книги из ГПНТБ / Максимов Л.С. Измерение вибрации сооружений справ. пособие

метра, благодаря этому, линейно возрастает по его длине с точностью до высоты ступени; в логарифмическом потенциометре сохраняется постоян­ ство отношений Гі+ііп , где п — сопротивление, замеренное между і-тои ламелью и началом потенциометра (нулевой ламелью). Таким образом,

то

W00

то

то

Рис. 3.16. Амплитудно-частотная характеристика вибрографа, образованного вибродатчиком СМ-2М совместно с интегрирующим контуром, усилителем Ф301 и быстродействующим самопишущим прибором Н326

19 —- токопровод рабочей катушки; 20 — токопровод катушки — датчика скорости

функция зависимости сопротивления потенциометра от его длины обра­ зует ступенчатое приближение к логарифмическому закону. Напряжение, снимаемое с компенсационного потенциометра, усиливается, выпрямляется, после чего в согласующем делителе 6 сравнивается с опорным постоян-

90

ным напряжением. Результирующее напряжение, представляющее собой разницу выпрямленного и опорного напряжений, усиливается в усили­ теле мощности 7, к выходу которого подключен серводвигатель. Основ­ ными частями последнего являются: постоянные магниты 8, магнитопро­ воды 9 и сердечник 18, сделанные из мягкой стали, подвижная рама 10 с закрепленными на ней рабочей катушкой 11 и катушкой-датчиком ско­ рости 12. С рамой 10 жестко связан ползунок 13 потенциометра и пи­ шущее устройство 14, которое перемещается по движущейся ленте 15.

Работа схемы основана на непрерывной стабилизации напряжения, снимаемого с потенциометра. Допустим, что в какой-то момент при неко­ тором значении входного сигнала вся система находится в стабильном состоянии. Это значит, что напряжение, снимаемое с выпрямителя 4, равно опорному, сигнал на входе усилителя 7 равен нулю и катушки серводвигателя неподвижны. Если изменится уровень входного сигнала, то согласующий делитель 6 выявит разницу между выпрямленным и опор­ ным напряжением, на входе усилителя постоянного тока 7 появится сигнал, отличный от нуля, и на рабочую катушку И с выхода усили­ теля 7 будет подано усиленное напряжение некомпенсации. В итоге рама

пока выпрямленное напряжение не уравновесит опорное или же пока шток не дойдет до ограничителя. Для регулирования максимальной ско­ рости перемещения подвижной части серводвигателя служит отрицатель­ ная обратная связь по скорости. Основными элементами этой системы являются катушка-датчик скорости 12 и регулятор максимальной скорости записи 16. Схема прибора содержит еще ряд устройств, которые служат для повышения устойчивости и надежности работы.

Выходная величина — ордината записи — пропорциональна эффектив­ ному (среднеквадратичному) значению* сигнала, если используется ли­ нейный потенциометр, и логарифму эффективного значения в случае применения логарифмического потенциометра. Например, если начальный уровень регистрации прибора составляет10 мв и применяется потенцио­ метр с пределом измерения 50 дб, то на ленте может быть зарегистри­ ровано эффективное значение электрических колебаний в пределах от

10 мв до 3,16 в.

Специальный преобразователь тока позволяет вести регистрацию Мгновенных значений медленно изменяющегося постоянного напряжения.

Самописцы уровня оснащаются дополнительными устройствами для совместной автоматической работы с внешними анализирующими прибо­ рами. Например, возможна совместная работа самописца с анализатором, в котором предусмотрена непрерывная перестройка частоты. Для этого в самописце имеются внешние вспомогательные валики, которые через гибкий вал вращают соответствующее устройство регулировки частоты в анализаторе. Некоторые самописцы имеют устройство, периодически вырабатывающее импульсы, с помощью которых можно управлять внеш­ ними приборами, например, автоматически переключать полосовые фильтры.

В табл. 3.7 приведены технические характеристики трех наиболее рас­ пространенных в СССР самописцев уровня (рис. 3.18 и 3.19) как

* В некоторых приборах предусмотрена возможность регистрации и других величин, характеризующих уровень сигнала: средневыпрямленного значения и половины размаха. Однако по ряду причин погрешность при регистрации этих величин больше, чем при регистрации эффективного значения.

91

Рис. 3.18. Самописец уровня НПО

Рис. 3.19. Самописец уровня 2305

93

с чернильной, так и с резцовой записью. Все приборы — одноканальные, но наличие автоматического переключателя позволяет записывать на ленту два процесса поочередно.

§ 3.4. МАГНИТОГРАФЫ

Магнитографы — это специализированные аппараты для точной записи измерительной информации на магнитный носитель и ее воспроизведения в виде электрических сигналов. Магнитная запись осуществляется изме­ нением остаточного магнитного состояния носителя записи в соответ­ ствии с сигналами записываемой информации [220].

Узел А

Рис. 3.20. Блок-схема аппарата прямой магнитной записи и воспроизведения

В качестве носителя в большинстве случаев используется магнитная лента, на гибкую пластмассовую основу которой нанесен рабочий слой,

записи — магнитная лента 2, поступающая с подающей катушки 1, пере­ мещается с постоянной скоростью и вблизи магнитных головок — стираю­ щей 4, записывающей 5 и воспроизводящей 6 — и наматывается на при­ емную катушку 3. Конструкция простейшей магнитной головки, так назы­ ваемой кольцевой, схематично показана на рис. 3.20 (узел А). Сердеч­ ник 11, выполненный из материала с большой магнитной проницаемостью, имеет обмотку 12. Магнитная лента движется вблизи рабочего зазора 13. Если регистрируемый процесс преобразовать в колебания электрического тока, протекающего по обмотке 12, то это вызовет колебания напряжен­ ности магнитного поля в рабочем зазоре, пропорциональные силе тока в обмотке. В результате взаимодействия поля с рабочим слоем носителя после прохождения магнитной ленты вблизи зазора в ней остается след-

95

дорожка записи, характеризующаяся тем, что остаточная магнитная индукция материала изменяется по длине дорожки. Однако вследствие сложной зависимости между напряженностью поля и магнитной индукцией в материале изменение остаточной индукции по длине дорожки записи не будет пропорциональным изменению тока во времени; т. е. магнитная запись будет иметь большие нелинейные искажения.

Чтобы обеспечить линейность амплитудной характеристики аппарата записи, прибегают к подмагничиванию {220]. На рис. 3.20 показана одна из возможных схем записи с подмагничиванием высокочастотным полем. На записывающую головку 5 через усилитель записи 7 подается реги­ стрирующий сигнал и, кроме того, от специального генератора 9 — пере­ менное напряжение ультразвуковой частоты (30—100 кгц).

Рассматриваемый способ магнитной записи принято называть п р я ­

При движении сигналограммы вблизи рабочего зазора воспроизводя­ щей головки 6, аналогичной по конструкции записывающей, изменяется магнитный поток через сердечник головки. Благодаря этому в обмотке наводится ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока. Таким образом, головка воспроизведения в некотором диапазоне частот выполняет однократное дифференцирование записанного сигнала. Нерав­ номерности частотной характеристики уровня воспроизведения (т. е. ЭДС, наводимых в головке воспроизведения), обусловленные указанной и дру­ гими причинами, компенсируются с помощью частотной коррекции в уси­ лителе воспроизведения 8. Для повторного использования носителя маг­ нитная запись может быть стерта головкой стирания 4, питаемой от гене­ ратора высокой частоты 10.

Главным преимуществом магнитографа является то обстоятельство, что он, в отличие от аппаратов осциллографической записи и БСП, допу­ скает многократное воспроизведение электрического аналога сигнала. Бла­ годаря этому возникает возможность производить анализ и автоматизи­ рованную обработку записей в лабораторных условиях с использованием весьма совершенного оборудования. Магнитографы обладают также сле­ дующими преимуществами по сравнению со светолучевыми осциллогра­ фами и БСП: большим динамическим диапазоном; возможностью исполь­ зования аппаратуры в некоторых специальных режимах (см. ниже); зна­ чительным запасом носителя записи, обеспечивающим возможность регистрации длительных процессов (время непрерывной записи у некоторых образцов магнитографов может достигать нескольких десятков часов); возможностью перезаписи, т. е. воспроизведения и новой записи инфор­ мации, заключенной в сигналограмме; возможностью многократного использования носителя записи; компактностью и небольшим весом аппа­ рата записи (впрочем, это свойство относится лишь к наиболее совер­ шенным образцам).

Весьма рационально применение магнитографов для регистрации про­ цессов, представляющих случайные функции времени, поскольку обра­ ботка этих записей может быть эффективно выполнена на электрических анализаторах.

Однако использование магнитографов связано и с некоторыми за­ труднениями, из которых отметим следующие: невозможность визуального восприятия сигналограммы, записанной на магнитном носителе*; значи­ тельно меньшая чувствительность магнитографов по сравнению со свето­ лучевыми магнитоэлектрическими осциллографами (как правило, для маг­ нитной записи сигнала необходимо, чтобы его уровень был порядка деся-

* При применении магнитографа не теряется возможность получения осцил­ лограмм, так как электрический сигнал с магнитографа может быть так же за­ писан осциллографом, как и синал от датчика.

96

тых долей вольта); влияние помех в виде внешних электромагнитных полей.

Кроме того, существует еще одна особенность, возникающая при использовании магнитографа совместно с индукционными низкочастот­ ными вибродатчиками: для записи перемещения должно быть выпол­ нено интегрирование по времени сигнала, поступающего с датчика. В ос­ циллографе, как указано выше (§ 3.2), функцию интегрирующего звена выполняет в этом случае переуспокоенный гальванометр.

Описанный выше способ прямой записи не пригоден для точной записи измерительной информации в области низких звуковых и инфразвуковых частот. Это обусловлено несколькими обстоятельствами.

Поскольку ЭДС, наводимая в воспроизводящей головке, пропорцио­ нальна скорости изменения магнитного потока *, чувствительность канала воспроизведения резко падает на низких частотах. Вследствие этого пря­ мая запись обеспечивает воспроизведение сигналов лишь на частотах от 30—80 гц (в зависимости от класса магнитографа) и выше. На более низких частотах уровень сигнала оказывается соизмеримым с уровнем помех, поэтому прямая запись для частот ниже 30 гц практически невозможна.

При прямой записи большое влияние на точность воспроизведения оказывают неоднородность магнитных свойств носителя по его длине, а также колебания скорости ленты при записи и воспроизведении. Счи­ тают, что в методе прямой записи погрешность записи — воспроизведения даже в полосе частот, свойственной этому способу, может достигать 20%. Поэтому для точной магнитной записи измерительной информации при­ меняют другие способы [4, 19, 74, 75, 90]. Одни из них основаны на раз­ личных видах модуляции исходного сигнала, в других измеряемый сигнал преобразуется в ряд дискретных чисел, который определенным кодом записывается на магнитный носитель.

Сущность применения модуляции — демодуляции для передачи и приема сигнала заключается в том, что используется вспомогательный сигнал-переносчик, параметры которого (или один параметр) изменяются во времени по тому же закону, по которому происходит изменение пере­ даваемого м о д у л и р у ю щ е г о сигнала. В качестве сигнала-перенос- чика обычно используют гармонические колебания, периодические коле­ бания прямоугольной формы или периодическую последовательность импульсов. Частота сигнала-переносчика, называемая несущей частотой, выбирается с таким расчетом, чтобы она в несколько раз превышала верхнюю границу спектра передаваемого сигнала. Благодаря этому под воздействием модулирующего сигнала происходят относительно медлен­ ные изменения выбранного параметра (или параметров) сигнала-перенос­ чика, например его амплитуды, частоты или фазы. В итоге исходный сигнал преобразуется в более сложный, модулированный. При демоду­ ляции происходит обратный процесс: из модулированного сигнала выде­ ляют исходный, т. е. модулирующий.

Рис. 3.21 иллюстрирует некоторые виды модуляции. В верхней части рисунка дается модулирующий сигнал: нуль (отсутствие сигнала), по­ стоянная величина и период синусоиды. На расположенных ниже графи­ ках показаны модулированные сигналы при различных видах модуляции: амплитудной (AM), амплитудно-импульсной (АИМ), частотной (4M), частотно-импульсной (ЧИМ), широтно-импульсной (ШИМ).

* Кроме описанной выше индукционной магнитной головки, существуют так называемые потокочувствительные магнитные головки воспроизведения, ЭДС ко­ торых не зависит по своей величине от скорости перемещения сигналограммы от­ носительно головки, однако такие головки сложны по конструкции и не полу­ чили распространения для точной магнитной записи.

97

При амплитудной модуляции (рис. 3.21, б) в соответствии с модули­ рующим сигналом изменяется амплитуда синусоидальных колебаний несу­ щей частоты. При амплитудно-импульсной модуляции (рис. 3.21, в) про-

Рис. 3.21. Модулированные сигналы при различных видах модуляции

а — модулирующий сигнал; б — модулированный сигнал при амплитудной модуляции (AM); в — амплитудно-импульсной (АИМ); г — частотной (4M); д — частотно-импульсной (ЧИМ); е — широтно-импульсной (ШИМ)

исходит изменение амплитуды (высоты) импульсов, имеющих постоянную частоту следования и постоянную длительность. Эти способы модуляции, так же как и все остальные, допускают передачу и запись низкочастот-

98

ных колебаний, а также постоянной составляющей сигнала. Однако AM

иАИМ в точной магнитной записи практически не используются в связи

сбольшими погрешностями записи — воспроизведения, достигающими

20—25%- Погрешности возникают главным образом из-за неравномер­ ности отдачи по длине носителя записи. Эти неравномерности обуслов­ лены непостоянством магнитных свойств и толщины ферромагнитного покрытия ленты. Существенно влияют на точность также колебания ско­ рости ленты при записи и воспроизведении, поперечные колебания ленты и изменение зазора между головкой и лентой. Все эти помехи прояв­ ляются при воспроизведении как паразитная амплитудная модуляция.

В точной магнитной записи широко используется частотная модуля­ ция (рис. 3.21, г), при которой изменяется частота синусоидальных коле­ баний или колебаний прямоугольной формы в соответствии с модули-

рующим сигналом, а также частотно-импульсная модуляция (рис. 3.21, д), при которой изменяется частота следования импульсов постоянной ампли­ туды и длительности.

Блок-схема магнитографа с 4M или ЧИМ-записью приведена на рис. 3.22. Регистрируемый (модулирующий) сигнал поступает на моду­ лятор 7, где управляет частотой гармонических колебаний или частотой импульсов, вырабатываемых генератором 8. Модулированный сигнал уси­ ливается в усилителе записи 9 и записывается головкой 5. При воспроиз­ ведении модулированный сигнал с головки 6 поступает в усилитель 10, после чего в демодуляторе 11 восстанавливается исходный (модулирую­ щий) сигнал.

Параметрами 4M и ЧИМ являются несущая частота /нес и глубина модуляции М. Значение /нес обычно принимается в пределах

f нес = (5 -г- 7) /в,

где /в — верхняя граница спектра регистрируемых частот. Если магнито­ граф имеет несколько скоростей движения ленты, то каждой скорости соответствует своя несущая частота, причем номинал частоты изменяется пропорционально номиналу скорости.

Глубина модуляции М определяется отношением

где Д/ — максимальная девиация частоты (отклонение частоты от /нес, соответствующее максимальному значению входного сигнала). В совре­ менных конструкциях магнитографов Д/ обычно принимается равной 0,4.

99