Описание испытательного оборудования

Для доказательства адекватности математической модели и проведенных теоретических исследований (гл. 2) разработан испытательный стенд согласно структурной схеме (рисунок 4.3), действие которой подробно описано в гл.3.2 - «Принцип формирования информативного сигнала из зоны трения трибосопряжения, состоящего из сферических тел, на примере эндопротеза».

Рисунок 4.3 - Испытательный стенд трибоузлов, состоящих из сферических тел

Макет испытательного стенда [31, 80, 92], главным образом, состоит из источника тока, двигателя, АЦП, платы сбора данных и 4-х измерительных каналов, регистрирующих электрическое активное сопротивление из зоны трения трибосопряжения, угол поворота чашки, температуру трибосопряжения и силу нагрузки на исследуемый образец.

Источник тока [30, 38, 59] и электрический канал измерения, состоящий из инструментального усилителя, неинвертирующего усилителя и фильтра нижних частот 5-ого порядка [28], формируют информативный сигнал об активном сопротивлении, которое меняется в ходе испытания и регистрируется 12-ти разрядным 2-х канальным АЦП и ПЛИС Virtex-4. На рисунке 4.4 представлен электрический канал измерения и технические устройства, формирующие его, а именно макеты источника тока, инструментального, неинвертирующего усилителей и фильтра нижних частот 5-ого порядка, 12-ти разрядного 2-х канального АЦП и ПЛИС Virtex-4.

1 - источник тока; 2, 3 - трибосопряжение; 4 - инструментальный усилитель;

5 - согласующий усилитель; 6 - ФНЧ 5-ого порядка;

7 - 12 разрядный 2-х канальный АЦП; 8 - ПЛИС Virtex-4

Рисунок 4.4 - Структурная схема электрического канала измерения

Исходя из теоретических исследований электрического сопротивления, электрический канал измерения имеет коэффициент усиления 10 с полосой пропускания 25 кГц при воздействии на трибоузел постоянным диагностическим током амплитудой 10 мА.

Рисунок 4.5 - АЧХ: а) электрического канала измерения; б) источника тока

При этом важно, чтобы источник тока имел достаточную чувствительность для изменения низких значений активного сопротивления, и поддерживал постоянный стабильный диагностический ток в широком диапазоне изменения активного сопротивления. Статические характеристики источника тока приведены

Рисунок 4.6 - Статические характеристики источника тока: а) зависимость сопротивления от силы тока; б) зависимость изменяемого напряжения при постоянном диагностическом токе амплитудой 10 мА

Разработанный источник тока сконструирован из согласованных транзисторов и полностью удовлетворяет поставленным задачам для экспериментальных исследований (отчет о результатах метрологической аттестации источника постоянного электрического тока представлен в приложении Ж).

Учитывая диапазон изменения активного сопротивления в зоне трения (от 0,1 до 10 Ом), необходимо применение малошумящего прецизионного оборудования (источника тока и электрического канала измерения, включающего в себя инструментальный, неинвертирующий усилители и фильтр нижних частот 5-ого порядка), соотношения сигнал\шум которого рассчитанны по формуле (46) и представлены в таблице 4.2 [94]:

где U_c- эффективное значение напряжения сигнала; Un - эффективное

значение напряжения шума.

Таблица 4.2 - Отношение сигнал/шум разработанных технических устройств

Параметры отношения сигнал/шум также удовлетворяют поставленным

задачам для экспериментальных исследований, при этом основную шумовую

составляющую в электрическом канале измерения оказывает фильтр нижних

частот 5-ого порядка.

В качестве датчика угла поворота используется 10 разрядный

одноповоротный энкодер EP50S8-1024-3f-p-5 (рисунок 4.7) с техническими

параметрами, приведенными в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Технические характеристики энкодера EP50S8-1024-3f-p-5

Рисунок 4.7 - 10 разрядный энкодер EP50S8-1024-3f-p-5

В соответствии с техническими характеристиками энкодер EP50S8-1024-3f- p-5 удовлетворяет условиям для проведения экспериментальных исследований.

Для регистрации нагрузки на трибосопряжение применяется набор одноточечных тензодатчиков с классом точности C3 (рисунок 4.8) (1022-0007-C3- 04X, 01022-050K-C3-04X) в зависимости от исследования диапазона нагружения (0,1 - 50 кг).

Рисунок 4.8 - Тензодатчик, применяемый в испытательном стенде

Используемый тензодатчик оптимален по отношению цена\качество, т.к. для подтверждения адекватности математической модели нет необходимости прецизионно измерять действующую нагрузку. Также достоинством тензодатчика является возможность контроля характера нагружения в динамике, по которому отслеживаются разрывы контакта, виброудары и т.д.

В роли платы сбора данных выступает интеграция ПЛИС Virtex-4 и 2-х канального 12-ти разрядного АЦП на микросхемах AD9226 (рисунок 4.4 г)). 2-х канальное АЦП имеет хорошее отношение сигнал\шум (таблица 4.2) и может считывать сигнал с частотой дискретизации от 60 кГц до 60 МГц, что позволяет точно настроить измерение информативного сигнала, соответствующего полному обороту чашки.

Virtex-4 работает на внутренней тактовой частоте 100 МГц и имеет более 100 общих программируемых цифровых входов/выходов, что позволяет получать и передавать синхронизированные между собой сигналы с 3-х каналов на ЭВМ с дальнейшей обработкой и интерпретацией.

При анализе экспериментального оборудования и его характеристик выявлено, что все технические устройства удовлетворяют условиям для решения поставленных задач в разделе 4.1.

4.2.3