Динамические характеристики тензометрических измерительных систем для прочностных испытаний


Введение

Экспериментальные исследования прочностных характеристик транспортных конструкций, в частности летательных аппаратов и железнодорожных вагонов, базируются на многочисленных измерениях разнородных физических величин. К ним относятся компоненты векторов сил и моментов, действующих на элементы конструкции, локальные и глобальные деформации, давление и пиковые ускорения в различных точках объекта испытаний. Испытания самолетов и железнодорожных вагонов на прочность проводятся в процессе разработки, производства и эксплуатации с целью проверки работоспособности конструкции, выявления и устранения недостатков, установления соответствия фактических характеристик расчетным данным, а также подтверждения требуемого уровня надежности конструкции. Проведение комплексных исследований транспортных конструкций предполагает применение многоканальных измерительных систем, обеспечивающих получение измерительной информации, в основном, от тензометрических датчиков.

Структура тензометрических измерительных систем

В тензометрических измерительных системах (ТИС) применяются датчики мостового типа с выходом по напряжению. Чувствительность датчика определяется как отношение выходного напряжения к напряжению возбуждения мостовой схемы и составляет от 1 до 4 мВ/В [1]. В силу этого при питании датчика напряжением 5 В максимальный выходной сигнал находится в пределах от 5 до 20 мВ. На этот сигнал накладываться ряд помех, которые усложняют его обработку и достижение высокой точности результата измерения. Мостовой датчик имеет временной дрейф, что сужает динамический диапазон работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Тензодатчик в значительной степени подвержен влиянию температуры окружающей среды, что требует внесение в измерительную схему термокорректирующих цепей. В случае работы тензодатчика с длинным кабелем питание мостовой схемы осуществляется переменным напряжением, для чего в схеме измерений используется соответствующий генератор.
Общая структура тензометрического измерительного канала показана на рис. 1. Она включает источник опорного напряжения для питания мостовой схемы, усилитель напряжения с выхода моста для приведения выходного сигнала датчика к диапазону входного сигнала АЦП. Для удаления высокочастотных помех в спектре измеряемого сигнала используется фильтр нижних частот (ФНЧ). Код с выхода АЦП поступает на устройство обработки измерительной информации, а далее на информационную шину измерительной системы.
Рис. 1.
ТИС строятся в блочно-модульном исполнении. При этом возможны два вида их конфигурации. Первый предполагает для каждого датчика использовать индивидуальный нормирующий преобразователь (НП), включающий в себя источник питания моста, усилитель сигнала и ФНЧ. Нормированные сигналы с выходов всех НП  поступают быстродействующий АЦП через многоканальный коммутатор. Структура такой системы показана на рис. 2. Она позволяет индивидуально проектировать и настраивать НП для каждого датчика. В результате удается достигнуть высоких метрологических характеристик системы за счет увеличения трудоемкости проектирования и настройки.

Рис. 2.
Архитектура систем второго вида направлена на автоматизацию процесса измерения. Такие системы строится на базе универсальных модулей, обеспечивающих оперативное конфигурирование всех каналов для работы с различными типами датчиков. Структура систем второго типа показана на рис. 3.

Рис. 3.
Обе архитектуры нашли широкое применение, и выбор в пользу каждой из них делается на основе индивидуальных потребностей и вкусов потребителя.

Метрологические характеристики ТИС

Измерительные системы являются либо частью систем управления нагружением конструкции, либо законченными устройствами, результаты измерения которых обрабатываются компьютером для вычисления ресурса и фактической прочности конструкции. В любом случае к результатам измерений предъявляются высокие требования по точности. Измерения при испытаниях выполняются в динамическом режиме, поэтому для используемых систем нормируются как статические, так и динамические метрологические характеристики. Как правило, выбираются для нормирования частные динамические характеристики, указанные в ГОСТ 2.256-77, например, полоса рабочих частот, неравномерность АЧХ в заданной полосе частот и др.
ООО «Инженерное бюро Авиационного института» разработало и производит системы для прочностных испытаний авиационных конструкций типа ВНП-10 и динамических испытаний железнодорожных вагонов типа ВНП-9. Система ВНП-10 в качестве подсистемы входит в состав автоматизированной системы управления нагружением «Мультитест АН», которая эксплуатируется на АНТК им. О.К. Антонова. ВНП-10 – это система с аналоговым выходом, которая построена по структуре рис. 2 и имеет технические характеристики, указанные в табл. 1.

Таблица 1

№ п/п Характеристика Значение
1. Количество каналов преобразования в одном крейте, шт. 16
2. Номинальные значения сопротивления цепей питания тензорезисторных датчиков, Ом   100-800
3. Питание датчиков напряжением переменного тока формы «меандр», частотой, Гц
амплитудой, В
  5000
2,5; 5
4. Диапазон выходного напряжения каждого канала, В -10…+10
5. Диапазон рабочих частот измерительных каналов, Гц 0…200
6. Предел допускаемого значения основной приведенной статической погрешности измерительных каналов, %   0,1
7. Неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот, % 1

Заданная точность в динамическом режиме системы ВНП-10 обеспечена алгоритмически путем обработки результатов измерений с целью внесения поправки на систематические динамические эффекты. Измеренный сигнал обрабатывается с помощью оператора, обратного оператору, описывающему динамические свойства измерительного канала (ИК) системы. Для реализации процедуры коррекции необходимо наличие полной динамической характеристики ИК, в частности передаточной функции. Ее идентификация производится в два этапа. Первый этап – это нахождение вида модели ИК, которая определяется в ходе анализа схемы устройства. На втором этапе экспериментально получают коэффициенты этой модели [2].
Измерительный канал системы ВНП-10 представляет собой нормирующий преобразователь, построенный по схеме усилителя типа модулятор-демодулятор (МДМ). Он позволяет обеспечить высокую помехозащищенность низкочастотного участка спектра сигнала и уменьшить дрейф нуля. Структурная схема НП показана на рис. 4.

Рис. 4.

Модулятором является собственно тензомост, на диагональ питания которого поступает переменное напряжение формы «меандр». Напряжение питания формируется от источника опорного напряжения схемой, состоящей из повторителя, инвертора и коммутатора. Напряжение разбаланса тензомоста преобразуется в огибающую напряжения несущей частоты , после чего усиливается и поступает на демодулятор, который в совокупности с фильтром позволяет выделить напряжение частоты измеряемого сигнала. В общем виде динамическая модель МДМ-усилителя получена в [3], применительно к конкретной электрической схеме она претерпевает некоторых изменений.
Передаточная функция НП, построенного по схеме усилителя МДМ, является произведением передаточных функций его звеньев:
,                        (1)
где , , ,  – соответственно передаточные функции модулятора, усилителя, демодулятора и фильтра.
Модулятор и демодулятор работают синфазно и управляются одним напряжением. Анализ структуры модулятора показывает, что он состоит из малоинерционных элементов, поэтому
,                                                    (2)
где  – коэффициент передачи мостовой схемы.
Инструментальный усилитель является широкополосным усилителем и в рабочей полосе частот
,                                                      (3)
где  – коэффициент передачи усилителя.
В системе ВНП-10 демодулятор построен на базе мультиплексора и интегрирующей цепи. Инерционными свойствами мультиплексора можно пренебречь, тогда  демодулятор, построенный по такой схеме, описывается апериодическим звеном первого порядка:
,                                                        (4)
где  – постоянная времени RC-цепи.
На выходе НП используется фильтр Бесселя второго порядка. Он строится на базе операционного усилителя и является звеном второго порядка [4].
Таким образом, измерительный канал ВНП-10 описывается передаточной функцией третьего порядка. В ходе идентификации определены ее параметры и выражение для передаточной функции получило следующий вид:
.                                     (5)
Легко определить, что устройство с характеристикой (5) на аппаратном уровне не обеспечивает выполнение предъявляемых к нему требований по точности в диапазоне частот до 200 Гц. Однако этот недостаток удалось устранить алгоритмически.
Система для динамических испытаний железнодорожных вагонов ВНП-9 построена на базе промышленного компьютера фирмы Advantech IPC-622 по структуре, показанной на рис. 3. Конструктивно система состоит из измерительных блоков, каждый из которых содержит восемь двухканальных модулей нормирующих преобразователей, блок управления и контроля, субблок питания и субблок индикации.
Структурная схема модуля НП системы ВНП-9 показана на рис. 5.

Рис. 5.

Модуль НП состоит из цифровой и аналоговой частей. Питание для аналоговой части вырабатывают преобразователи DC–DC1 и DC–DC2, а гальваническая развязка сигналов производится с помощью схем гальванической развязки СГР1 и СГР2.
В состав цифровой части входят:

  • микроконтроллер МК типа Atmega 128;
  • ОЗУ на 2 Мбайта;
  • цифро-аналоговые преобразователи ЦАП1 и ЦАП2;
  • схема сброса СС;
  • блок гальванической развязки БГР.

В состав аналоговой части входят:

  • аналого-цифровые преобразователи AЦП1 и АЦП2;
  • мультиплексоры аналоговых сигналов МПЛ1, МПЛ2;
  • схемы контроля СК1 и СК2, контролирующие наличие короткого замыкания в цепях тензометрических датчиков.

Микроконтроллер МК по интерфейсу SPI через схемы гальванической развязки СГР1 и СГР2 управляет работой аналого-цифровых преобразователей АЦП1 и АЦП2. В зависимости от переданного кода AЦП производят самокалибровку, настройку на измерение постоянного или переменного напряжения, сброс и установку внутренних регистров, настройку на диапазон измерения и непосредственно аналого-цифровое преобразование. По окончании преобразования МК считывает полученную информацию с АЦП1 и АЦП2 и записывает ее в ОЗУ, а также передает ее на ЦАП1 и ЦАП2 для цифро-аналогового преобразования. Выдача информации производится после окончания всего цикла измерения путем чтения микроконтроллером МК информации, содержащейся в ОЗУ или непосредственно с выхода АЦП.
Технические характеристики системы ВНП-9 сведены в табл. 2.

Таблица 2

№ п/п Характеристика Значение
1. Количество каналов преобразования в одном крейте, шт. 16
2. Номинальные значения сопротивления цепей питания тензорезисторных датчиков, Ом   100-800
3. Питание датчиков напряжением постоянного тока амплитудой, В   5
4. Диапазон рабочих частот измерительных каналов, Гц 0…1500
5. Предел допускаемого значения основной приведенной статической погрешности измерительных каналов, %   0,1
6. Неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот, % 1
7. Емкость памяти на каждый канал, Мбайт 1

Ядром НП системы ВНП-9 является устройство, предназначенное для работы с датчиками мостового типа – микросхема AD7730 фирмы Analog Devices, содержащая на одном кристалле все необходимые компоненты. Недостатком этого устройства является низкое быстродействие. Для получения требуемых динамических характеристик в системе ВНП-9 также, как и в ВНП-10, осуществляется коррекция результатов измерений.
Для описанных систем оператор коррекции построен в базисе вейвлет-функций [5]. Это позволяет получить устойчивый оператор обработки, обеспечить требуемую точность коррекции и при этом добиться высокого качества фильтрации сигнала. Выбор вейвлет-функции осуществляется индивидуально для каждого сигнала автоматически на основании критерия максимальной информативности базиса. Далее производится анализ измеренной реализации выбранным базисом и пороговая обработка коэффициентов. Пороговая обработка осуществляет фильтрацию сигнала от составляющих шума. Аппарат вейвлет-преобразования позволяет выполнять фильтрацию адаптивно для разных полос спектра сигнала. Завершающей стадией является этап синтеза сигнала из обработанных коэффициентов вейвлетами, модифицированными требуемым оператором коррекции.
Преимущество использование вейвлет-фильтров по сравнению с классическими методами коррекции состоит в универсальности полученного алгоритма. Он эффективно работает с широким набором сигналов, легко автоматизируется, не требует большого количества информации о форме и свойствах измеряемого сигнала и шума, а также позволяет удалять широкополосный шум из спектра обрабатываемого сигнала.

Литература:

  • Тензометрия в машиностроении. Под ред. Р.А. Макарова. - М.: Машиностроение, 1975. - 288 с
  • Быкова Т.В., Сергиенко М.П., Черепащук Г.А. Определение динамических характеристик тензометрических измерительных каналов // Авиационно-космическая техника и технология.- 2007.- №1(37).- С.17-23.
  • Полонников Д.Е. Решающие усилители. М.: «Энергия», 1973. с.248.
  • Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Л.: Энергия, 1974, с.218.
  • Т.В. Быкова, Г.А. Черепащук Cпособ повышения эффективности оценки измеряемой физической величины при динамических измерениях // Системи обробки інформації: Збірник наукових праць. Невизначеність вимірювання: наукові, нормативні прикладні та методичні аспекти.–Випуск 6(64).–С.10-12.