способ измерения параметров свободно затухающих колебаний крутильного маятника

Формула изобретения

Способ измерения параметров свободно затухающих колебаний крутильного маятника (частоты и коэффициента затухания), включающий регистрацию с помощью лазера и многоэлементного фотоприемника временной зависимости угла отклонения маятника от положения равновесия при свободных затухающих колебаниях, отличающийся тем, что сигнал с фотоприемника преобразуют в цифровой и вводят в компьютер, расчет частоты и коэффициента затухания производят одновременно с регистрацией путем подсчета числа интервалов дискретизации цифрового сигнала, укладывающихся в пределах каждого периода синусоиды и декремента затухания по отношению амплитуд соседних синусоид, с усреднением рассчитываемых параметров по всем периодам затухающих колебаний, а анализ их амплитудных зависимостей производят по окончании всех измерений на основе цифровых образов затухающих колебаний маятника, сохраняемых в процессе измерений в памяти компьютера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в исследованиях свойств различных материалов с помощью крутильного маятника с расчетом частоты и затухания свободных колебаний.

Известен способ [Перепечко И.И. Акустические методы исследования полимеров. - М.: Химия, 1973, - 296 с.] измерения параметров свободно затухающих колебаний крутильного маятника (частоты и коэффициента затухания), в котором используется подсчет количества колебаний, укладывающихся на участке между двумя заданными амплитудами и измерение промежутка времени между двумя последовательными прохождениями маятника через положение равновесия. Недостатком этого метода является низкая точность измерения, т.к. при расчетах используется не вся кривая затухающих колебаний.

Известен также способ [А.С. СССР № 1359685, Бюлл. № 46, с.182], основывающийся на измерении не менее трех интервалов времени между моментами прохождения осциллятором фиксированного уровня и последующем вычислении частоты и коэффициента затухания, исходя из предположения, что колебания описываются экспоненциально затухающей синусоидой. Недостатком данного способа является невысокая точность измерения, обусловленная обработкой только нескольких точек из всей кривой затухающих колебаний.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ измерения параметров свободно затухающих колебаний крутильного маятника (частоты и коэффициента затухания) [А.С. № 2258912, дата публикации 2005.08.20, страна публикации RU, авторы: Филистович Д.В., Старцев О.В., Суранов А.Я.], сущность которого заключается в том, что для исключения влияния нелинейности (амплитудной зависимости) свободно затухающих колебаний производится исследование амплитудных зависимостей декремента затухания и частоты колебаний, величина начальной амплитуды которых лежит в амплитудно-зависимой области (4-7 угловых градусов), путем независимой аппроксимации (5-10) ее участков экспоненциально затухающей синусоидой, построения амплитудных зависимостей декремента затухания и частоты и аппроксимации этих зависимостей полиномиальной функцией. Далее методом экстраполяции найденных зависимостей определяются величины этих параметров при нулевой амплитуде, что дает возможность получения значений частоты и коэффициента затухания, которые зависят от свойств материала, но не от выбранного диапазона амплитуды колебаний.

Недостатком этого метода является то, что указанная математическая обработка регистрируемой кривой по времени многократно превосходит время, затрачиваемое на регистрацию затухающего колебательного процесса. Это делает метод непригодным при исследовании материалов, требующих непрерывно повторяющихся измерений, без длительных пауз между ними. Такие требования к измерениям предъявляются при исследованиях новых материалов с неизвестными свойствами, характеризующихся наличием структурных изменений (фазовых переходов), которые могут возникать при воздействии на исследуемый образец механических возмущений, температуры, электрических и магнитных полей, при изменениях их величины и скорости этих изменений. Примером могут служить материалы, относящиеся к классу сегнетоэластиков [1, 2]. На фиг.1 приведены результаты исследований некоторых свойств таких материалов, в частности температурные зависимости внутреннего трения Q ^-1 (1) и модуля сдвига G (2) для образца х-ориентации кристалла Ba₂NaNb₅O₁₅.

Выявление подобных структурных изменений (фазовых переходов) требует проведения непрерывно чередующихся измерений без длительных пауз между ними.

Изобретение направлено на исключение длительных пауз между измерениями для выявления структурных изменений в материале исследуемого образца при непрерывно изменяющихся условиях эксперимента.

Это достигается тем, что аналоговый сигнал с фотоприемника преобразуют в цифровой и вводят в компьютер, расчет частоты и коэффициента затухания производят одновременно с регистрацией путем подсчета числа интервалов дискретизации цифрового сигнала, укладывающихся в пределах каждого периода синусоиды, а декремента затухания по отношению амплитуд соседних синусоид, с усреднением рассчитываемых параметров по всем периодам затухающих колебаний, а анализ их амплитудных зависимостей производят по окончании всех измерений на основе цифровых образов затухающих колебаний маятника, сохраняемых в процессе измерений в памяти компьютера.

Сущность изобретения заключается в том, что для исключения длительных пауз между измерениями, обусловленными исследованием амплитудных зависимостей параметров колебаний, аналоговый сигнал с фотоприемника преобразуют в цифровой и вводят в компьютер, расчет параметров колебаний (частоты и коэффициента затухания) выполняют одновременно с их регистрацией, а анализ их амплитудных зависимостей производят по окончании всех измерений на основе цифровых образов затухающих колебаний маятника, сохраняемых в процессе измерений в памяти компьютера.

Способ осуществляют следующим образом: измерительное устройство (см. фиг.2) дополняют аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 3, который соединяют с компьютером (ПК) 4, при этом аналоговый сигнал с фотоприемника 2 крутильного маятника 1, преобразованный в АЦП в цифровой, поступает в ПК для регистрации, измерения частоты и коэффициента затухания регистрируемых колебаний, записи в память ПК и визуализации на экране монитора ПК. Расчет частоты и коэффициента затухания колебаний выполняют путем подсчета числа интервалов дискретизации цифрового сигнала, укладывающихся в пределах каждого периода синусоиды, а декремента затухания по отношению амплитуд соседних синусоид, с усреднением рассчитываемых параметров по всем периодам затухающих колебаний. Сохраняемые в памяти ПК цифровые образы (см. фиг.3) регистрируемого сигнала используют в дальнейшем для уточнения рассчитанных параметров колебаний на основе анализа их амплитудных зависимостей с использованием специализированных пакетов прикладных программ математической обработки и анализа данных, таких как MathCad, MatLab, Excel, Origin и др., а также для документирования.

Источники информации

1. Salje Е.К.Н., Phase Transitions in Ferroelastic and Co-Elastic Crystals. - Cambridge Univ. Press, Cambridge . 1990.

2. Гриднев C.A. // Известия РАН, Сер. физ., 2004. T.68. № 7. C.918.