SVYRUOKLIŲ TYRIMAS SU AK, PROGRAMŲ PAKETU NEXTVIEWLIGHT IR KEITIKLIŲ BLOKU UM-4

Darbas su sistema „Instrument on a card (plug in)“

Laboratorinis darbas Nr 1

„Instrument on a card (plug in)“ sistema leidžia paprasčiausiai ir pigiausiai realizuoti eksperimento kompiuterizavim¹. Kompiuteris papildomas plokšte, jungiama prie jo sisteminės magistralės, ar s¹sajos, ir turinčia savyje ADC ir/arba DAC keitiklius su aptarnaujančia elektronika bei diskretinius įvesties/išvesties kanalus. Atskirais atvejais plokštė gali būti apiforminta kaip savarankiškas blokas (toks yra keitiklių blokelis „μmeter – 4“ (UM - 4), naudojamas šiame darbe, jungiamas prie spausdintuvo s¹sajos „Centronics“).

Plokštės paprastai skiriamos analoginių elektrinių signalų įvedimui/išvedimui į/iš asmeninį kompiuterį. Yra žinoma ir plokščių, skirtų impulsų sumavimui ar darbui laikmačio režime. Atskirose mokslo ir technikos srityse naudojamos specializuotos plokštės, kurių pagalba realizuojami, pav.: koks-nors kitų fizikinių dydžių tyrimų ar matavimų metodas ir kt.

Gamintojai pateikia plokštės komplekte specializuotus programų paketus, kurių pagalba AK paverčiamas matavimo prietaisu – oscilografu, spektro analizatorium, programuojamu elektrinių signalų generatorium ir t. t. Kartu vartotojui paliekama galimybė įterpti keitiklių valdym¹ į jo sukurtas programas plačiai vartojamose programavimo aplinkose. Tai žymiai padidina kompiuterizuotos aparatūros funkcionalum¹ ir leidžia atlikti funkcijas, nenumatytas standartiniuose paketuose.

Ta aplinkybė, kad plokštės gali jungtis prie AK sisteminės magistralės, leidžia palyginus paprastai realizuoti patį greičiausi¹ informacijos įvesties metod¹ – DMA (direct memory access) – tiesiogiai kreipiantis į atmintį.

„Instrument on a card“ privalumas – paprastumas ir pigumas.

Trūkumas – funkcinis ribotumas. Sunku įvesti naujas funkcijas.

Informacijos įvesties/išvesties blokelis „μmeter – 4“ (UM - 4)

Mūsų naudojam¹ „μmeter – 4“ (UM - 4) blokelį sudaro lėtaeigis 10 bitų ADC keitiklis su 4 programiškai junginėjamais įėjimais ir po vien¹ vieno bito diskretinį įėjim¹ ir išėjim¹. UM-4 gali būti valdomas vartotojo programose Pascal, Basic ar Forth kalbose. Naudojantis į komplekt¹ įeinančiu programų paketu NEXTVIEWLIGHT, AK su UM-4 gali būti naudojamas kaip virtualus voltmetras ar oscilografas, ar sudaryti automatinio valdymo sistemos branduolį kokiam-tai procesui.

UM-4 pagrindiniai trūkumai yra šie:

skaitmenizuojami tik vieno poliaringumo (teigiami) elektriniai signalai,

tik vienas diapazonas (0-10 V),

maža greitaveika (iki 1000 atsk/s).

Programų paketas NEXTVIEWLIGHT – (NV)

Jis skirtas surinkti matavimo informacijai iš matavimo prietaisų, jai tvarkyti, apdoroti bei valdyti objektus. Tai vienas iš daugelio žinomų rinkoje paketų. Jo konkrečios galimybės labai priklauso nuo asmeninio kompiuterio (AK), naudojamų keitiklių „analogas – kodas“ (ADC) ir „kodas – analogas“ (DAC). Mūsų naudojamas blokas „μmeter – 4“ (UM - 4) pats paprasčiausias ir pigiausias ir neleidžia pilnai panaudoti NV galimybių.

NV pagrindiniai režimai yra šie: ONLINE, ANALYSIS ir PROCESS.

ONLINE režime kontroliuojamasis objektas vienu ar keliais kanalais prijungtas prie UM - 4. Signalai diskretizuojami vis¹ laik¹ ir gali būti atvaizduojami AK displėjuje arba įrašomi į buferinź atmintį. Režimai, teisingiau, jiems atitinkantys langai, parenkami meniu lentelėje „Window“. Signalų atvaizdavimu parenkami vienas ar keli displėjai meniu lentelėje „Display“. Galimi tokie displėjai:

„Analog“ – atvaizduojamas rodyklinis matavimo prietaisas,

„Graph“ – signalo grafikas realiame laike,

„Scope“ – dvikanalis lėtaeigis skaitmeninis oscilografas. Greitaveikos sumetimais čia ribojmos kitos funkcijos.

„Signal“ – skirtas jau užregistruotos (buferyje ar diske informacijos tvarkymui.

Gali būti sukuriami papildomi indikavimo langai meniu lentelės „Panels“ pagalba.

ONLINE lange signalas diskretizuojamas ir gali būti sukauptas buferyje paspaudus klaviš¹ „Scanning“.

ANALYSIS lange vykdomas jau sukauptos informacijos tvarkymas. Čia gali būti atliekama informacijos, sukauptos buferyje/diske, peržiūra arba/ir skaičiavimai. Skaičiavimo operacijas galima atlikti tik su informacija, sukaupta diske, ir tik pažymėtoje markeriais dalyje. Kai kurios operacijos – aritmetinės, trigonometrinės, Fourier transformacija – yra suprogramuotos, kitos gali būti programuojamos formulių redaktoriumi – „Formula editor“.

PROCESS režimas neefektyvus naudojantis bloku UM - 4, kuris neturi savyje DAC ir teturi po vien¹ diskretinį vieno baito (įjungta – išjungta) įėjim¹ ir išėjim¹.

Paketas NV gali išvesti (eksportuoti) informacij¹ pav., ASCII formatu ar j¹ atspausdinti.

Tyrimo objektas

Darbe tiriami svyravimai sistemos, susidedančios iš dviejų svyruoklių. Jei dvi matematines svyruokles sujungsime neturinčia masės spyruokle (1 pav. a), sistema, turinti, šiuo atveju, du laisvės laipsnius, įgis du savuosius dažnius:

sinfazinių svyravimų

(1)

svyravimų priešingomis fazėmis

(2)

čia g – laisvojo kūnų kritimo pagreitis, L –svyruoklės ilgis, k – svyruokles jungiančios spyruoklės standumas (pas mus jų dvi), d – atstumas nuo svyravimo centro iki spyruoklių pritvirtinimo vietos, m – svyruoklės masė.

Žadinant svyruokles sinfaziškai arba simetriškai priešingomis fazėmis atsiras tik vieno dažnio f₁ arba f₂ svyravimai. Žadinant bet kaip atsiras abu svyravimai; jų amplitudės ir pradinės fazės priklausys nuo sužadinimo. Stebėsime mūš¹. Šiame darbe ir įsitikinsime, kad kitokių dažnių svyravimai neatsiras.

a b

1 pav. Surištos svyruoklės a); priverstinių svyravimų žadinimas b); M – variklis.

Mūš¹ stebėsime ir vienos svyruoklės atveju, paveikź j¹ harmoning¹ja jėga, kurios dažnis artimas svyruoklės savajam – rezonansiniam (1 pav. b). Tuoj pat po poveikio pradžios – pereinamajame procese – jos svyravimus galime išreikšti taip:

x = a_se^-αtcos (ω_st+φ_s) + a_pcos(ω_p+φ_p),  (3)

čia x – poslinkis (mūsų atveju kampas), a_s, ,a_p, ω_s, ω_p, φ_s ir φ_p – atitinkamai savųjų ir priverstinių svyravimų amplitudės, dažniai, pradinės fazės, α –slopimo koeficientas. Laikui bėgant savieji svyravimai nuslopsta, lieka tik priverstiniai.

Svyruoklės kampui registruoti ant jos įtaisytas kampo jutiklis – lemputė ir fotodiodas. Lemputės siūlelį galime apytikriai laikyti taškiniu šaltiniu, todėl jutiklis gaunasi netiesiškas. Tačiau, kaip vėliau pamatysime, naudojant Fourier analizź, netiesiškumo įtakos išvengiama.

Surišt¹sias svyruokles galime tirti ir internete, naudodamiesi adresu

https://webphysics.davidson.edu/applets/animator4/ex8_constraint.html

patalpinta animacija. Jei animacija vyksta – proces¹ sustabdome “pause” klavišu, su pele nustatome pradinį svyruoklių atsilenkim¹ ir paleidžiame (“play”). Kai animacija baigta – paspaudžiame “reset”, ”play” ir ”pause”. Rekomenduojama parinkti vienodus pradinius atsilenkimus, vienodo dydžio bet skirtingų ženklų ir bet kokius.

Darbo eiga

Esant išjungtam AK į spausdikliui skirt¹ lizd¹ (Centronics) įjungiame keitiklių blok¹ UM – 4. Užrašas “Centronics” turi būti nukreiptas į AK.

Įžeminame svyruoklių blok¹ ir jo signalinį kabelį įjungiame į UM – 4 lizd¹ “Digital – analog”.

3. Įjungiame AK.
4. Susirandame direktorij¹ NV-UM4 ir paleidžiame fail¹ “nextview exe”.
5. Meniu lentelėje “Window/Delete window” ištriname esam¹ lang¹ ir parenkame “New online window”.
6. Lentelėje “Display/New display” parenkame atvaizdavimo displėjų “Graph”, matavimo ribas – “Display/Display setting”, spalv¹ - “Display/Color”. Įjungiame 1-¹ kanal¹ pelės mygtuku paspausdami “Analog in…” ir parinkdami 1 –¹ kanal¹. Mažiausi¹ diskretizavimo period¹ gauname padėtyje – “Display/Display setting” parinkź 0.
7. Sujungiame svyruokles spyruoklėmis; spyruokles nuo variklio atjungiame. Įjungiame bloko maitinim¹, sužadiname svyruokles sinfaziškai, priešingomis fazėmis ir bet kaip. Stebime svyravimus ekrane.
8. Pasiruošiame signalo kaupimui. Lentelėje “Cards/Scan setting” parenkame diskretizavimo period¹ 3 ms ir duomenų kiekį 16 K. Signalo kaupimas užims apie 48 s. “Cards/Buffer setting” parenkame 2 buferius.
9. Paleidžiame svyruokles sinfaziškai. Skanuojame signal¹, paspausdami pele “Scan” arba klavišais “Ctrl+S”. Po 15 s svyruokles sustabdome, paleidžiame priešingomis fazėmis, dar po 15 s vien¹ sustabdome, kit¹ atlenkiame ir paleidžiame. Bet kuriuo atveju nederėtų atlenkti daugiau, kaip 10 –12 ^o .
10. Parenkame displėjų “Signal” ir stebime k¹ tik nuskanuot¹ signal¹. Jei jis mus tenkina – įrašome, lange “Cards/Save buffer” parinkź vard¹ pav.: “Buffer1”.
11. Parenkame lang¹ “Analysis” ir displėjų “Signal”. Nuskaitome informacij¹ (“Cards/Load buffer”) į šį displėjų.
12. Jei reikia, padidiname vaizd¹ langu. Pažymime markeriais analizuotin¹ interval¹ (jų bus 3 – kiekvienam svyruoklių režimui) ir atliekame FFT, pasirinkź  tik amplitudinį spektr¹, 128 linijas. Rezultatus surašome pav.: į fail¹ “fftres”. Su pele ir “Alt” markerius perkeliame į kitus intervalus, analizź paleidžiame klavišu “Shift”. Rezultatus surašome į kitus failus, pav.: “fftres1, fftres2”.
13. Lentelėje “Panel” parinkź “Panel/Cursor readout” arba “Panel/Readout” išmatuojame spektrų linijų dažnius.
14. “Fotografuojame” vaizd¹, parinkź lentelėje “File” režim¹ “Snap shot”. Atitinkam¹ fail¹ “SnapXXX’ redaguojame, jei reikia “Microsoft photo editor” ar kt. aplinkoje, ir atsispaudiname.
15. Iš spektro įsitikiname, kad sistemoje galimi tik svyravimai savaisiais dažniais.
16. Atjungiame tolimesnės svyruoklės spyruokles o variklio svirties spyruokles prijungiame prie artimesnės svyruoklės. Paleidžiame variklį ir parenkame tokį greitį, kad rezonanso dar nebūtų, bet jaustųsi mūša.
17. Skanuojame, analogiškai kaip ir p. 9, tačiau tik du režimus: priverstinų svyravimų pereinam¹jį režim¹ veikiant varikliui ir laisvuosius svyravimus variklį sustabdžius (po 24 s). Išanalizuojame signal¹ ir atsispaudiname, kaip ir p. 10 – 14.
18. Įsitikiname, kad sistemoje pereinamojo proceso metu egzistuoja svyravimai abiem dažniais: priverstinųjų svyravimų (variklio) ir laisvųjų.
19. Tiriame svyruoklių modelius internete. Panagrinėjame abiejų svyruoklių grafikus.
20. Palyginame abu tyrimo būdus: virtualioje ir realioje erdvėje. Paruošiame ataskait¹.