УДК 681.2:620.178
АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА "АИДА"
ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ
ПРИ УДАРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
С. М. Молин, С. В. Леньков, А. А. Зотов, В. А. Лупша, В. А. Белямов
Описан автономный регистратор, предназначенный для измерения динамических д еформаций при ударных воздействиях, работающий в жестких условиях эксплуатации. Регистратор позволяет измерять относительную деформацию объектов в диапазоне от ±100 до ±50 000 мкм/м в полосе частот от 2 до 10 000 Гц одновременно по восьми независимым каналам в условиях жестких механических и климатических воздействий на измерительную аппаратуру.
Ключевые слова: автономный регистратор, динамические деформации, ударные испытания.
При испытаниях объектов некоторых видов техники существует необходимость в применении малогабаритных портативных автономных регистрирующих средств, обеспечивающих достоверную регистрацию слабо воспроизводимых процессов (например, при уникальных одноразовых экспериментах) в условиях жестких климатических и механических воздействий на объект испытаний и регистрирующую аппаратуру. В данной статье описывается такой автономный регистратор "АИДА", предназначенный для измерения относительных динамических деформаций.
Работа регистраторов на закрытых и подвижных объектах д олжна быть автономной, т. е. должна обеспечиваться энергетическая, конструктивная и функциональная независимость при измерениях исследуемых параметров объектов [1]. Необходимость установки непосредственно на испытуемом объекте предъявляет к уровню автономности регистратора требования по уменьшению массогабаритных показателей и повышению надежности при работе в условиях вибраций и удара в широком диапазоне температур.
Для выполнения этих требований при построении регистратора были применены:
— структурные методы обеспечения функциональной достаточности по точности измерения и надежности функционирования;
— вибро- и ударопрочные термостабильные электронные компоненты;
— конструкционное демпфирование и амортизация электронных модулей и их отдельных компонентов, особенно блока питания.
В регистраторе реализованы следующие структурные методы достижения функциональной достаточности и надежности:
— обеспечение максимального частотного и динамического диапазонов без коммутации коэф-
фициента усиления и частотных характеристик канала;
— обеспечение максимального быстродействия;
— оцифровывание (с помощью АЦП) получаемых от аналоговых датчиков данных для их хранения и передачи в цифровой форме;
— обеспечение оптимальной разрядности АЦП и максимально возможного объема памяти данных;
— минимизация числа структурных элементов;
— обеспечение максимальной автономности каналов регистратора;
— минимальное энергопотребление от встроенного источника питания.
Для конструкционного демпфирования и амортизации электронных модулей и их отдельных компонентов использовались следующие приемы:
— выполнение электронной части в виде набора независимых легких блоков (печатных плат с электрическим монтажом), имеющих минимальное количество общих связей между блоками;
— демпфирование электронных блоков и блока питания легким вспененным вязкоупругим материалом;
— установка (перед распайкой) электронных компонентов на поверхность печатных плат на вязкий компаунд и конечное покрытие поверхностей собранных плат вспененным легким демпфирующим материалом.
Связь между платами осуществляется гибкими кабелями, допускающими бездефектные перемещения плат относительно друг друга. Платы размещаются в силовом корпусе и устанавливаются через прокладки перпендикулярно его основанию (параллельно предполагаемому основному направлению удара).
В автономных регистраторах возрастают требования к пульту управления регистратором. Пульт
46
Эепвогв & вуз1етз • № 8.2013
управления (ПУ) предназначен для управления регистратором, подзарядки аккумуляторов блока питания, подготовки регистратора к записи, автоматического измерения ч астоты тактового генератора в регистраторе перед регистрацией (в силу невозможности применения кварцевых резонаторов) и чтения данных из регистратора. Также ПУ обеспечивает питание регистратора во время проведения метрологических испытаний и регламентных поверок, выполняет помехозащищенный запуск регистратора на расстоянии до 150 м, индикацию целостности цепи запуска регистратора и проверку наличия питания на генераторе тактовой частоты в регистраторе в режиме ожидания, а также связь по шине USB с компьютером. Питание ПУ осуществляется от сети 220 В, но в нем имеется аккумулятор, который обеспечивает резервное питание и позволяет работать с регистратором при отсутствии сети.
В качестве датчиков в первичных преобразователях (ПП) регистратора "АИДА" могут использоваться д вухвыводные фольговые тензорезисторы с номинальным сопротивлением 100; 120 и 200 Ом и чувствительностью 2 ± 0,5 мВ/В (например, типа КФ-4, КФ-5 или 1-LY41-3/120). ПП каждого из восьми измерительных каналов регистратора может индивидуально настраиваться на использование любого из приведенных видов тензоре -зисторов. В силу ограничений датчиков по применению приходится использовать возможности простейших ПП, поэтому для повышения надежности и снижения требований к источнику питания было принято решение использовать четверть-мостовую схему включения тензорезистора в ПП. Существенным достоинством такого включения является возможность размещения датчиков на малогабаритных объектах и в малодоступных местах конструкций.
Точная нелинейная формула и линеаризованная формула преобразования динамической деформации в регистраторе при условии равенства величин омического сопротивления тензорезис-тора и уставочного резистора моста имеют вид:
AU = ип
1 + SKs + 2 r к/ R
L2 (1 + rj R ) + *SKeJ
AU = U
SgE
п 4 (1 + г к/ R f
(1)
где ^о — омическое сопротивление тензорезисто-ра и резистора моста; гк — омическое сопротивление одного подводящего провода; — коэффициент чувствительности тензорезистора (при-
нимается постоянным в номинальном диапазоне измеряемых тензорезистором деформаций); е — величина относительной деформации; Лп — напряжение питания моста.
Применение автономных регистраторов позволяет за счет размещения регистратора на самом объекте существенно сократить длину подводящих проводов (до нескольких метров), уменьшив при этом величину вносимого омического сопротивления кабеля до несущественного значения и тем самым, в большинстве случаев, пренебречь влиянием подводящих проводов и уменьшить синфазные помехи в канале.
Для согласования тензорезистора с входом измерительного канала регистратора "АИДА" по сопротивлению тензорезисторы с номинальными сопротивлениями 120 и 200 Ом должны подключаться через переходные кабели согласования (тензорезистор номиналом 100 Ом подключается непосредственно). В каждом кабеле согласования установлен резистор с номинальным сопротивлением 20 Ом или 100 Ом, который при соединении кабеля оказывается включенным последовательно с внутренним резистором моста имеющим номинальное сопротивление 100 Ом. Таким образом, кабели согласования позволяют производить измерения деформации посредством тензорезис-торов, имеющих разное номинальное сопротивление, без дополнительных настроек во внутренних блоках регистратора.
Для обеспечения помехозащищенности измерительного канала системы использован предварительный усилитель с м алым уровнем шумов и активным подавлением синфазных помех. Далее сигнал оцифровывается с помощью АЦП. При выборе АЦП, прежде всего, необходимо определить динамический и частотный диапазон входного сигнала АЦП. Рабочий ч астотный д иапазон измерительной системы выбирают на основании априорной информации о ширине спектра информационных сигналов и динамическом диапазоне.
Однако при измерениях всегда имеется вероятность появления более высоких частот, лежащих вне рабочего д иапазона. В связи с этим возникает проблема применения фильтров нижних частот (ФНЧ) высокого порядка, ограничивающих рабочий частотный диапазон сигнала, подлежащего аналого-цифровому преобразованию (оцифровке).
Для того чтобы избежать применения ФНЧ высокого порядка предложено использовать способ оцифровки с передискретизацией. Этот способ заключается в выборе АЦП с частотой дискретизации на входе Ир = , превышающей в К раз
Рис. 1. Функциональная схема преобразователя "аналог—код":
АЦП — аналого-цифровой преобразователь; БУ — буферный усилитель с ФВЧ и дифференциальными входом и выходом; УПТ — входной усилитель постоянного тока; ФНЧ — фильтр нижних частот; АОМБ — общий аналоговый вывод АЦП; БОМБ — общий цифровой вывод АЦП
частоту дискретизации на выходе, где параметр К называют коэффициентом передискретизации, а — частотой оцифровки выходного сигнала АЦП. Затем в АЦП осуществляется фильтрация сигнала до интересующего частотного диапазона цифровым фильтром высокого порядка и прореживание оцифрованного сигнала до частоты [2].
При выборе АЦП для обеспечения динамического диапазона измерения необходимо иметь информацию о погрешности оцифровки и об уровне шума АЦП [1]:
Б = 201в(52М - 1/у), дБ, (2)
где Б — динамический диапазон регистратора, дБ; М — разрядность АЦП, бит; 5 — максимальная относительная погрешность измерения; у — шум квантования АЦП, квант.
Исходя из этих требований для оцифровки сигналов в каждом канале регистратора применен сигма-дельта АЦП типа ЛБ7722, имеющий следующие характеристики: разрядность 16 бит; коэффициент передискретизации К = 64; цифровой фильтр нижних частот с подавлением вне полосы пропускания 90 дБ; максимальная частота дискретизации сигнала на выходе АЦП до 120 кГц.
Применение данного АЦП позволяет использовать ПП с постоянным коэффициентом усиления и ФНЧ четвертого порядка, что значительно повышает надежность системы, а АЧХ усилителя подобрать таким образом, что он подавляет частоты передискретизации, проникающие в него по цепям питания.
Функциональная схема преобразователя " аналог—код" с общим источником Л^р и &п пред-
ставлена на рис. 1. Сигнал с тензорезистора Лт, поступающий на вход УПТ, содержит две компоненты: собственно полезный сигнал ДЛ и постоянную составляющую, кото
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.