Способ измерения вибраций

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений параметров механических колебаний с помощью электромагнитных волн. Цель изобретения - повышение точности путем учета нелинейности возникающей при частотной модуляции электромагнитной волны при отражении. При реализации способа распространяют электромагнитную волну в направлении 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)э 6 01 Н 9/ОО (2) Af 2f0 ч/чф, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4781810/28 (22) 16.01.90 (46) 07.08.92. Бюл. М 29 (71) Каунасский политехнический институт (72) А.В. Мозурас и К.M. Рагульскис (56) Викторов В.А. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. — М.: Наука, 1978, с.75.

Приборы и системы для измерения вибраций, шума и удара. Справочник под ред, Клюева В.В. — M.: Машиностроение, 1978, кн.1, с,177. (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 электромагнитных волн.

Известен способ измерения параметроа движения с помощью излучаемой и отраженной электромагнитных волн, определяющий скорость движения объекта по доплеровскому сдвигу частоты. При этом считается, что доплеровский сдвиг частоты

Л f пропорционален скорости v движения объекта, где f — частота излучаемой волны; чф — фазовая скорость распространения волны в среде.

Однако точная формула для расчета сдвига частоты, которая выводится иэ иэвеЯ2 1753296 А1 измерения параметров механических колебаний с помощью электромагнитных волн.

Цель изобретения — повышение точности путем учета нелинейности возникающей при частотной модуляции электромагнитной волны при отражении. При реализации способа распространяют электромагнитную волну в направлении 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, стной формулы при Н = О, является следующей: л f = 2f,{ 1 - 1).

Сравнивая формулы (2) и (1),видно, что при расчете скорости ч по формуле (1) сталкиваются с погрешностью измерения. Это является недостатком способа. Кроме того, в данном способе, для определения ч нужно дополнительно измерять частоту f<, так как она входит в рабочее выражение (1).

Наиболее близким к предлагаемому является способ .измерения амплитуды х0 механических колебанйй объекта по доплероаскому сдвигу частоты электромагнитной падающей и отраженной волны. Если вибрация объекта гармоническая, тогда виброскорость изменяется по закону:

1753296

v ax cos(й? t), (3) где в- циклическая частота колебаний объекта;

t — время.

Однако и в этом способе закон зависимости Ь f от ч считают линейным, т,е. в качестве расчетной формулы для определения хо принимают формулу (1), и сталкиваются с систематической погрешностью измерения, Недостатком также является то, что нужно дополнительно измерять опорную частоту fo, 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 хара;терных интервалов времени и определении хо по формуле (4) представляется возможность 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 изменении виброскорости по закону (3).

Способ осуществляют следующим образом.

Распространяют электромагнитную волну в найравлении вибрирующего объекта (так, чтобы волновой вектор был колинеарен вектору виброскорости), Принимают отраженную от объекта волну. Информативный сигнал получают путем дифференцирования по.времени доплеровского сдвига частоты. Условно принимают второй экстре. мум из любой пары ближних соседних экстремумов информативного сигнала за первый.

Измеряют интервал времени й1 между первым и-тым экстремумами (и — четное число, и > 2) и интервал времени Л1 между первым и(п+1)-м экстремумами последнегосигнала, а амплитуду колебаний определяют по формуле:

Й, — « +4Я А+ .1

ЛЙСОБ "tA 1 +

I где А - с@ (к л(611/At - 1)/2; чф-фаэовая скорость распространения волйы в среде.

Приведем вывод формулы (4).

Пусть виброскорость объекта изменяется по закону (3). Подставляем v из (3) в выражение (2), лолучем зависимость доплеровского сдвига частоты h f от времени с. Полученный Ь f дифференцируем ло времени с и получаем зависимость информативного сигнала от времени t. Для нахождения условия экстремума информативного сдвига еще раз дифференцируем предыду5 щую зависимость по времени. Приравниваем в результате этого полученное выражение нулю и получаем соотношение, связывающее искомую амплитуду механических колебаний хо с фазой максимума информативного

10 сигнала (o t)„. Учитывая соотношения, связывающие фазу максимума информативного сигнала (cut) >< с характерными интервалами времени h t> и Лt, из предыдущего соотношения выраж„ем хо и получаем рас15 четную 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

20 периодов информативного сигнала), что также повышает точность измерений.

Для реализации способа использовались радиоволны в СВЧ-диапазоне(it = 6 см). Для реализации способа может быть применена.

25 классическая схема реализации, Генератор

СВЧ, в качестве которого применена лампа обратной волны типа С094, с помощью передающей антенны облучал гармонически вибрирующий объект. Отраженный сигнал, 30 воспринятый приемной антенной, поступал на смеситель, построенный на основе германического диска Д403В. На этот же смеситель поступал сигнал от СВЧ-генератора, С выхода смесителя частота результирую35 щего электрического сигнала, равная доплеровскому сдвигу частоты 4f, измерялась с помощью цифрового частотомера, подключенного к вычислительному блоку, построенному на базе "Электроника-60". Операции

40 дифференцирования и измерения характерных интервалов времени At> и At проводились программным образом. Примененный . радиоволновой измеритель позволяет в широком диапазоне до 10 км/с измерять виб45 роскорости, Предлагаемый способ имеет следующие преимущества:

Для определения хо не надо дополнительно измерять опорную частоту f<, что

50 видно из рабочей формулы (4).

В предлагаемом способе учтены нелинейности (исключены систематические погрешности прототипа), так как рабочая формула (4) выведена иэ (2) с учетом всех

55 нелинейностей (без приближенных допущений), что повышает точность в среднем 3,8 раза.

Расширен динамический диапазон измерений, так как в предлагаемом способе

, 1

1753296

I где А = ctg (л и . (h, t>/Ü t - 1)/2); чф — 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 соотношения точные, в то время как в прототипе из-за принятого допущения линейности ограничивают динамический диапазон измерений, чтобы не возрастали систематические ошибки, 5

По сравнению с другими известными техническими решениями, например, с помощью пьезоэлектрических датчиков, предлагаемый способ имеет преимущества, связанные с возможностью значительного 10 отдаления измерителя от объекта (до десятков километров), а также с возможностью измерения высокого уровня вибраций, при котором контактные пьезопреобразователи обычно разрушаются. 15

Формула изобретения

Способ измерения вибраций, заключающийся в том, что на контролируемый объект направляют электромагнитную волну, регистрируют отраженную электромагнит- 20 ную волну, детектируют зарегистрированный сигнал и по параметрам прадетектированного электрического сигнала судят о параметрах колебаний объекта, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности путем учета нелинейности. возникающей при частотной модуляции электромагнитной волны при отражении, дифференцируют по времени продетектированный электрический сигнал, определяют временной интервал At> между любыми из экстремумов полученного сигнала, который принимают за первый, и и-м экстремумом этого сигнала, где и =2k, при k-1,2,3...„ измеряют временной интервал A t между первым и (и+1)-м экстремумами, а амплитуду определяют по формуле чр и (— t + 4AlA + 23 )

" = — — ррах — - -"