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

Поскольку амплитудные характеристики модулированного сигнала не несут информации, отпадает влияние неравномерности магнитных свойств носителя. Однако помехи, связанные с колебаниями скорости ленты, со­ храняются. Для уменьшения амплитудных погрешностей стремятся обес­ печить повышенную стабильность работы лентопротяжного механизма. Качество лентопротяжного механизма наряду с другими параметрами характеризуется скольжением — отклонением средней скорости магнит­ ной ленты от номинала и коэффициентом колебаний скорости ленты kK* — отношением амплитуды колебаний скорости ленты к среднему значению скорости. В магнитографах высокого класса колебания скорости ленты не превышают 0,15—0,25%. При использовании лентопротяжных меха­ низмов не высшего качества коэффициент колебаний скорости ленты может достигать одного и более процента. При этом ошибка 4M и ЧИМ записи — воспроизведения может достигать, соответственно, 3—4%•

Дальнейшее повышение точности достигается путем электронной ком­ пенсации колебаний скорости ленты. Например, одна из используемых систем — разностная электронная компенсация при ЧМ-записи — заклю­ чается в следующем. На специальной дорожке носителя записывается контрольный сигнал стабильной частоты. После его демодуляции полу­ чается сигнал колебаний скорости ленты, который затем вычитается из всех сигналов, воспроизведенных в рабочих каналах.

При широтно-импульсной модуляции (рис. 3.21, е) частота следования и амплитуда импульсов остаются постоянными. Модулирующий сигнал из­ меняет здесь ширину, точнее длительность импульса. Колебания скорости ленты при ШИМ-записи сказываются меньше, а полоса воспроизводимых частот при ШИМ несколько уже, чем при 4M и ЧИМ (fB обычно не превышает 1 кгц), однако для исследования таких низкочастотных про­ цессов, какими являются колебания сооружений, это обстоятельство, повидимому, несущественно.

Все рассмотренные выше способы дают аналоговую магнитную запись. Однако измерительная информация может быть зарегистрирована на магнитном носителе также посредством цифровой записи **. При этом способе непрерывный сигнал дискретизируется по времени и квантуется по уровню. Полученный ряд дискретных значений сигнала преобразуется

нением способа пространственного разделения каналов, при котором раз­ ные сигналы регистрируются одновременно на общем носителе записи по отдельным дорожкам (я-дорожечная запись). Иногда используется ча­ стотное разделение каналов, при котором разные сигналы регистрируются одновременно и непрерывно на одной общей дорожке в виде нескольких модулированных сигналов с разными несущими частотами. Такой способ многоканальной записи связан со значительным усложнением электрон­ ной части магнитографа. Кроме того, при нем уменьшается помехоустой­ чивость аппаратуры и понижается точность.

Крайне редко в магнитографах применяется временное разделение каналов, при котором разные сигналы регистрируются поочередно на одной общей дорожке. Этот вид многоканальной записи требует исполь­ зования быстродействующего электромеханического или электронного коммутатора, а поэтому также связан со значительным усложнением аппаратуры.

*В звукозаписи иногда его называют коэффициентом детонации.

**Раньше применялись' также названия «кодо-импульсная запись», или «КИМ-запись».

100

Измерительные магнитографы снабжаются некоторыми специальными устройствами, которые при определенных условиях могут быть полезными при измерениях вибраций сооружений.

Транспонирующее устройство * создает дополнительные возможности при работе с магнитографом. Если магнитограф обладает несколькими скоростями записи и воспроизведения, причем несущая частота изменяется пропорционально номиналу скорости, то это обстоятельство может быть использовано для изменения временного масштаба сигналограммы. Совре­ менные конструкции универсальных магнитографов дают возможность изменять коэффициент транспонирования (отношение скорости воспроиз­ ведения к скорости записи) в десятки и сотни раз **. Воспроизведение с более высокой скоростью, чем при записи, позволяет получить сжатую во времени копию исходного сигнала. Благодаря этому появляется воз­ можность ускорить обработку, а также использовать для исследования сигнала более высокочастотные анализаторы, что дает определенные пре­ имущества. При замедленном воспроизведении можно растянуть во вре­ мени быстро протекающий процесс, например удар, более подробно изучить крутые фронты и другие особенности сигналограммы. Изменение масштаба времени применяется также при вводе опытных данных в аналоговые вычислительные машины.

Устройство для записи в ждущем режиме бывает необходимо в тех случаях, когда требуется зарегистрировать какой-то процесс, время на­ ступления которого заранее не известно, например колебания сооружений под воздействием землетрясения, сильного ветра, волн на воде, аварий­ ного режима работы оборудования и т. д. При решении такой задачи требуется, чтобы регистрирующая аппаратура постоянно находилась в со­ стоянии готовности к записи. Однако если пусковое устройство (стартер) включит регистрирующую аппаратуру в тот момент, когда уровень сиг­ нала превзойдет некоторый заранее заданный предел, то будет по­ терян участок записи, соответствующий самому началу исследуемого явления и некоторому интервалу времени перед ним. В некоторых случаях этот начальный участок представляет для исследования наи­ больший интерес.

Известны конструкции запоминающих устройств аналогового типа, позволяющих сохранить и воспроизвести запись в интервале времени пе­ ред явлением. На рис. 3.23 показана схема такого устройства, использую­ щего магнитную систему записи. Исследуемый сигнал с датчика (или вторичного прибора) поступает на блок записи 5 и стартер 9. Запись осу­ ществляется с помощью головки 2 на магнитный барабан 1 (или магнит­ ную ленту, склеенную в кольцо). Головка воспроизведения 4 отнесена от

носителя.

После воспроизведения запись стирается головкой 3, затем произво­ дится новая запись и т. д. Таким образом, в магнитной памяти уста­ новки непрерывно хранится информация о сигнале за отрезок времени длительностью 1/ѵ. Когда наступит интересующее нас явление и уровень сигнала превысит некоторое заданное значение, стартер 9 включит реги­ стрирующее устройство 8 (осциллограф, магнитограф, самописец и др.), которое запишет сигнал, воспроизведенный головкой 4. Благодаря за­ держке времени при воспроизведении в регистрирующем устройстве 8 будет записан сигнал за некоторый отрезок времени (несколько меньший,

* Установившейся терминологии пока нет. Используются также термины «транспониатор спектра», «трансформатор спектра», «временной компрессор» и др.

** Некоторые специальные магнитографы позволяют изменять коэффициент транспонирования в еще более широких пределах.

101

чем l/v), предшествующий явлению, а также само явление. По окончании цикла регистрации установка снова переходит в ждущий режим работы.

Приведенная схема реализована, например, в установке для автома­ тической регистрации колебаний грунта при удаленных землетрясениях [165]. Устройства для задержки электрического сигнала, основанные на рассмотренном принципе, используются в магнитных коррелографах

(см. § 9.2).

Рециркулятор—устройство для непрерывного воспроизведения сиг­ нала ограниченной деятельности. Некоторые магнитографы имеют спе­ циальные устройства-рециркуляторы, позволяющие воспроизводить сиг­ нал с магнитной ленты, склеенной в кольцо. Это приспособление зна­ чительно облегчает анализ записей случайных процессов. Склеенная

писанного сигнала. Благодаря этому оказывается возможным использо­

вать более точные анализаторы, которые требуют длительного времени существования сигнала. ■

Магнитограф перезаписи представляет собой специализированную ста­ ционарную установку, на которой осуществляют перезапись сигналограмм, т. е. изготовление их копий. Использование копий при работе с анализирующей аппаратурой, которая требует, как правило, много­ кратного ввода сигнала, позволяет избежать износа ценной сигналоіраммы подлинника, особенно при большом числе дорожек записи.

Часто магнитограф перезаписи снабжают рециркулятором (см., например, I2ö\)t

В настоящее время отечественная промышленность только начинает осваивать серийное производство магнитографов. В некоторых организа­ циях разработаны и изготовлены в небольшом количестве модели маг­ нитографов, приспособленные для измерений, связанных с решением

магнитографов. Таблицы несерийных отечественных и особенно подробно серийных иностранных магнитографов даются в работе [221. Технические

102

ные недостатки — это невысокое качество лентопротяжных механизмов

ибольшой вес.

Всвязи с отсутствием достаточно портативных отечественных магни­

тографов были предложены приставки, позволяющие осуществлять ЧМзапись на бытовых переносных магнитофонах {106]. Качество записи в этом случае получается ниже, чем на магнитографах. Магнитофонные приставки такого типа выпускаются промышленностью социалистических стран, например модель ѴАІ8 фирмы RFT (ГДР), рассчитанная на диа­ пазон частот от 1 гц до 1,5 кгц и др.

Отечественные магнитные ленты имеют следующие основные раз­ меры:

неперфорированная.................... ... . шириной 6,25: 12,7: 19,05; 25,4;

с магнитными лентами следует защищать от воздействия прямых солнеч­ ных лучей и магнитных полей.

В последнее время появился еще один класс регистрирующих при­ боров, использующих магнитную память,— цифровые самописцы *. Это портативные приборы, имеющие блок памяти, аналогичный оперативному запоминающему устройству вычислительных машин, в который с весьма высокой скоростью может заноситься цифровая информация.

Рис. 3.24. Упрощенная блок-схема цифрового самописца

/ — аналого-цифровой преобразователь; II — входной переключатель запоми­ нающего устройства; III — запоминающее устройство; IV — цифроаналоговый преобразователь; V — управление; внешние выходные устройства: VI — осцил­ лоскоп; VII — светолучевой осциллограф или самописец; VIII — двухкоорди­

натный самописец; IX — магнитограф; X — перфоратор; XI — буферное уст­ ройство; XII — ЭЦВМ

Упрощенная блок-схема цифрового самописца с цифровыми и анало­ говыми входами и выходами показана на рис. 3.24. Аналоговый сигнал

* Название условное, поскольку установившейся терминологии пока нет.

103

105

106

§4.1. ГАЛЬВАНОМЕТРИЧЕСКАЯ РЕГИСТРАЦИЯ

Г а л ь в а н о м е т р и ч е с к о й р е г и с т р а ц и е й называют способ записи кинематических параметров колебательного движения с помощью индукционного вибродатчика и гальванометра светолучевого осцилло­ графа, соединенных между собой через пассивные (без усиления) со­ гласующие цепи. Благодаря высокой точности, чувствительности и про­ стоте осуществления многоканальной записи гальванометрическая реги­ страция, ранее предложенная и развитая в сейсмометрии [182], в на­ стоящее время является основным способом измерения вибрации соору­ жений.

В § 1.1 было показано, что механическая система датчика в зависи­ мости от режима работы может служить для измерения перемещений, скоростей или ускорений. Индукционный преобразователь, как показано в § 2.2, вырабатывает ЭДС, пропорциональную скорости движения сейсмо­ массы относительно корпуса прибора. Наконец, как показано в § 3.2, от­ клонение луча гальванометра также может в разных режимах соответ­ ствовать либо току, либо интегралу от тока по времени, либо двукратному интегралу от тока по времени. Таким образом, если располагать датчиками и гальванометрами с различными параметрами, то, комбинируя их, можно подобрать измерительный канал для любого кинематического элемента колебательного движения, начиная с интеграла от перемещения по вре­ мени и кончая первой производной от ускорения, называемой резкостью

[18, 28, 96, 97, 123, 141, 182, 209, 211, 212].

Рассматривая измерительный канал как систему, на вход которой поступает измеряемая величина (перемещение, скорость и т. п), а вы­ ходным сигналом считая ординату осциллограммы, отсчитываемую от нулевого уровня данной кривой, можно построить амплитудно- и фазо­ частотные характеристики канала. Наряду с описываемыми в гл. 7 чисто экспериментальными методами построения этих характеристик с помощью градуировочных вибростендов, в последние годы развиты расчетно-экспе­ риментальные методы [18,28,96, 123, 141, 182, 209, 211, 212], позволяющие избежать применения градуировочного вибростенда и примерно с той же точностью, но с несколько большими затратами времени рассчитать эти характеристики по паспортным параметрам приборов, уточняемым с по­ мощью относительно простых экспериментов. Преимуществом этого ме­ тода является также его пригодность практически для любых частот, в том числе и таких, воспроизведение которых на вибростенде затрудни­ тельно или невозможно. Методика определения или уточнения параметров изложена в следующем параграфе. Остановимся на методике расчета. Она базируется на рассмотрении взаимодействия индукционного вибродат­ чика с гальванометром, соединяемых по одной из схем, показанных на рис. 4.1, где Gи и Од — КЭМС соответственно измерительной и демпфи­ рующей катушек датчика (в -сек/м), S — чувствительность гальванометра (мм/ма ■м), Яи, Яд и Яг — соответственно сопротивления измерительной

108

1)создания необходимого внешнего сопротивления для датчика;

2)создания необходимого внешнего сопротивления для гальва­ нометра;

3)обеспечения заданного уменьшения тока, протекающего через галь­ ванометр, с целью «загрубления» прибора, т. е. уменьшения его чувстви­

тельности, с соответствующим увеличением предела измеряемых величин. Эти сопротивления обычно подбираются нескольких номиналов, каж­ дая комбинация которых обеспечивает свое значение загрубления при выполнении двух первых требований. Каждая из таких комбинаций может включаться в схему с помощью переключателя. Все сопротивления вместе с переключателями на 3, 6 или 12 каналов монтируются в отдельной

телем. В том случае, когда какое-либо из первых двух указанных выше требований несущественно, возможно уменьшение числа сопротивлений до двух (схема, показанная на рис. 4.1, б, вместо схем 4.1, а или 4.1, г). В ряде случаев возможно также прямое соединение датчика с гальва­ нометром (рис. 4.1, в).

Отношение тока через гальванометр к ЭДС измерительной катушки, называемое приведенной проводимостью (ом-1) и обозначаемое С, вычис­ ляется по формулам:

го вибродатчика получится из (1.1), если к числу действующих сил приба­ вить реакции демпфирующей и измерительной катушек по (2.5) и (2.6). Если бы не наличие второго члена в числителе формулы (2.6), это диф­ ференциальное уравнение имело бы то же решение, что и раньше, только величина затухания должна быть D ^D io+ D m +D m , где Dю—

просто преобразовывал бы проходящий через него ток в отклонение све­ тового пятна в соответствии с теоретической схемой, приведенной в § 2.2, причем его затухание D2=D 2o+D2lI-fDM, где D2о — механическое затуха­ ние (воздушное или жидкостное плюс трение в растяжках), D2ii, Д2д — магнитоиндукционные затухания, связанные соответственно с измеритель­ ной рамкой и демпфирующим короткозамкнутым каркасом рамки, если

109

тельно соединенных звеньев — датчика, согласующего звена и гальвано­ метра, а фазочастотная характеристика — в виде суммы фазочастотных

характеристик звеньев.

Однако пренебречь вторым членом в числителе формулы (2.6), т. е. влиянием колебаний рамки гальванометра на колебания системы дат­ чик— гальванометр, можно далеко не всегда. Для количественной отно-

где СI в зависимости от схемы (см. рис. 4.1) вычисляется по следую­ щим формулам: