- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ
- •1. Макроэксперимент
- •2. Классификация экспериментальных методов
- •6. Машины с гидромеханическим приводом
- •1. Особенности испытаний при динамическом нагружении
- •3. Маятниковые, ротационные и вертикальные копры
- •ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА УСТАЛОСТЬ
- •1. Особенности испытаний на усталость
- •3. Машины с инерционными возбудителями
- •4. Машины с гидравлическими преобразователями
- •5. Установки с пневматическими преобразователями
- •7. Установки с электродинамическими преобразователями
- •1. Методы измерений
- •3. Поляризационно-оптические методы
- •5. Метод хрупких покрытий
- •6. Метод гальванических покрытий
- •7. Метод сеток
- •9. Метод муаровых полос
- •10. Метод голографической интерферометрии
- •1. Тензометры
- •2. Тензорезисторы сопротивления
- •3. Тензорезисторные преобразователи механических величин
- •Глава VIII. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ
- •1. Автоматизация измерений
- •2. Автоматизация управления установками
- •4. Измерение температуры
- •1. Планирование эксперимента
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава VIII. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ
1.Автоматизация измерений
Вавтоматизировашшх измерительных системах исходная информа ция передается к блокам обработки и регистрации в виде электри ческих сигналов, которые вырабатываются преобразователями фи зических величин. В системах для измерения деформаций и напря жений в качестве таких преобразователей в основном используются преобразователи сопротивления, емкостные, индуктивные и пьезо электрические. Наибольшее распространение в качестве первичных датчиков-преобразователей получили тензорезисторы, изменение со противления которых в процессе совместного с объектом исследова ния деформирования вызывает изменение напряжения на выходе потенциометрической или мостовой схемы.
Электрический сигнал при прохождении по цепи измерения мо жет быть усилен, преобразовав и приведен к виду, удобному для введения в блоки обработки результатов испытаний или в блоки выработки команд управления в установках с замкнутым контуром регулирования. В общем случае формируемый датчиками в процессе деформирования электрический сигнал является непрерывным и по ступает в цепь измерения в аналоговой форме. В такой же аналого вой форме происходит его усиление, детектирование и фильтрация, после чего он в традиционных системах измерения (см. рис. 91) по дается на регистрирующий прибор для записи в виде кривой, харак тер изменения которой определяется законом деформирования по верхности объекта.
Всовременных автоматизированных системах, которые базируют ся на использовании ЭВМ, передача и обработка информации па части измерительного тракта осуществляются в виде дискретного набора комбинаций электрических сигналов. В этом случае в измерительной цепи необходимо устанавливать прибор, который преобразовывал бы непрерывное изменение электрического напряжения в дискретный
набор сигналов — АЦП. Он размещается в измерительной цепи (см. рис. 61) после усилителя. Сигналы в дискретной форме через устройство сопряжения (интерфейс или адаптер) подаются в систему обработки, основным элементом которой является ЭВМ, объединяю щая центральный процессор (ЦП), оперативное запоминающее уст ройство (ОЗУ) и систему математического обеспечения [21]. Кроме
ЦП в системе могут также использоваться вспомогательные процес соры для предварительной обработки данных, а кроме ОЗУ — внеш ние запоминающие устройства (ВЗУ), в которых хранятся образую щие банк данных (БД) результаты.
В системе обработки данных также имеются устройства ввода — вывода и общения с экспериментатором на дисплее для удобства вос приятия им результатов испытаний, а также устройства вывода дан ных в систему индикации, которая может включать мнемосхемы, графопостроители различного типа и устройства алфавитно-цифровой печати (АЦПУ).
Для управления системами силонагружения (или нагрева) уста новок с замкнутым контуром регулирования цифровая информация преобразуется в аналоговую с помощью ЦАП.
Форма и способы представления информации на входах и выхо дах различных устройств могут не совпадать; их соединение между собой осуществляется с помощью стандартов на сопряжение — ин терфейсов или с помощью специальных адаптеров (переходников).
Фуикциональпо законченные элементы системы, имеющие одина ковый интерфейс входа — выхода, называются модулями [21]. Авто матизированные системы для экспериментального исследования, как правило, компонуются полностью или частично из типовых ап паратных модулей (управляющих, интерфейсных и обрабатывающих). При этом используются модули различного типа: датчики сигналов, усилители, измерители, коммутаторы, интерфейсы, запоминающие устройства (хранители информации), модули, предназначенные для обработки результатов, их регистрации и индикации. Автоматиза ция экспериментальных исследований на базе ЭВМ позволяет суще ственно повысить эффективность труда научных и инженерно-техни ческих работников и решать такие задачи, которые неосуществимы без применения средств вычислительной техники. Внедрение авто матизированных систем в практику эксперимента обусловлено его усложнением, увеличением количества регистрируемых в единицу времени первичных данных, увеличением объема накапливаемой информации, доступ к которой должен быть простым и быстрым, а также необходимостью управления экспериментом по контролируе мым параметрам, рассчитываемым непосредственно в процессе его проведения.
Применение автоматизированных измерительных систем позво ляет устранить характерное для большинства видов испытаний про тиворечие между малой продолжительностью эксперимента и боль шими трудозатратами на ручную обработку его результатов при ис пользовании традиционных методов сбора, регистрации 'и обработки опытных данных.
- Благодаря автоматизации измерений повышается производитель ность научно-исследовательского труда, увеличиваются точность измерений и степень воспроизводимости полученных данных, обес печивается возможность одновременного измерения большого коли чества параметров при увеличении быстродействия измерительных систем. В автоматизированных системах информация представляется
в виде, удобном для ввода в ЭВМ, что обеспечивает быструю обра ботку всего массива данных и оперативную обработку необходимой информации непосредственно в ходе эксперимента для внесения кор ректировок в порядок измерений.
Наиболее эффективное применение автоматизированные системы па базе ЭВМ находят при проведении измерений в большом количест ве точек. Такие системы называются информационно-измеритель ными (ИИС); они ориентированы на статические и ресурсные испы тания сложных конструкций при наличии измерительных каналов до нескольких тысяч и предназначены для сбора, обработки, анализа и представления информации. К ним предъявляются следующие требования [5]: совместимость в одной системе генераторных и пара метрических датчиков с различными выходными электрическими сигналами; регулируемая многоканальность, в том числе по типам первичных измерительных преобразователей; достаточное быстро действие; работа на длинные измерительные линии; помехозащи щенность; возможность перестройки системы под различные виды испытаний; различные виды регистрации; обработка измеритель ной информации в ЭВМ в режимах реального и разделенного вре мени; возможность использования в системах автоматизации науч ного эксперимента с замкнутым контуром регулирования; точность; наличие различных сервисных режимов.
Разработанные системы делят на два класса: системы универсаль ного назначения, которые обеспечивают измерения в различных ви дах установок или используются при натурных испытаниях кон струкций, и системы специализированного назначения, которые ориентированы на конкретные виды испытаний и характеризуются специфическими функциональными возможностями. К ИИС универ сального назначения относятся системы, используемые при иссле довании напряженно-деформированного состояния авиационных кон струкций, типа БИМС (быстродействующая измерительная много канальная система) [37].
Измерительную информацию, получаемую в процессе испытаний авиационных конструкций на прочность, можно разделить на две основные группы. К первой относится информация, получаемая от первичных преобразователей о состоянии объекта. В эту группу входят данные, поступающие от тензорезисторов, термопар, преобра зователей линейных и угловых перемещений. Ко второй группе относится информация о характере внешних воздействий на объект исследования. Эта информация поступает от тензорезисторных пре образователей силы и давления и от термопар. Объем информации первой группы наибольший, так как во время испытаний на прочность на объект исследования устанавливается до 10 000 и более первичных преобразователей.
Измерительная часть БИМС построена по модульному принципу и состоит из 120 измерительных модулей, каждый из которых обслу живает по 100 измерительных каналов. При этом 120 модулей объ единены в 12 групп по 10 модулей в каждой (рис. 92). Информация от каждой группы модулей через групповой коммутатор поступает
Рис. 92. Структурная схема БИМС:
В К — входные |
коммутаторы ; Д М — цифровые мосты; |
Г К — групповые |
комму |
|||||||
таторы ; У У — |
устройство |
управления; В х - 1 и В х - 2 — входные |
устройства; |
В У |
— |
|||||
вы ходное устройство; Р С П |
— рабочая система представления ; кО С П С И |
и |
О С П Р И |
— |
||||||
оперативные системы представления соответственно при |
статических |
н |
ресурсны х |
|||||||
испытаниях; |
Ц П У |
— цифропечатающее |
устройство; |
Г П |
— графопостроитель; |
|||||
М С — мнемосхема; |
У А О — устройство |
аварийного отключения. |
|
|
|
|
на вход устройства обработки информации и далее — на устройство наглядного представления и регистрации.
Информация на выходе БИМС может быть зафиксирована с по мощью устройства алфавитно-цифровой печати или графопостроителя для дальнейшего хранения и последующей обработки. Для опера
тивного представления информации используются мнемосхемы и эшорограф. По желанию экспериментатора на экране электронно лучевой трубки эшорографа в выбранном сечении конструкции строит ся график распределения деформаций (эпюра). Устройства пред ставления объединены на центральном пульте управления; в него также вмонтированы экраны телевизионных мониторов для наблю дения за объектом исследования или его частями в процессе экспе римента. Быстродействие БИСМ составляет 6000 измерений в 1 с. Система позволяет измерять деформации в диапазоне ± 1 %.
Рассмотрим принцип действия отдельных блоков и устройств ав томатизированных систем на примере ИИС.
Входные комМугаторы (ВК) — это переключающие устройства, обеспечивающие посредством включения, отключения и переклю чения выбор требуемой схемы цепи [21, 37]. Автоматический комму татор состоит из трех узлов: собственно переключателя (контакта), исполнительного (переключающего) механизма и узла управления.
В ИИС используются различные типы коммутаторов, которые по принципу действия можно разделить на контактные и бесконтакт ные, а по способу управления — на шаговые, старт-стопные, цикли ческие и адресные 137]. Контактные коммутаторы в свою очередь можно разделить на механические и магнитные. Механические пере ключатели, управляемые от реле, характеризуются низкой скорос тью коммутации и малым сроком службы. Однако они передают сиг нал без искажений. Малое сопротивление контактов в замкнутом состоянии (10~2 Ом и менее) и большое в разомкнутом (сопротивление изоляции 10" Ом и более) позволяют использовать механические кон такты в прецизионных измерительных цепях без калибровок в ин тервале напряжений от долей милливольт до десятков вольт.
В последнее время широкое распространение получили контакт ные коммутаторы на базе магнитоуправляемых герметических кон тактов — герконов. Геркоиьт, сохраняя преимущества механических контактов, отличаются от них высоким быстродействием (время сраба тывания некоторых герконов менее 1 мс), высокой надежностью ком мутации в любой среде, небольшой стоимостью и большой долговеч ностью (до 10®—109 срабатываний).
Коммутация сигналов в бесконтактном коммутаторе осуществляет ся за счет изменения проводимости различных управляющих эле ментов электрической цепи. Наиболее ответственной частью любого коммутатора является коммутирующий элемент — ключ, который может находиться только в одном из двух положений: замкнуто — проводимость элемента велика и разомкнуто — проводимость эле мента мала. Перевод ключа от одного состояния в другое производит ся с помощью управляющих сигналов. Электронные ключи бескон тактных коммутаторов, быстродействие которых может превышать 109 Гц, всегда искажают сигнал и поэтому требуют периодической калибровки. Однако электронные ключи практически вытеснили остальные типы бесконтактных переключателей благодаря совмести мости с электронными схемами, высокому быстродействию, малым размерам и небольшой стоимости.
Шаговые коммутаторы для отключения одной измерительной цепи и подключения другой управляются с помощью специальных гене раторов импульсов переключения. Импульсы, поступающие от ге нератора, последовательно переключают входные цепи. Шаговый переключатель представляет собой многоуровневый набор вращаю щихся контактов и набор неподвижных контактов. Большой набор контактов дает возможность получать различные комбинации соеди нений. Время переключения в шаговом коммутаторе составляет не сколько десятков миллисекунд, они отличаются достаточной надеж ностью и низкой стоимостью.
При старт-стопиой коммутации пусковой импульс запускает ком мутатор, а затем происходит поочередное подключение входных из мерительных цепей. При возвращении в исходное состояние комму татор прекращает работу до прихода очередного пускового импульса.
Коммутатор с циклическим подключением входных цепей запус кается пусковым импульсом и в дальнейшем работает автоматически, периодически возвращаясь к каждой входной цепи. При адресной коммутации входных цепей их подключение осуществляется в про извольном порядке, задаваемом программой ЭВМ или другим спосо бом. Последние три способа переключения базируются на исполь зовании электронных схем управления, которые обеспечивают по рядок коммутации цепей в соответствии с требованиями экспери мента.
Сигналы управления коммутатором могут набираться вручную путем нажатия комбинаций кнопок, вырабатываться отдельным ко мандным блоком или выводится на ЭВМ. В БИМС функции команд ного блока выполняет устройство управления (УУ). Отметим, чте коммутаторы, управляемые от ЭВМ или сигналами командного бло ка, называются мультиплексорами. Мультиплексор — это схема с п входами и одним выходом, которая при подаче на нее закодирован ного сигнала подключает г-й вход к выходу либо по команде после довательно подключает (опрашивает) каждый из входов к общей шине, соединенной с измерительным устройством.
Цифровой измерительный мост (ЦМ) предназначен для измерения изменения сопротивления тензорезисторов и терморезисторов в про цессе испытаний.
Цифровой измерительный мост выполняется по схеме автокомпен сатора и включает в себя такие типовые элементы систем измерения: измерительный и компенсационные мосты, нуль-орган с усилителями и схемами управления, узел балансировки моста, а также генератор импульсов и узел синхронизации. С помощью моста производится измерение выходного напряжения при разбалансе мостовой схемы, его усиление, преобразование электрического сигнала из аналоговой в дискретную цифровую форму и передачу по команде от группового коммутатора па входные устройства. Таким образом, ЦМ выполняет функции моста Уитстона с автоматической балансировкой по нульметоду, усилителя сигналов и АЦП. Он может работать в трех ре жимах: машинном, одиночном и в режиме опроса одного и того же тензорезистора.
При работе в машинном режиме результаты измерений, выпол няемых в процессе последовательного опроса датчиков, входящих в обслуживаемый ЦМ модуль, поступают через групповой коммутатор и входное устройство в ЭВМ. Одиночный (разовый) режим работы ЦМ используется при контрольных проверочных испытаниях и он прин ципиально не отличается от машинного режима.
Реяшм опроса одного датчика применяется только при наладке я настройке моста. Конструктивно ЦМ выполнен в виде настольного прибора, состоящего из двух отдельных блоков, которые электри чески связаны между собой с помощью кабеля. В одном блоке распо ложены измерительный и компенсационный мосты, а также другие элементы системы измерения, усиления, и преобразования электри ческих сигналов, а во втором — источник питания.
Входные и выходные устройства, расположенные в схемах ИИС между групповыми коммутаторами и ЭВМ, а также между ЭВМ и устройствами представления измерительной информации, пред назначены для согласования сигналов на входе и выходе ЭВМ с па раметрами этих сопрягаемых блоков системы и в таком качестве выполняют функцию интерфейсов и адаптеров.
Устройства представления измерительной информации предна значены для индикации и регистрации результатов измерения в удоб ном для оперативного и долговременного использования виде. Они делятся на две основные группы [37]. К первой относятся индици рующие (оперативные) устройства представления, с помощью кото рых осуществляются кратковременное хранение и оперативное пред ставление информации об исследуемом объекте. Вторую группу со ставляют регистрирующие (рабочие) устройства, с помощью которых полученная в процессе эксперимента информация фиксируется на каком-либо носителе и которые позволяют многократно обращаться
кэтой информации в процессе ее последующей обработки. Ипдицирующие устройства представляют выведенную на них ин
формацию в наглядном виде. Они делятся на сигнализирующие, знаковые и обзорные. В качестве сигнализирующих устройств ис пользуются световые и звуковые сигнализаторы, которые позволяют судить о достижении измеряемой величиной определенного значения. Знаковые индицирующие устройства представления выдают инфор мацию о процессе испытаний в виде чисел или буквенных сочетаний. При испытаниях на прочность чаще всего используются световые табло, а также индикаторы на электронно-лучевых трубках. Опе ратор с помощью клавишного устройства может вызывать на экран электронно-лучевой трубки любой измеряемый параметр и оцени вать его отклонение. Обзорные индикаторы позволяют одновремен но представлять большой объем разнообразной информации в ана логовой и дискретной форме, оценить общую ситуацию, возникающую в ходе эксперимента в любой момент времени, и следить за ходом вы полнения программы испытаний и возникающими отклонениями.
В качестве регистрирующих устройств представления в ИИС используются различные графопостроители, устройства алфавитноцифровой печати, магнитографы и перфораторы. При мощных пото
ках"информации, которые формируются в процессе ресурсных ис пытаний, для регистрации информации используются магнитные диски.
Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) обеспечивают обра ботку данных эксперимента, их хранение и вывод на внешние ин дицирующие и регистрирующие устройства. К основным устройствам ЭВМ относятся ЦП, ОЗУ, а также устройства ввода и вывода [21]. ЦП осуществляет обработку данных по заданному алгоритму *, про изводит обработку команд и управляет работой всей вычислительной системы. Он состоит из арифметико-логического устройства, в кото ром выполняются все вычислительные операции; внутренних регист ров, обеспечивающих повышение быстродействия ЭВМ за счет со кращения времени на выборку команд и данных из ОЗУ; устрой ства управления, которое управляет процессом выполнения команд и обменом между узлами ЭВМ и ее центральным процессором.
Оперативно-запоминающее устройство представляет собой опе ративную память ЭВМ, которая состоит из массива запоминающих элементов. По командам управления необходимая информация может быть вызвана из ОЗУ в центральный процессор или направлена из ЦП 'в ОЗУ. ОЗУ может также по каналу обмена обмениваться ин формацией с ВЗУ, которые фактически являются дополнением к ос новной памяти и оформляются в виде накопителей на магнитных лен тах, магнитных дисках, магнитных барабанах и магнитных картах.
К устройствам ввода — вывода относятся терминальные устрой ства, обеспечивающие взаимодействие экспериментатора с ЭВМ (дис плеи, пишущие машинки и т. п.), перфокарточные и перфоленточные устройства ввода — вывода, устройства сопряжения с линиями связи, алфавитно-печатающие устройства, графопостроители и т. п.
Процессом обмена центрального процессора с внешними устрой ствами управляют специальные операционные системы. Большин ство ЭВМ, используемых в системах автоматизации научных иссле дований, являются универсальными, однако различные универсаль ные ЭВМ отличаются своей архитектурой и поэтому при выборе ЭВМ для создания автоматизированных систем необходимо учитывать осо бенности их построения, которые определяют возможности, преиму щества и недостатки каждого типа ЭВМ при решении конкретных научных задач.
При использовании ЭВМ в автоматизированных системах может осуществляться несколько режимов их работы: монопольный, муль типрограммный, пакетный, разделения времени, натурального (реаль ного) времени [21]. Принципы организации этих режимов и области их применения существенно отличаются. Так, при монопольном ре жиме все ресурсы ЭВМ направлены на решение одной задачи. Этот режим работы в настоящее время применяется для мини- и микроЭВМ, используемых для обработки результатов конкретного экспе римента и характеризующихся сравнительно невысокой стоимостью, но в то же время и ограниченными возможностями.1
1 Под алгоритмом понимают пабор формальных правил, описывающих способ преобразования исходных данпых для получения требуемого результата.