Частотомеры

Многоязычковый частотомер (Фрама) (рис. 7) состоит из набора пластинок 2 с грузиками 3 на концах, закрепленных на общей подставке 1. Пластинки имеют разную длину. В зависимости от размеров пластинок и веса грузиков каждая из них имеет определенную частоту собственных колебаний. Эти частоты подобраны так, что перекрывают определенный диапазон.

Рисунок 6. Амплитудомер А.М.Емельянова и В.Ф.Смотрова

Для измерения частоты исследуемой конструкции частотомер устанавливают на ней так, чтобы направление колебания было перпендикулярно пластинкам. При колебании конструкции вместе с ней колеблется частотомер и, если частота колебаний конструкции лежит в диапазоне измерения прибора, какая-нибудь из пластинок попадет в резонанс. Ее амплитуда будет заметно отличаться от остальных. На каждой из пластинок маркирована ее собственная частота. Частота колебаний конструкции равна собственной частоте той пластинки, которая на это отозвалась.

'

Рисунок 7. Многоязычковый частотомер

Иногда бывает, что отзываются одновременно две пластинки. В этом случае искомая частота лежит между собственными частотами этих пластинок. Может случиться, что ни одна из пластин не резонирует. Это значит, что частота колебаний конструкции лежит вне измеряемого диапазона. Следовательно, надо взять частотомер с другим набором пластинок.

4. Приборы для записи виброграмм

Рассмотренными простыми приборами (амплитудомеры и частотомеры) определяют только амплитуды и частоты колебаний. Существуют более сложные приборы, которые могут записывать весь колебательный процесс — виброграмму, при обработке которой определяют почти все характеристики колебательного движения. К числу таких приборов относятся: динамические прогибомеры, вибрографы, осциллографы и др.

Виброметры и вибрографы предназначены для измерения или записи линейных перемещений колеблющегося тела. Если величины амплитуды и частоты отсчитываются непосредственно по шкале прибора, то такие приборы называют виброметрами. Если колебательный процесс записывается прибором на бумагу, фотопленку и т. д., то такой прибор называют вибрографом. Вибрографы обычно имеют устройство для записи меток времени, которые нужны для последующей обработки. На рис. 8 приведена виброграмма с отметками времени.

Рисунок 8. Виброграмма с отметкой времени (отметчик времени прибора Гейгера)

Динамический прогибомер Гейгера (рис. 9) состоит из корпуса 1, внутри которого помещен лентопротяжный механизм, приводящий в движение катушку 4. На подающей катушке 6 намотана бумажная лента 5, которая переходит на столик 2, а далее, через ролик 3, наматывается на приемную катушку 4. Бумажной ленты касается перо 7, которым и записывается виброграмма. Фетровый ролик 3 впитывает в себя излишки чернил. Перо 7 шарнирно закреплено на опоре 8. Колебание конструкции передается перу при помощи коленчатого рычага 14 и стержня 9 с шайбой 12, соединяющего рычаг 14 и перо 7, в точке 11. Изменением соотношения плеч рычажной системы можно менять коэффициент увеличения системы, который может составлять 3, 6, 12, 24.

Для устранения люфтов в системе передачи колебаний от коленчатого рычага 14 к перу 7 стержень 9 поджимается пружиной 13, помещенной в трубку 10.

Связь прибора с исследуемой конструкцией в точке 16 осуществляется при помощи проволоки 15, соединенной с рычагом 14. Для поддержания проволоки в натянутом состоянии используют пружину 17, укрепленную на неподвижном основании.

Рисунок 9. Динамический прогибомер Гейгера

Виброграф Гейгера может быть установлен и непосредственно |на конструкцию. Для этого к нему крепится специальное устройство (рис. 10), состоящее из полого цилиндрического корпуса 1, внутри которого помещена инерционная масса 3, подвешенная на спиральной пружине 4. При помощи рукоятки 5 можно изменить положение инерционной массы 3. Инерционная масса соединена планкой 2 со втулкой 6, которая одевается на трубку 7. Таким образом, инерционная масса может совершать колебания относительно трубки 7. Коленчатый рычаг соединяется с планкой 2.

Рисунок 10. Схема вибрографа Гейгера

Если прибор укрепить на колеблющейся конструкции, инерционная масса будет неподвижной, а колебания корпуса через систему рычагов передадутся на стрелку.

Лентопротяжный механизм прибора обеспечивает различные скорости протяжения ленты (от 0, 2 до 10 м/сек); скорости выбирают в зависимости от частоты исследуемого процесса.

Для определения масштаба времени в приборе имеется специальный отметчик времени, который приводится в действие или от пружины лентопротяжного механизма, или от электрических импульсов, подаваемых от внешнего генератора. Общий вид вибрографа Гейгера показан на рис. 11.

Рисунок 11. Общий вид вибрографа Гейгера

Ручной виброграф ВР-1. Существует несколько разновидностей вибрографов, в том числе ручной виброграф ВР-1, который при записи виброграммы испытатель непосредственно держит в руках. Роль инерционной массы в этом случае выполняет масса самого прибора.

Рисунок 12. Ручной виброграф ВР-1

Основной частью вибрографа (рис. 12, а) является корпус 1, в который вставлена трубка 2. Через эту трубку проходит стержень 5, на нижнем конце которого имеется конусообразный наконечник 4.Верхний конец стержня 5 упирается в рычаг 7. На стержне 5 укреплена пружина, оттягивающая его вниз. Для регулирования натяжения пружины имеется связанный с ней хомутик 6, который стопорится винтами 3. Конец рычага 7 заострен и при его перемещении на восковой бумаге 8, вытягиваемой из кассеты 10, царапанием записывается виброграмма. На той же ленте наконечником 9 с интервалом 1 сек наносятся метки времени. Лентопротяжный механизм приводится в движение пружиной 13, которая заводится рукояткой 12, расположенной с наружной стороны корпуса.

Отметчик времени может работать как от привода лентопротяжного механизма, так и от электрических импульсов, подаваемых от внешнего генератора. Пуск вибрографа осуществляется ручкой 11.

Вибрографом могут измеряться амплитуды колебаний в пределах от 0, 05 до 6 мм с масштабом: 6: 1; 2: 1; 1: 1. При использовании двух последних масштабов на конец трубки 2 надевается специальное рычажное приспособление, показанное на рис. 12, б.

Габаритные размеры вибрографа ВР-1: 80 х 130 х 230 мм, масса прибора — 1, 7 кг. Общий вид вибрографа показан на рис. 13.

Рисунок 13. Общий вид вибрографа ВР-1

Для записи виброграммы испытатель держит в руках виброграф так, чтобы направление колебания совпадало с продольной осью стержня, а наконечник на его конце упирался в точку, в которой определяют характеристики колебаний. Стержень повторяет колебания конструкции в том случае, если ускорение колебания не превышает 20g (при максимальном нажатии пружины). Виброграф ВР-1 может работать нормально, если частота колебаний лежит в пределах от 5 до 100 гц.

Осциллографы принадлежат к числу вспомогательных приборов, которые записывают сигналы датчиков—преобразователей.

Для этих целей применяют светолучевые и электронные (электронно-лучевые) осциллографы. Для исследования строительных конструкций особенно широко распространены светолучевые осциллографы, позволяющие непосредственно получать записи колебаний одновременно в нескольких точках (до 24) исследуемой конструкции. Частотный диапазон этих осциллографов ограничен пределом от 2 до 3 кгц.

Электронные осциллографы практически безынерционны, их применяют в тех случаях, когда частота исследуемого процесса превышает 2—3 кгц (например, взрывные нагрузки).

С экрана электронного осциллографа исследуемый процесс можно сфотографировать при помощи различных фотонасадок и других добавочных приспособлений. Если необходимо исследовать деформации, возникающие в конструкции при динамическом нагружении, обычно используют такие же тензорезисторы, как и при статических испытаниях. Принципиальная схема установки для измерения деформаций показана на рис. 14.

Рисунок 14. Схема установки для измерения деформаций с применением осциллографа

Она несколько отличается от той схемы, которая применяется при статических испытаниях. Эта установка состоит из следующих приборов: моста Уитстона, одна диагональ которого соединена с источником тока, а во вторую последовательно включен усилитель постоянного тока и далее осциллограф. Необходимость усиления тока, полученного от датчика, вызвана его малой величиной. Показанная на рис. 14 схема установки предусматривает использование постоянного тока для питания измерительного моста.

1. Осциллограф типа Н-102 (переносной) (рис. 15) предназначен для визуального наблюдения и записи одновременно восьми виброграмм. Осциллограф изготовляется в следующих модификациях: для работы при температуре воздуха от +10 до -35°С, относительной влажности до 80% и для работы при температуре воздуха от +10 до —35°С и относительной влажности до 98% (Н-102Т).

Рисунок 15. Общий вид осциллографа Н-102

Осциллограф находится в металлическом корпусе, на верхней панели которого размещены органы управления с соответствующими надписями.

С левой стороны панели имеются зажимы 1, к которым подключаются вибродатчики, установленные на исследуемой конструкции. Там же имеются выключатели 3, посредством которых происходит включение и отключение каждого шлейфа. Ручками 2 производится регулирование положения шлейфов, а ручка 21 связана со счетчиком запаса пленки. Ручкой 6 производится регулирование длины снимаемого кадра.

На крышке осветителя имеется «глазок» 9, сигнализирующий об исправности лампы. Контроль накала этой лампы осуществляется вольтметром 8 и регулируется реостатом 15. Посередине платы находятся гнезда для приемной кассеты 22 и подающей кассеты 20. Установление скорости движения пленки происходит двумя ручками 18 и 19, а развертка кривых на экране 13 — ручкой 14. Для защиты экрана от наружного освещения и повреждений он имеет крышку 12 со шторками 11.

Запуск осциллографа осуществляется или вручную, нажатием кнопки 17, или дистанционно, для чего имеются клеммы 16, к которым подключаются замыкающие контакты.

При использовании осциллографа для регистрации ударов или отдельных импульсов его необходимо запустить несколько раньше, чем произойдет удар, иначе пленка не успеет разогнаться до необходимой скорости и начальная часть кадра будет потеряна. Конструкция осциллографа предусматривает опережение запуска, время которого устанавливается ручкой 5. Для регулировки ширины луча имеются диафрагмы 7. Включение двигателя механизма осциллографа производится выключателем 10. Отсек для шлейфов в нерабочем положении закрывается крышкой 4

На рис. 16 показана оптическая схема восьмишлейфового осциллографа Н-102.

Рисунок 16. Оптическая схема восьмишлейфового осциллографа Н-102

Луч, исходящий от лампочки 1 проходит через конденсор 2 и решетку 3, разбивающую пучок света на восемь частей (по числу шлейфов). Каждый плоский луч света попадает на свое вертикальное поворотное зеркало 4 и далее на призму 7, которая отбрасывает его на зеркало 6. Далее через окошко с линзой 5 луч попадает на зеркальце шлейфа 4. Отразившись от зеркальца 4, луч тем же путем возвращается обратно и, пройдя призму 7, частично попадает на цилиндрические линзы 8 и 12. Далее, отразившись от зеркального барабана 13, луч попадает на экран 14. Другая часть светового луча, пройдя призму 7, отражается от зеркал 9 и 10 и фокусируется на светочувствительной пленке при помощи цилиндрической линзы 11.

Поворот зеркальца 4 шлейфа пропорционален проходящему через рамку току, который в свою очередь зависит от изменения сопротивления датчика в результате его деформирования. Остальные шлейфы работают точно так же.

Принципиальная схема шлейфа приведена на рис. 17. Между точками а и b натянута рамка 2, представляющая собой виток проволоки. На рамке, помещенной в поле постоянного магнита 1, закреплено зеркальце 3. При прохождении тока через рамку она поворачивается. Угол поворота рамки с зеркальцем пропорционален силе тока, проходящего через нее. Если пропускать через рамку переменный ток, она будет колебаться с частотой тока. Для демпфирования свободных колебаний рамки с зеркальцем их помещают в масло.

Рисунок 17. Принципиальная схема шлейфа

2. Осциллограф Н - 700 (четырнадцатиканальный) предназначен для регистрации электрических процессов с частотой от 0 до 2000 гц. Простота конструкции, компактность и небольшая масса обусловливают эффективность его применения как для лабораторных, так и для полевых испытаний. Питание осциллографа производится или от аккумуляторов напряжением 27 в, или от сети через специальный преобразователь.

Рисунок 18. Виброграмма с отметкой времени, записанная на осциллографе Н-700

Метки времени наносятся на ленту при помощи специального отметчика с точностью 1% в виде тонких поперечных линий (рис. 18) с интервалом 0, 1 или 0, 05 сек. Для получения меток времени частотой от 10 до 20 гц возможно также использовать один из гальванометров, который соединяют со специальным генератором. В этом случае на пленку записываются импульсы, период следования которых известен.

Для визуального наблюдения колебательных процессов осциллограф имеет специальный экран с развертывающим устройством.

На рис. 19 показана оптическая схема осциллографа.

Рисунок 19. Оптическая схема осциллографа Н-700

Свет от осциллографной лампы 1 с тонкой прямой спиралью проходит через конденсор 2, состоящий из двух цилиндрических линз, и в виде горизонтальной полосы попадает на окошки всех 14 гальванометров (условно показан только один гальванометр), собранных в общий блок с постоянным магнитом 11.

Пройдя через сферическую линзу 8, вставленную в окошко гальванометра, и отразившись от зеркальца гальванометра 9, укрепленного на рамке 10, луч выходит сфокусированным в вертикальной плоскости и делится зеркалом 16 пополам. Часть светового луча проходит через цилиндрическую линзу 17 и фокусируется в точку на поверхности ведущего валика 18 кассеты. При колебаниях рамки луч света, отраженный зеркальцем гальванометра, перемещается в горизонтальной плоскости и записывает на фотобумагу, перематываемую с постоянной скоростью, кривую исследуемого процесса.

Другая часть разделенного луча отражается зеркалом 16, проходит через цилиндрическую линзу 6 и собирается в световую точку, которая отражается от грани вращающегося зеркального барабана 7 и дает изображение исследуемой кривой на цилиндрическом матовом экране 5, который отражается в зеркале 3. Через защитное стекло 4 в зеркале наблюдается развернутая кривая исследуемого процесса.

Лампа 14 отметчика времени освещает неподвижную щелевую. диафрагму 15.

Через определенные промежутки времени щели на вращающихся дисках совмещаются с неподвижной щелевой диафрагмой 13. Сквозь них проходит световой пучок, который, отразившись от зеркала 12, попадает на цилиндрическую линзу 17 и фокусируется на фотобумаге в виде яркой тонкой горизонтальной черты.

На рис. 20 показан общий вид осциллографа (крышка снята).

Рисунок 20. Общий вид осциллографа Н-700:

1 - выключатель отметчика; 2 - выключатель электромагнитной муфты; 3 - ручка реостата; 4 - вольтметр; 5 - крышка осветителя; 6 - переключатель скорости; 7 - экран визуального наблюдения; 8 - ручка для регулирования скорости развертки кривых на матовом экране; 9 - сигнальная лампа; 10 - крышка блока гальванометров

Принципиальное отличие этого осциллографа от осциллографа Н-102 состоит в том, что в первом применяются гальванометры (шлейфы) с внутренним автономным магнитом. Эти гальванометры имеют большие габариты, относительно большую массу и требуют весьма осторожного обращения. Во втором используется один общий магнитный блок, вмонтированный в осциллограф. Собственно гальванометр представляет собой герметически закрытую алюминиевую трубочку диаметром 5, 5 мм, внутри которой находится рамка с зеркальцем. Работает этот гальванометр точно так же, как и гальванометр осциллографа Н-102, однако конструкция его более надежна.

Электронные осциллографы. В настоящее время для исследования динамичных процессов начинают применяться электронные осциллографы, в которых визуализация процесса осуществляется при помощи электронно-лучевой трубки. Принцип ее действия основан на том, что некоторые вещества (например, сернистый цинк) способны светиться под воздействием электронной бомбардировки. В трубке создается тонкий электронный луч, который, попадая на экран, заставляет его светиться. Имеющийся в осциллографе генератор развертки заставляет луч перемещаться по экрану слева направо. При частоте развертки более 10 гц мы видим сплошную горизонтальную светящуюся линию. Исследуемый сигнал после соответствующего усиления вызывает отклонение луча по вертикали. Так создается видимое изображение сигнала.

Существуют различные типы электронных осциллографов, отличающихся между собой как по конструкции, так и по назначению. Недавно нашей промышленностью освоен выпуск осциллографов с запоминающей трубкой. Эти осциллографы способны запоминать изображение однократно возникшего импульса и затем многократно или в течение длительного времени воспроизводить его. Это очень удобно для фотографирования.

5. Вибродатчики

Устройство, преобразующее измеряемую механическую величину в электрическую, называется датчиком.

В современных виброизмерительных приборах механическое колебание преобразуется в электрическое и записывается осциллографом. Связь между датчиком и регистрирующей аппаратурой осуществляется проводами, и измерение параметров вибрации может производиться дистанционно.

В виброизмерительной технике наибольшее распространение получили генераторные и параметрические вибродатчики.

Вибродатчики, которые при измерении неэлектрических величин создают электродвижущую силу, называются генераторными (энергетическими).

Генераторные датчики делятся на индукционные (магнитоэлектрические), пьезоэлектрические, фотоэлектрические и термоэлектрические.

Датчики, которые преобразуют изменение измеряемой неэлектрической величины в измерение электрических параметров, таких как сопротивление, индуктивность, емкость и т. д., называются параметрическими.

Параметрические датчики делятся на индуктивные, емкостные, омического сопротивления и акустические. К числу параметрических датчиков принадлежат дифференциальный индуктивный вибродатчик ВД-3, емкостный датчик ВР-1 и др.

Малая масса и компактность современных вибродатчиков по сравнению с механическими самозаписывающими приборами позволяет устанавливать их в труднодоступных местах.

На рис. 21 показаны некоторые индукционные вибродатчики. Принцип работы большинства из них легко продемонстрировать на конструктивной схеме вибродатчика ВЭГИК (рис. 22).

Вибродатчик ВЭГИК предназначен для преобразования колебаний с амплитудами от 0, 0001 до 2 мм, периодами от 0, 01 до 1 сек (частотами от 1 до 100 гц). Принцип работы прибора заключается в следующем: корпус прибора устанавливается на исследуемый объект и колеблется вместе с ним, а маятник в силу инерции остается неподвижным; таким образом, создается относительное движение индукционной катушки 5 (рис. 22), закрепленной на конце маятника, и постоянного магнита 6, который закреплен на корпусе. Электродвижущая сила, возбужденная в индукционной катушке, по соответствующим проводам поступает в осциллограф и записывается на пленку

Рисунок 21. Вибродатчики:

а – ВЭГИК; б – ВИБ-А; в – К-001

Прибор состоит из следующих основных частей (рис. 22): маятника вибродатчика 3 в виде цилиндрической массы, закрепленного в корпусе 11 при помощи безлюфтового шарнира 2 на стойке 1. Для регистрации вертикальных колебаний ось вращения маятника ориентирована горизонтально, а для регистрации горизонтальных колебаний — вертикально. Вес маятника уравновешен пружиной 9. Изменение частоты собственных колебаний маятника осуществляется при помощи винта 7. При вращении этого винта перемещается гайка 8, за которую зацеплена пружина 9, и изменяется сила натяжения пружины. Винт выведен за корпус и на него насажена ручка 10. На маятнике укреплен алюминиевый рычаг 4, на котором подвешен цилиндрический каркас 5, изготовленный из органического стекла. На каркас намотана катушка из тонкой проволоки. Концы этой катушки выведены к двум зажимам. Индукционная катушка находится в поле постоянного магнита 6.

Рисунок 22. Конструктивная схема ВЭГИК

При колебаниях корпуса датчика катушка, соединенная с инерционной массой, будет неподвижна, а магнит, укрепленный на корпусе, будет вместе с ним повторять колебания исследуемой конструкции. В результате на выходе катушки возникнет э.д. с, изменяющаяся во времени по тому же закону, что и перемещения исследуемой конструкции.

Для регистрации горизонтальных колебаний витая пружина снимается, прибор поворачивается на 90° и ставится на 3 установочных винта.

Механизм вибродатчика помещен в металлический корпус с крышкой из органического стекла, что позволяет видеть положение маятника.