Способ измерения вибраций
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров механических колебаний с помощью акустических волн. Цель изобретения - повышение точности путем учета нелинейности, возникающей при частотной модуляции акустической волны при отражении. При реализации способа вибрирующего объекта принимают отраженную волну, дифференцируют по времени сдвиг частоты, по характерным интервалам времени , измеренным между экстремальными значениями продифференцированного сигнала с учетом выведенных рабочих соотношений , судят об амплитуде механических колебаний, 1 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 Н 9/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ () »Г»» (»») ..- »»»»;»
ЗОБРЕТЕНИЯ(. ."."--:,:,-«--) K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4781809/28 (22) 16.01.90 (46) 07,08.92. Бюл. М 29 (71) Каунасский политехнический институт (72) А.В. Мозурас и К.M. Рагульскис (56) Вибрации в технике. Справочник под ред. Генкина M,Ä. — М.: Машиностроение, т.5, 1981, с.132. . Приборы и системы для измерения шу. ма и удара. Справочник под ред. Клюева
В.В. — M.: Машиностроение, 1988, кн,1, с.49. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров механических колебаний с помощью акустических волн.
Известен способ измерения параметров движения с помощью излучаемой и отраженной акустических волн, определяющий скорость движения объекта по доплеровскому сдвигу частоты. При этом считается, что доплеровский сдвиг частоты Л f пропорционален скорости ч движения объекта:
A f 2fov/с, где fp — частота излучаемой волны; с — фазовая скорость распространения волны в среде.
Однако точная формула для расчета доплеровского сдвига частоты, которая для нашего случая выводится из известной формулы при Н = О, следующая: (- fo(— — 7- 1). (2) (3) ч =а х,сов(в с), ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ (РИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ И
„,. Ж„„1753295 А1
2 измерения параметров механических колебаний с помощью акустических волн. Цель изобретения — повышение точности путем учета нелинейности, возникающей при частотной модуляции акустической волны при отражении. При реализации способа вибрирующего объекта принимают отраженную волну, дифференцируют по времени сдвиг частоты, по характерным интервалам времени, измеренным между экстремальными значениями продифференцированного сигнала с учетом выведенных рабочих соотно шений, судят об амплитуде механических колебаний, 1 ил.
Сравнивая формулы (2) и (1), видно, что при расчете скорости ч йо формуле (1) сталкиваются с погрешностью измерения. Это является недостатком способа. Кроме того, в данном способе для определения v нужно дополнительно измерять частоту 4, так как она входит в рабочее выражение (1).
Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения амплитуды х(» механических колебаний объекта по доплеровскому сдвигу частоты акустической падающей и отраженной волны. Если вибрация объекта гармоническая, тогда виброскорость изменяется по закону где в- циклическая частота колебаний объекта, t — время.
Однако и в этом способе закон зависимости Ь f от v считают линейным, т.е. в качестве расчетной формулы для определения
1753295
20
40
55 хо принимают формулу(1), и сталкиваются с систематической "погрешностью измерения, Недостатком является то, что нужно дополнительно измерять опорную частоту f<, входящую в расчетную формулу (1).
Целью изобретения является повышение точности путем учета нелинейностей.
Сущность изобретения заключается в том, что при дифференцировании по времени доплеровского сдвига частоты, измерении характерных интервалов времени и определении хо по формуле (4) представляется воэможность повысить точность из-за учета нелинейностей основной зависимости эффекта Доплера (2).
На чертеже представлен характерный ход информативного сигнала, полученного путем дифференцирования по времени доплеровского сдвига частоты (2) при измерении вйброскорости по закону (3), Способ осуществляют следующим образом.
Распространяют акустическую волну в направлении вибрирующего объекта (так, чтобы волновой вектор был коллинеарен вектору виброскорости). Принимают отраженйую от объекта волну. Информативный сигнал получают путем дифференцирования по времени доплеровского сдвига частоты. Условно принимают второй экстремум из любой пары ближних соседних экстремумов информативного сигнала за первый, Измеряют интервал времени At1 между первым и и-м экстремумами (n — четное число, n 2) и интервал времени At между первым и (n+1)-м экстремумами последнего сигнала, а амплитуду колебаний определяют по формуле
c At А хо 7NC08 ЛП 1 — 1 2 (У+ А) (4) где А = ctg (z n(A t1/ At - 1)/2); с — фазовая скорость распространения вол ны в-среде.
Приведем вывод формулы (4).
Пусть виброскорость объекта изменяется по закону (3). Подставляем.v. иэ (3) в выражение (2), получаем зависимость доплеровского сдвига частоты A f от времени t. Полученный Ь f дифференцируем по времени t и получаем зависимость информативного сигнала от времени t. Для нахождения условия экстремума информативного сигнала, еще раэ дифференцируем предыдущую зависимость по времени. Приравниваем в результате этого полученное выражение нулю и получаем соотношение, связывающее искомую амплитуду механических колебаний хо с фазой максимума информативного сигнала (ctlt)max Учитывая соотношения, связывающие фазу максимума информативного сигнала (cN)max с характерными интервалами времени At1 и At, из предыдущего соотношения выражаем и получаем расчетную формулу способа (4).
В способе предусмотрена возможность по большим интервалам времени (в смысле того, что информация может быть получена не только по одному, но и по любому числу периодов информа; 1вного сигнала), проводить расчеты, что также повышает точность измерений.
Для реализации способа использовались УЗ К в диапазоне 1 МГц.
С помощью генератора, электрический сигнал которого усиливался усилителем мощности, и подсоединенного пьезоэлектрического преобразователя облучали УЗ волнами вибрирующий объект. Отраженный сигнал, воспринятый приемным пьезоэлементом, преобразовался им снова в электрический сигнал. Этот сигнал усиливался и поступал на смеситель, На этот же смеситель поступал сигнал от опорной частоты. С выхода смесителя частота результирующего электрического сигнала, равная доплеровскому сдвигу частоты A f, измерялась с помощью цифрового частотомера, подключенного к вычислительному блоку, построенному на базе "Электроника-60", Операции дифференцирования и изменения характерных интервалов времени А<1 и At проводились программным образом, Разработанный способ позволяет в широком диапазоне до нескольких сот м/с измерять виброскорости.
Для определения хо не надо дополнительно измерять опорную частоту 4, что видно из рабочей формулы (4), B предлагаемом способе учтены нелинейности (исключены систематические погрешности прототипа), так как рабочая формула (4) выведена иэ (2) с учетом всех нелинейностей (без приближенных допущений), что повышает точность в среднем 3,2 раза.
Расширен динамический диапазон измерений, так как в предлагаемом способе соотношения точные, в то время как в прототипе из-за принятого допущения линейности ограничивают динамический диапазон измерений, чтобы не возросли систематические ошибки.
По сравнению с другими известными техническими решениями, например, .спо1753295
А Г+А) хо где А = ctg I л n(A tt/At - 1)/2); с — фазовая скорость распространения волны в среде, Составитель А,Мозурас
Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор П,Гереши
Редактор О.Головач
Заказ 2760 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101
t собом измерений с помощью пьезоэлектрических датчиков, предлагаемый способ имеет преимущества, связанные с возможностью отдаления измерителя от обьекта, а также с возможностью измерения высокого 5 уровня вибраций, при котором контактные пьезопреобразователи обычно разрушаются, Формула изобретения
Способ измерения вибраций, заключающийся в том, что а контролируемый объ- 10 ект направляют акустическую волну, регистрируют от аженную акустическую волну, преобразованную в электрический . сигнал, детектируют его и по параметрам детектированного электрического сигнала 15 судят о параметрах колебаний объекта, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности путем учета нелинейности, возникающей при частотной модуля20 ции акустической волны при отражении, дифференцируют по времени продетектированный электрический сигйал, определяют временной интервал Att, между любым из экстремумов полученного сигнала, который принимают за первый, и и-м экстремумом этого сигнала, считая n = 2k, где k1,2,3..., измеряют временной интервал At между первым и (n+1)-м экстремумами. а амплитуду колебаний объекта определяют по формуле:
