устройство для измерения параметров ударного импульса

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров ударного импульса, содержащее последовательно соединенные первый пьезоакселерометр и первый усилитель, а также аналого-цифровой преобразователь и блок памяти, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные второй пьезоакселерометр и второй усилитель, последовательно соединенные третий пьезоакселерометр и третий усилитель, причем оси чувствительности пьезоакселерометров взаимно ортогональны, усилители выполнены с двумя входами, а аналого-цифровой преобразователь - с четырьмя входами, из которых три соединены соответственно с выходами усилителей, последовательно соединенные автономный однополярный источник питания и преобразователь напряжения питания, последовательно соединенные источник опорного напряжения и усилитель тока, соединенный выходом со вторыми входами первого, второго и третьего усилителей; последовательно соединенные генератор и устройство управления; переключатель напряжения, соединенный первый и вторым входами соответственно с выходом автономного однополярного источника питания и выходом преобразователя напряжения питания, а выходом - с первым входом блока памяти, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя и вторым входом устройства управления, выход которого соединен со вторым входом преобразователя напряжения питания; выход источника опорного напряжения соединен с четвертым входом аналого-цифрового преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области гравиинерциальных измерений, а именно к измерению параметров ударных импульсов.

При проведении испытаний различной аппаратуры на воздействие ударных перегрузок возникает задача измерения их параметров: значения перегрузки, длительности ударного импульса, формы ударного импульса, скорости нарастания и спада амплитуды ударного импульса, спектра непосредственно на корпусе испытуемого прибора. Для этого необходимо использование малогабаритных автономных регистраторов ударных воздействий.

Известно устройство для контроля формы ударного импульса (см. авторское свидетельство СССР №490019, 1973 г., кл. G 01 Р 15/00), содержащее пьезоакселерометр, предусилитель, фильтр, усилитель, блок регистрации с индикатором, блок памяти, а также второй усилитель с переменным коэффициентом усиления, двухуровневую схему сравнения и схему сигнализации. Это устройство предназначено для сравнения формы измеряемого ударного импульса с формой заданного эталонного импульса и не позволяет детально контролировать другие параметры ударного импульса - длительность, скорость нарастания и спада амплитуды, спектр и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является измеритель длительности ударных импульсов (см. авторское свидетельство СССР №550880, 1973, кл. G 01 Р 15/00), состоящий из пьезоакселерометра, согласующего усилителя, фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом коммутатора и схемой запоминания пикового значения амплитуды ускорения. Выходы коммутатора связаны с блоком многоканальной памяти, а он, в свою очередь, связан со вторым коммутатором. Выход коммутатора через буферный усилитель и сглаживающий фильтр подключен к самописцу уровня и пороговому устройству регистратора длительности. Схема запоминания пикового значения соединена с аналого-цифровым преобразователем и через потенциометр с пороговым устройством. Блок памяти с коммутаторами и регистратор длительности, состоящий из вентиля, счетчика и индикатора, управляются от синхронизатора. Устройство обеспечивает возможность измерения длительности ударного импульса и пикового значения его амплитуды.

Недостаток прототипа заключается в том, что устройство не позволяет запомнить форму ударного импульса с целью проведения всестороннего анализа для определения его параметров: длительности, амплитуды, формы, скорости нарастания и спада амплитуды, спектра и т.д. Кроме того, устройство не может быть реализовано с малыми габаритами и малым энергопотреблением, т.к. оно содержит самописец и другие крупногабаритные энергоемкие узлы. Наличие таких узлов не позволяет измерять с помощью данного устройства короткие ударные импульсы в экстремальных условиях.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является возможность измерения всех параметров ударных импульсов: длительности, амплитуды, скорости нарастания и спада амплитуды, спектра и т.д. по трем взаимноортогональным осям непосредственно в зоне действия удара. При этом предлагаемое устройство имеет незначительные размеры и может работать в автономном режиме.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения параметров ударного импульса, содержащее последовательно соединенные первый пьезоакселерометр и первый усилитель, а также аналого-цифровой преобразователь и блок памяти, введены последовательно соединенные второй пьезоакселерометр и второй усилитель; последовательно соединенные третий пьезоакселерометр и третий усилитель, причем оси чувствительности пьезоакселерометров взаимно ортогональны; усилители выполнены с двумя входами, аналого-цифровой преобразователь - с четырьмя входами, три из которых соединены соответственно с выходами усилителей; последовательно соединенные автономный однополярный источник питания и преобразователь напряжения питания; последовательно соединенные источник опорного напряжения и усилитель тока, соединенный выходом со вторыми входами первого, второго и третьего усилителей; последовательно соединенные генератор и устройство управления; переключатель напряжения, соединенный первым и вторым входами соответственно с выходом автономного однополярного источника питания и выходом преобразователя напряжения питания, а выходом с первым входом блока памяти, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя и вторым входом устройства управления, выход которого соединен со вторым входом преобразователя напряжения питания; выход источника опорного напряжения соединен с четвертым входом аналого-цифрового преобразователя.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве осуществляется преобразование в электрический сигнал и запоминание мгновенных значений ударных перегрузок (ускорений) на всем интервале действия удара. Благодаря этому обеспечивается возможность непосредственного наблюдения ударного импульса и получение посредством обработки на ПЭВМ всех его характеристик: формы, амплитуды, длительности, скорости нарастания и спада амплитуды, спектра и т.д.

Кроме того, такое исполнение устройства для измерения параметров ударных импульсов позволяет разместить в общем прочном металлическом корпусе три однокомпонентных пьезоакселерометра (или один трехкомпонентный пьезоакселерометр), автономный однополярный источник питания и все остальные электронные элементы, входящие в состав устройства, и сделать его полностью автономным и малогабаритным.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Устройство для измерения параметров ударного импульса содержит три однокомпонентных пьезоэлектрических преобразователя ударных импульсов (ускорений) в электрический сигнал (пьезоакселерометров) 1, оси чувствительности которых взаимно ортогональны (или один трехкомпонентный пьезоакселерометр); три усилителя электрического заряда 2; усилитель тока 3; источник опорного напряжения 4; восьмиразрядный быстродействующий аналого-цифровой преобразователь 5; твердотельный блок памяти 6; генератор 7; устройство управления 8; автономный однополярный источник питания 9; преобразователь напряжения питания 10; переключатель напряжения 11.

Выходы пьезоакселерометров 1 подключены к соответствующим первым входам усилителей заряда 2, вторые входы которых подключены к выходу усилителя тока 3, вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения 4 и четвертым входом аналого-цифрового преобразователя 5, первый, второй и третий входы которого подключены к выходам соответствующих усилителей заряда 2. Выход автономного однополярного источника питания 9 подключен к первым входам преобразователя напряжения питания 10 и переключателя напряжения питания 11, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения питания 10. Второй вход преобразователя напряжения питания 10 соединен с выходом устройства управления 8, первый вход которого подключен к выходу генератора 7. Выход переключателя напряжения 11 подключен к первому входу блока памяти 6, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 5 и вторым входом устройства управления 8.

Все блоки размещены в общем прочном металлическом корпусе. При этом автономный источник питания и электронные элементы защищены от ударных перегрузок путем помещения их в резиноподобный компаундный модуль.

Устройство для измерения параметров ударного импульса работает следующим образом. Извне посредством импульса "Запуск" включается преобразователь напряжения питания 10, который повышает уровень напряжения автономного источника питания 9 с 3 до 5 В и подключает его ко всем составным элементам устройства. При действии ударного импульса (ускорения) на корпус устройства, внутри которого размещены все блоки устройства, срабатывают пьезоэлектрические акселерометры 1, которые преобразуют ускорения , в электрические сигналы. Эти сигналы, после усиления зарядовыми усилителями 2, преобразуются в цифровые коды аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 5 и поступают для анализа уровня в устройство управления 8. Если измеряемые перегрузки (ускорения) , превышают некоторый задаваемый программно пороговый уровень ускорений, то устройство управления 8 выдает сигнал, разрешающий запись выходных кодов АЦП 5 в блок памяти 6 и цифровые данные записываются в блоке твердотельной цифровой памяти 6. Через время, равное примерно 1с, устройство управления 8 прекращает запись цифровых данных с выхода АЦП 5 в блок памяти 6. При этом устройство управления 8 выдает командный сигнал в преобразователь напряжения питания 10, который посредством переключателя напряжения 11 подключает автономный источник питания 9 непосредственно к блоку памяти 6, в котором сохраняются запомненные данные. При этом блок памяти 6 работает в режиме хранения данных с минимальной потребляемой мощностью. Генератор 7 формирует тактовую частоту для устройства управления 8, а источник опорного напряжения 4 формирует опорное однополярное напряжение для АЦП 5, подаваемое также через усилитель тока 3 на входы усилителей заряда 2.

Считывание результатов измерений происходит непосредственно с блока памяти 6 в ПЭВМ, в которой осуществляется анализ и определение параметров ударного импульса, запомненных в блоке памяти 6.

В предлагаемом устройстве осуществляется преобразование в электрический сигнал и запоминание мгновенных значений ударных импульсов на всем интервале действия удара, благодаря чему обеспечивается наблюдение ударного импульса и измерение всех его характеристик после обработки выходных сигналов на ПЭВМ.

В качестве пьезоэлектрических преобразователей использованы акселерометры типа АП; автономный источник питания состоит из трех аккумуляторов типа НЛЦ-0,9; зарядовые усилители и усилитель тока выполнены на основе операционных усилителей AD822; источник опорного напряжения типа AD680, блок твердотельной памяти типа М5 М5408 AFP, аналого-цифровой преобразователь типа AD7825; устройство управления типа ЕРМ7032; преобразователь напряжения питания типа МАХ619; генератор на основе SN74AHCOO; переключатель напряжения на диодах 2Д803АС9.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения параметров ударного импульса в сравнении с прототипом позволяет измерить непосредственно в зоне действия удара длительность, амплитуду, скорость нарастания и спада амплитуды, спектр и другие параметры ударного импульса, воздействующего на испытуемый объект. Кроме того, устройство обладает существенно меньшими габаритами и может работать в автономном режиме.