкции; на фиг. 8- сигналы на входе и выходе амплитудного детектора блока формирования управляющих импульсов, на выходе амплитудного детектора блока выделения максимальной глубины модуляции; на фиг. 9 — сигнал на выходе компара. тора блока выделения максимальной. глубины модуляции.

Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции содержит основание 1 (фиг. 1), установленные на основании опоры 2 и 3, установленную на опорах конструкцию, например балку 4.

Оптический квантовый генератор 5 (например, газовый ОКГ типа ЛГ-126) снабжен оптической системой для подвода излучения к поверхности конструкции 4, включающей блок 6 модуляции и, например, коллиматор

7, Кроме того, устройство содержит подклю1720067 ченный к блоку 8 регистрации (например, один или несколько многоканальных осциллографов типа Н-117, позволяющих одновременно регистрировать до 12-ти сигналов на светочувствительной бумаге), фотоприемник 9 и оптическую систему подвода отраженного от конструкции 4 излучения генератора 5 к фотоприемнику 9 включающую, например, коллиматор 10 и интерференционный фильтр 11, настроенный на длину волны излучения генератора 5. Выход фотоприемника 9 подключен к выходу блока

12 формирования управляющих импульсов, выходы которого подключены к блоку 8 регистрации, блоку 13 выделения максимальной глубины модуляции (выход которого также подключен к блоку 8 регистрации), к источнику механических колебаний, содержащему последовательно соединенные усилитель 14 (например, усилитель мощности

YKY-020, один из выходов которого подключен к блоку 8 регистрации)и магнитоэлектрический преобразователь 15 (например, .динамик 30 ГД-2). При этом магнитоэлектрический преобразователь может быть снабжен толкателем 16, прикрепленным, например, к диффузору 17. ОКГ 5, блок 6 модуляции, коллиматор 7, фотоприемник 9, коллиматор 10, фильтр 11 неподвижно закреплены на подвижной платформе 18, установленной на стойке с возможностью перемещения относительно конструкции 4.

Стойка может состоять из связанных с основанием 1 винта 19 и стойки (направляющей)

20, причем винт 19 через червячную передачу 21 и муфту 22 связан с рукояткой 23, На фиг, 1 представлена стойка, обеспечивающая поступательное перемещение платформы относительно конструкции, на фиг. 2 — угловое перемещение в плоскости чертежа на фиг. 1. Ха платформе 18 установлен датчик 24 перемещений (например, многооборотный потенциометр, включенный по мостовой схеме) соединенный, например, с помощью троса 25, переброшенного через блок 26, с опорой 2, При этом датчик 24 подключен к блоку 8 регистрации. Кроме того, с опорой 3 связано нагружающее устройство, выполненное, например, в виде гидроцилиндра 27, подключенного через регулятор 28 давления (например, редуктор) к источнику 29 давления (например, гидроаккумулятор). Датчик

30 давления (например, индуктивный датчик давления) подключен к полости гидроцилиндра и к блоку 8 регистрации. Блок 6 модуляции (фиг. 3) содержит электрооптический модулятор 31 (например, МЛ-3) с источником 32 напряжения смещения рабочей точки модулятора и подключенный к нему генератор 33 поднесущей частоты для обеспечения возможности усиления сигнала. несущего полезную информацию о колебаниях конструкции 4 с помощью узко5. полосного усилителя (в качестве генератора может быть использован генератор Г3-41).

Фотоприемник 9 (фиг. 4) содержит фотоэлектронный умножитель 34 (например, ФЭУ-31 А) с блоком 35 питания и усилитель

10 36, в качестве которого может быть использовано, например, селективный микровольтметр В6-1. Блок 12 формирования управляющих импульсов (фиг. 5) содержит амплитудный детектор 37, активный фильтр

15 38, в качестве которого может. быть использован усилитель с частотно-зависимой положительной" обратной связью, выполненной, например, на основе моста

Вина, блок 39 преобразования сигнала в

20 прямоугольные импульсы (например, усилитель-формирователь УЗ-29), генератор 40 электрических импульсов, работающий в режиме внешнего запуска (например,Г5-26).

Блок 13 выделения максимальной глубины

25 модуляции (фиг. 6) содержит последовательно соединенные амплитудный детектор 41 (с большой относительно детектора 37 постоянной времени 1» Т, где Т вЂ” ожидаемый период колебаний конструкции 4), дифференцирую30 щего каскада 42 (например, RC-цепочка), компаратора 43 (выполненного, например, на основе микросхемы 140 УД 1).

Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции работает

35 следующим образом.

Запускают оптический квантовый генератор 5. Его излучение, модулированное по амплитуде блоком 6 модуляции, с помощью коллиматора 7 подводится к поверхности

40 конструкции 4 (модуляция осуществляется с помощью модулятора 31 с подключенный к нему генератором 33 для обеспечения возможности усиления сигнала, несущего полезную информацию о колебаниях

45 конструкции 4 с помощью узкополосного усилителя 36), Излучение оптического квантового генератора 5 модулируется по амп. литуде колеблющейся поверхностью конструкции 4 (при включении оптического

50 .квантового генератора 5 будет подан первый импульс на усилитель 14 и магнитоэлектрический преобразователь 15 источника механических колебаний). Отраженное излучение генератора 5 с помощью оптиче55 ской системы (коллиматора 10 и интерференционного фильтра 11, настроенного на длину волн излучения оптического квантового генератора 5) подводится к фотоприемнику 9, где сигнал усиливается с помощью узкополосного усилителя 36 и по1720067 дается на блок 12 формирования управляющих импульсов, а также на блок 8 регистрации для контроля качества принимаемого сигнала. В блоке формирования управляющих импульсов сигнал поступает на амплитудный детектор 37, с выхода которого снимается сигнал, содержащий информацию о частоте, амплитуде и форме колебаний точки поверхности конструкции, на которую попадает излучение ОКГ 5 (сигнал поступает на блок 8 регистрации), Этот сигнал представляет собой периодическую функцию времени, близкую к синусоидальной.

Чтобы устранить влияние высших гармоник на формированле управляющих импульсов в блок введен перестраиваемый активный фильтр 38. Сигнал с него преобразуется в пропорциональные импульсы с помощью усилителя-ограничителя 39 и генератора 40 электрических импульсов;

Импульсы с блока 12 поступают на усилитель 14 (сигнал с выхода усилителя контролируется с помощью блока 8 регистрации) а затем а магнитоэлектрический преобразователь 15. Последний посредством толкателя 16 взаимодействует с конструкцией 4.

Таким образом, момент временл подвода механической энергии к конструкции 4 определяется параметрами колебаний конструкции 4, При этом амплитуда колебаний постепенно возрастает по закону, определяемому добротностью колебательной системы, После наступления установившегося режима колебаний с целью исследования формы колебаний конструкции (длин волн поверхности конструкции 4) начинают вращать рукоятку 23, При этом подвижная платформа 18 начинает перемешаться по направляющей 20 поступательно вдоль конструкции 4 (может также проводиться угловое перемещение платформы при вращении рукоятки 23 (фиг. 2), если обеспечено достаточно большое расстояние между платформой и конструкцией. Расстояние определяется исходя из того, чтобы поворот платформы при охвате всей конструкции не превышал нескольких угловых минут). При этом начинает меняться глубина модуляции принимаемого:ротоприемником 9 сигнала.

Покажем это

Параметры модуляции интенсивности отраженного сигнала от колеблющейся поверхности могут быть оценены из расчета мощности рассеянного электрического поля в точке приема в различные моменты времени. Для этого может быть использовано метод касательной плоскости, когда профиль поверхности представляется в виде элементарных площадок. Принимая диаграмму направленности элементарной площадки в виде кардиоиды (элемент Гюйгенса). используя принцип суперпозиции и переходя к пределу, получим следующую формулу для

5 расчета интенсивности сигнала в фотоприемнике 9:

Р(О) = A(0 ) + В(О ) 2Up х

2Л х2 — х1 2Х хг+х1 ! 2 2

sin Q t+

+" C(0)(1+

4л хг+х1 4Л х2 — х1 соз (—

2! I 2

) sin { — — --)

I 2

4л х2 — х1 х х0О г в!пй1, г 4 2 !

20 где А(0) = — + — cos2 0 + — cos4 0;

3 I

8 2 8

В(О)= — — (2sin20 + sin40 ); !

С(О ) = — cos2 0 + 2cos4 О;

О- угол падения луча ОКГ 5 на колеблющуюся поверхность;

I — пространственная длина изгибной волны колеблющейся поверхности;

Uo — амплитуда смещения колеблющейся поверхности крайних точек; х1, x2 — координаты крайних точек облучаемого участка колеблющейся поверхности.

Q — частота колеблющейся поверхно35 с™

Фиксируя 0 и принимая размеры облуI ченной поверхности, например а = — (фиг.

7), легко из (1) видеть, что максимальная глубина модуляции (сомножитель при sin Qt во втором слагаемом (1)) наблюдается при прохождении излучения ОКГ 5 через узловую точку (точка А на фиг. 7) колеблющейся поверхности. При перемещении платформы

18 относительно конструкции 4 трос 25, разматываясь, вращает ось датчика 24 перемещений. При этом последний выдает сигнал, пропорциональный этому перемещению (датчик 24 предварительно тарируют), на

50 блок 8 регистрации. В то же время сигнал с блока 12 формирования поступает на блок выделения максимальной глубины модуляции (на фиг. 8 представлены сигналы на входе в амплитудный детектор 37 — сигнал 44, на входе в блок выделения максимальной глубины модуляции — сигнал 45), который детектируется с помощью детектора 41(сигнал на его выходе представлен гга фиг. 8— сигнал 46), дифференцируется каскадом 42, l1 на выходе компаратора 43 сигнал приоб1720067

10 ретает вид, представленный на фиг. 9 (скачки при смене знака производной сигнала 46, т.е, при прохождении через узловые точки колеблющейся поверхности конструкции 4).

Таким образом, по сигналам с датчика 24 и блока 13 регистрируется с помощью блока 8 длины волн колеблющейся конструкции 4 (исследуется форма колебаний конструкции

4). Описанные исследования конструкции могут проводиться и при различных нагрузках на конструкцию (исследование влияния нагрузки на колебания конструкции). При этом уровень нагрузки задают с помощью регулятора 28, подавая давление от источника 29 в полость гидроцилиндра 27 (при этом перемещается шток гидроцилиндра

27. воздействуя через опору 3 на конструкцию 4). Уровень нагрузки регистрируется с помощью блока 8 по сигналу с датчика 30 давления.

Технико-экономический эффект от использования изобретения заключается в расширении дидактических возможностей устройства, так как, помимо демонстрации колебаний конструкции в режиме автоколебательного воздействия, обеспечена демонстрация форм колебаний при таком воздействии, демонстрация влияния на колебания конструкции действующих на нее нагрузок.

Формула изобретения

1, Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции по авт.св. N 1536428, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения дидактических возможностей за счет демонстрации зависимости формы колебаний от величины нагрузки, оно дополнительно содержит установленную на направляющей и кинематически связанную с ходовым винтом подвижную платформу, датчик перемеще5 ния платформы, узел создания нагрузок с датчиком давления и блок выделения максимальной глубины модуляции, при этом направляющая установлена на основании параллельно балке, датчик перемещения

10 кинематически связан с подвижной платформой, а выходное звено узла создания нагрузок кинематически соединено с подвижной опорой балки, при этом квантовый генератор, блок модуляции, коллиматор, ин15 терференционный фильтр и фотоприемник установлены на подвижной платформе, выходы датчика давления, датчика перемещения и блока выделения максимальной глубины модуляции связаны соответствен20 но с пятым, шестым и седьмым входом блока регистрации, а вход блока выделения максимальной глубины модуляции подключен к выходу блока формирования управляющих импульсов.

25 2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что узел создания нагрузки содержит последовательно соединенные гидроаккумулятор, регулятор давления и гидроцилиндр с поршнем, который является

30 выходным звеном.

3, Устройство по и, 1, отл ича ю щеес я тем, что блок выделения максимальной глубины модуляции включает последовательно соединенные амплитудный детек35 тор, дифференцирующий каскад и компаратор, выход которого является выходом блока, а входом блока является вход амплитудного детектора.

1720067

1720067

1720067

Составитель В.Нестеров

Техред M.Ìoðãåíòàë

Редактор М.Кобылянская

Корректор А.Осауленко

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 772 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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