Динамические характеристики тензометрических измерительных систем для прочностных испытаний


Описаны тензометрические измерительные системы для испытаний прочности конструкций типов ПКП-9 и ВКП-10 производства ООО «Инженерное бюро Авиационного института».
Получены динамические характеристики их измерительных каналов (ВК).
Для повышения точности динамических измерений в системах использован алгоритм коррекции выходного сигнала с применением аппарата вейвлет-преобразования.

ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальные исследования характеристик прочности транспортных конструкций, в частности летательных аппаратов и железнодорожных вагонов, основанные 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, выявление и устранение недостатков, установление соответствия фактических характеристик расчетным данным, а также подтверждение необходимого уровня надежности конструкции. Проведение комплексных исследований транспортных конструкций предусматривает 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]. Вследствие этого при питании датчика напряжением 5 В максимальный выходной сигнал находится в пределах от 5 до 20 мВ. На этот сигнал накладывается ряд помех, которые затрудняют 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, требует внесения в измерительную схему термокорректирующих цепей. В случае работы тензодатчика с длинным кабелем питания мостовой схемы осуществляется переменным напряжением, для чего в схеме измерения используется соответствующий генератор.
Общая структура тензометрического ИК представлена ??на рис. 1.

Рис. 1. Общая структура термометрического ИК.

            Она включает источник опорного напряжения для питания мостовой схемы, усилитель напряжения с выхода моста для приведения выходного сигнала датчика с диапазоном 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.
ТИС строятся в блочно-модульном исполнении. При этом возможны два вида их конфигурации.
Первый предполагает использовать для каждого датчика индивидуальный нормирующий преобразователь (НП), который включает в себя источник питания моста, усилитель сигнала и ФНЧ. Нормированные сигналы с выходов всех НП поступают  к быстродействующему АЦП через многоканальный коммутатор. Структура такой системы представлена ??на рис. 2

Рис. 2. Структура схемы ТИС (вид первый)

Она позволяет индивидуально проектировать и настраивать НП для каждого датчика. В результате удается достичь высоких метрологических характеристик системы за счет увеличения трудоемкости проектирования и настройки.
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 представлена ??на рис. 3.

Рис. 2. Структура схемы ТИС (вид второй)

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

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИС

Измерительные системы являются или частью систем управления нагрузкой конструкции, или 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 во время испытаний выполняются в динамическом режиме, поэтому для используемых систем нормируются как статические, так и динамические метрологические характеристики. Как правило, для нормирования  выбираются определенные динамические характеристики, указанные в ГОСТ 2.256-77, например, полоса рабочих частот, неравномерность АЧХ в заданной полосе частот и т.п..
ООО «Инженерное бюро Авиационного института» разработало и производит системы для испытаний прочности авиационных конструкций типа ВНП-10 (рис. 4) и динамических испытаний железнодорожных вагонов типа ВНП-9 (рис. 5).


Рис. 4. ВНП-10

Рис. 5. ВНП-9

            Система ВНП-10 как подсистема входит в состав автоматизированной системы управления нагрузкой «Мультитест АН», эксплуатируемого на АНТК им. 0.К. Антонова. ВНП-10 - это система с аналоговым выходом, построенная по структуре рис. 2 и имеет технические характеристики, указанные в табл. 1.


Таблица1. Технические характеристики системы ВНП10


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 ИК,%

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 поправок на систематические динамические эффекты. Измеренный сигнал обрабатывается с помощью оператора, обратного оператору, описывает динамические свойства ИК системы. Для реализации процедуры коррекции необходимо наличие полной динамической характеристики ИК, в частности передаточной функции. Ее идентификация выполняется в два этапа. Первый - это нахождение вида модели ИК, который определяется в ходе анализа схемы устройства. На втором - экспериментально получают коэффициенты этой модели [2].
ИК системы ВНП-10 представляет собой нормирующий преобразователь, построенный по схеме усилителя типа модулятор-демодулятор (МДМ). Он позволяет обеспечить высокую помехозащищенность низкочастотной области спектра сигнала и уменьшить дрейф нуля. Структурная схема НП представлена на рис. 6.


Рис. 6. Структурная схема НП
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 превращается в огибающую напряжения несущей частоты Uмод, после чего усиливается и поступает на демодулятор, что в совокупности с фильтром позволяет выделить напряжение частоты измеряемого сигнала. В общем виде динамическая модель МДМ-усилителя получена в [3], относительно применения к конкретной электрической схеме она претерпевает некоторые изменения.
Передаточная функция НП, построенного по схеме усилителя МДМ, является произведением передаточных функций его звеньев:
WНП(p)= WМ(p) WП(p) WДМ(p) WФ(p),                                                        (1)
где WМ(p), WП(p), WДМ(p), WФ(p) - соответственно передаточные функции модулятора, усилителя, демодулятора и фильтра.
Модулятор и демодулятор работают синфазно и управляются одной напряжением. Анализ структуры модулятора показывает, что он состоит из малоинерционных элементов, поэтому
WМ(p)=КМОД, (2)
где КМОД - коэффициент передачи мостовой схемы.
Инструментальный усилитель является широкополосным усилителем и в рабочей полосе частот
WП(p)= КП, (3)
где КП - 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 апериодической звеном первого порядка:


Где T1 – 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, ИК ВНП-10 описывается передаточной функцией третьего порядка. В ходе идентификации определены ее параметры, и выражение для передаточной функции получил такой вид:


Легко определить, что устройство с характеристикой (5) на аппаратном уровне не обеспечивает выполнение поставленных 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, представленной на рис. 3. Конструктивно система состоит из измерительных блоков, каждый из которых содержит восемь двухканальных модулей НП, блока управления и контроля, субблоков питания и индикации.
Структурная схема модуля ЧП системы ВНП 9 представлен на рис. 7.

Рис. 7 - Структурна схема модуля НП системы ВНП-9
Модуль НП состоит из цифровой и аналоговой частей. Питание для аналоговой части производят преобразователи DC-DC1 и DC-DC2, а гальваническую развязку сигналов выполняют с помощью схем гальванической развязки СГР1 и СГР2.
В состав цифровой части входят:

  • микроконтроллер МК типа Atmega128;
  • 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 АЦП1 и АЦП2;
  • мультиплексоры аналоговых сигналов МПЛ1, МПЛ2;
  • схемы контроля СК1 и СК2, контролирующих 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 передаваемого кода АЦП осуществляют самокалибровку, настройку на измерение постоянного или переменного напряжения, сброс и установку внутренних регистров, настройку на диапазон измерения и непосредственно аналого-цифровое преобразование. После окончания 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 по окончании всего цикла измерения путем чтения микроконтроллером МК информации, содержащейся в ОЗУ или непосредственно с выхода АЦП.
Технические характеристики системы ВНП-9 приведены в табл. 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 ИК, Гц

0...1500

5.

Предел допускаемого значения основной приведенной статической погрешности ИК,%

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, предназначеное 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 необходимых 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 необходимую 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 выполняется анализ измеряемой реализации выбранным базисом и пороговая обработка коэффициентов. Последнее осуществляет фильтрацию сигнала от составляющих шума. Аппарат вейвлет-преобразования позволяет выполнять фильтрацию адаптивно для различных полос спектра сигнала. Завершающей стадией является этап синтеза сигнала по обработанным коэффициентам вейвлетами, модифицированными необходимым оператором коррекции.
Преимущество использования вейвлет-фильтров по сравнению с классическими методами коррекции заключается в универсальности полученного алгоритма. Он эффективно работает с широким набором сигналов, легко автоматизируется, не требует большого количества информации относительно формы и свойств измеряемого сигнала и шума, а также позволяет удалять широкополосный шум из спектра обрабатываемого сигнала.
Литература
1. Тензометрия в машиностроении. Под ред. Р. А. Макарова. — М.: Машиностроение, 1975. — 288 с.
2. 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.
3. Полонников Д. Е. Решающие усилители. — М.: «Энергия», 1973. — С. 248.
4. Марше Ж. Операционные усилители и их примене­ние. — Л.: Энергия, 1974. — С. 218.
5. Быкова Т. В., Черепащук Г. А. Способ повышения эф­фективности оценки измеряемой физической величи­ны при динамических измерениях // Системи обробки інформації: Збірник наукових праць. Невизначеність вимірювання: наукові, нормативні прикладні та методичні аспекти. — Вип. 6 (64). — С. 10—12.