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:

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