CC BY
3Д.А. Голушко
ОАО «Научно-производственное предприятие «Рубин» г. Пенза
А.В. Затылкин
кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
Н.К. Юрков
доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
МЕТОДИКА ИНДИКАЦИИ РЕЗОНАНСОВ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭС
АННОТАЦИЯ: В статье проведен анализ существующих методов определения динамических характеристик конструкции при индикации резонансов аналоговыми устройствами и предложена методика позволяющая повысить достоверность частотных характеристик объекта исследования в области низких частот за счет уменьшения погрешности преобразования измеренного переменного сигнала в эффективное значение.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: вибрация, пульсации, постоянная времени, время установления, эффективное значения.
Сигналы постоянного тока полностью определяются их величиной и полярностью. Измерять параметры сигналов переменного тока намного сложнее. Для извлечения максимума информации о переменном сигнале необходимо получить ряд его выборок с частотой дискретизации, которая должна быть как минимум вдвое выше максимальной частоты спектра сигнала. После обработки полученного набора значений можно получить некоторую совокупность параметров, полностью описывающих исходный сигнал. Однако при преобразовании временного интервала, который содержит информацию о измеряемом процессе, в цифровом измерительном устройстве возникает погрешность квантования по времени. Эта погрешность носит случайный характер и не превышает одного шага квантования. Для определения динамических характеристик конструкции достаточно получить менее емкую характеристику — зависимость амплитуды виброперемещения (виброскорости) во времени. Для представления амплитуды сигнала используется три параметра: пиковое, средневыпрямленное и эффективное
значения. Под средневыпрямленным значением понимается среднее значение выпрямленного сигнала переменного тока:
1 'ср
Еср = Y I Iе()dt
ср t=0
где представляет собой сигнал переменного тока, а 1ср — временной интервал, за который определяется среднее значение; обычно t(:р намного больше периода сигнала Т.
Среднеквадратичное значение является наиболее важным параметром для определения величины сигнала. Этот параметр равен корню квадратному из среднего значения квадрата сигнала:
Еэф =
1 'ср
— J е (t)2 dt
ср t=0
Преобразователь переменного напряжения в эффективное является нелинейным узлом, на вход которого подается переменный сигнал, а на выходе вырабатывается постоянное напряжение,
МЕАП ОБ СОММИШСЛАОМ Е((и ШМЕОТ. Ъй. 2 (142). 2018
поэтому его частотная характеристика определяется как зависимость погрешности преобразования (в процентах) от частоты входного сигнала. Низшая рабочая частота преобразователя должна быть на много больше, чем 1/т, где т постоянная времени сглаживания схемы, выбор которой, как правило, определяется компромиссом между амплитудой пульсаций на выходе и быстродействием.
В случае если частота сигнала известна, и требуется определить только амплитуду на этой частоте, достаточно дискретизировать эффективное значение с помощью АЦП с частотой достаточной для построения АЧХ. ГОСТ 30630.1.1-99 при испытаниях для определения динамических характеристик конструкции методом плавного изменения частоты регламентирует значение скорости изменения частоты равное одной-двум октавам в минуту. Если проводить сканирование широкого диапазона частот (например от 10Гц до 1кГц и более) с такой скоростью за одну итерацию и одним устройством, то на низких частотах сглаживающий фильтр преобразователя не обеспечит эффективного усреднения, и на выходе появятся значительные пульсации и погрешность постоянного уровня. ГОСТ 30630.1.1—99 при испытаниях для определения динамических характеристик на частотах ниже 10 Гц допускает при значениях частот от 1 до 50 Гц устанавливать значение скорости изменения частоты 10 Гц / мин. В поддиапазоне 40—50 Гц это обосновано, т. к. увеличивается время измерения. При использовании метода ступенчатого изменения частоты при частотах, значения которых составляют 10 Гц и менее, испытания проводят на фиксированных частотах при продолжительности выдержки на каждой частоте в пределах 10—30 секунд.
Несмотря на то, что обычно усреднение в преобразователе в эффективное значение осуществляется простым RC-фильтром, реакция на скачкообразное изменение входного сигнала не описывается экспоненциальной функцией. Время установления /уст выходного напряжения с точностью до е от установившегося значения:
1
/уст = т 1п— уст 2е
Однако реакция на снижение уровня входного сигнала почти в два раза медленнее:
/уст = 2т 1п—
уст Е
Таким образом при допустимой точности в 1 % в рабочем поддиапазоне (средние частоты) время установления при снижении уровня составит приблизительно 10т.
Количество периодов в определенном частотном поддиапазоне за время измерения /изм:
N =-
С
,(/н + / ) 2
При скорости изменения частоты в одну октаву за минуту на поддиапазоне от 10 до 20 составит 900 периодов измеряемого сигнала. Экспериментальные исследования по анализу колебательных характеристик печатных плат показали, что на интервале 1/60 октавы при резо-нансах с высокой добротностью изменения уровней АЧХ достигают ЫВ. Т. е. за время установления равное одной секунде измеряемый сигнал может измениться на 10 %. При скорости изменения частоты 1 октава в минуту быстродействия преобразователя с временем установления 1 секунда недостаточно. За одну секунду в испытательном сигнале (10—20 Гц) уложится в среднем 15 периодов, что явно недостаточно для преобразования в эффективное значение с приемлемой погрешностью.
Пульсации и погрешность выходного уровня можно уменьшить, увеличивая постоянную времени фильтра, но при этом ухудшается быстродействие схемы. При выборе слишком большого значения выходной сигнал будет хорошо отфильтрован, но схема будет медленнее реагировать на изменения входного сигнала. Следовательно, на низких частотах приходится выбирать — увеличить ли постоянную времени сглаживания, что обеспечит хорошую точность, но замедленную реакцию на изменения входного сигнала, или оставить малую постоянную времени, т. е. быструю реакцию, но ухудшить точность.
Для устранения этого противоречия при проведении испытаний за одну итерацию одним устройством с получением в результате непрерывного спектра частот конструкции в заданном частотном диапазоне предлагается при формировании испытательного сигнала на низких частотах уменьшить скорость изменения частоты до значения 100 периодов за поддиапазон соответствующий /уст и равный 0.01 октавы. Такая скорость изменения частоты соответствует скорости одна октава в ми-
нуту на частотах в области 160 Гц. При частотах, значения которых составляют менее 160 Гц испытания предлагается проводить методом ступенчатого изменения частоты по ГОСТ 30630.1.1—99 путем плавного изменения значения частоты от нижней фиксированной частоты ^ до следующей более высокой фиксированной частоты ^ за время прохождения каждого диапазона ¿изм:
^изм
5000
(( + Ь)
Для повышения быстродействия с повышением частоты предлагается устанавливать постоянную времени в соответствии с управляющим сигналом генератора равную десяти периодам во всем диапазоне частот испытаний:
т = 10Т.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 30630.1.8-2002.
2. А. Дж. Пейтон, В. Волш //Аналоговая электроника на операционных усилителях — М.: БИНОМ, 1994-352 с.
