УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1994 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения параметров вибрирующих объектов, например деталей машин.

Проблема бесконтактного измерения и анализа вибраций различных объектов достаточно актуальна и в настоящее время известны устройства, использующиеся для решения этой задачи.

Известно устройство голографической интерферометрии, содержащее источник когерентного излучения, интерферометр и регистрирующий прибор. В этой установке параметры вибраций определяются по изменениям в интерференционной картине [1] .

Достоинством этого устройства является возможность прецизионных измерений параметров, однако его практическое применение существенно затруднено из-за сложности регистрации и расшифровки интерферограмм, связанной с обработкой большого массива информации, что не позволяет проводить измерения в реальном масштабе времени. Кроме того, устройства голографической интерферометрии чрезвычайно чувствительны к внешним факторам - метеорологическим условиям, тряске, освещенности и др.

Принципиально более простыми, не требующими сложной обработки и практически свободными от других недостатков интерферометрических установок, являются устройства, основанные на измерении электромагнитного поля в одной точке, не строящие изображения объекта. В этих устройствах используется зондирование исследуемого объекта и обработка отраженного сигнала.

Известно устройство для бесконтактного измерения параметров механических колебаний, содержащее установленные в волноводе СВЧ-генератора, два ответвителя энергии с детекторами напряженности электрического поля, балансный усилитель, два входа которого соединены с выходами детекторов, а выход подключен к регистратору. Генератор возбуждает поле стоячих волн в волноводе и пространстве между волноводом и исследуемым объектом. При вибрации объекта пропорционально амплитуде его колебаний изменяется напряженность электрического поля в волноводе, в ответвителях энергии на нагрузках детекторов появляются промодулированные по амплитуде сигналы, определяемые законом вибрации объекта. Таким образом, известное устройство позволяет определить амплитуду и частоту вибраций [2] .

Однако, работа такой установки возможна только в стендовых условиях, когда исследуемый объект расположен вплотную к волноводу и размер его много больше сечения волновода и расстояния до него, так как только в этих условиях возможно образование стоячей волны. Кроме того, известное устройство не позволяет измерять такой важный параметр вибрирующего объекта, как его линейный размер.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для дистанционного определения параметров вибрирующих объектов, содержащее последовательно соединенные генератор СВЧ, ответвитель и излучатель, последовательно соединенные приемную антенну, расположенную в одной плоскости с излучателем, детекторную секцию, усилитель и регистрирующий прибор, аттенюатор, вход которого соединен с ответвителем, а выход - через фазовращатель подключен к второму входу детекторной секции 3 .

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитные волны, вырабатываемые генератором СВЧ, пройдя через ответвитель, зондируют исследуемый объект. Часть электромагнитной энергии после ответвителя поступает на ослабляющий аттенюатор, а затем через фазовращатель на детекторную секцию для калибровки. Отраженный от исследуемого вибрирующего объекта сигнал через приемную антенну попадает на детекторную секцию, где выделяется переменная составляющая амплитуды сигнала, связанная с вибрацией объекта. На выходе регистрирующего прибора вырабатывается сигнал, амплитуда которого пропорциональна, а частота равна соответствующим параметрам вибрации объекта.

Известное устройство позволяет получить информацию об амплитуде и частотном спектре вибрации в реальном масштабе времени при расположении объекта на значительном расстоянии от излучателя. Однако это устройство не позволяет измерять одновременно размер вибрирующего объекта.

В заявляемом устройстве предложено техническое решение, позволяющее измерять амплитуду, частотный спектр вибраций и эффективный размер вибрирующего объекта, находящегося в зоне ближней радиолокации. Этот технический результат достигается благодаря тому, что в устройстве для дистанционного определения параметров вибрирующих объектов, содержащем последовательно соединенные генератор СВЧ, ответвитель и излучатель, аттенюатор, вход которого подключен к ответвителю, последовательно соединенные приемную антенну, расположенную в одной плоскости с излучателем, детекторную секцию, усилитель и регистрирующее устройство, дополнительно введен блок сканирования частоты, подключенный к генератору СВЧ, а выход аттенюатора подключен ко второму входу детекторной секции.

Блок сканирования частоты генератора СВЧ, введенный в предлагаемое устройство, позволяет в совокупности с другими существенными признаками устройства получить сведения об эффективном размере вибрирующего объекта, содержащиеся в выходном сигнале.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит генератор СВЧ 1, частота которого может изменяться с помощью блока 2 сканирования, и последовательно подключенные к выходу генератора 1 ответвитель 3 и излучатель 4. Приемная антенна 5, расположенная в одной плоскости с излучателем 4, подключена к последовательно соединенным детекторной секции 6, усилителю 7 и регистрирующему прибору 8. Второй выход ответвителя 3 через аттенюатор 9 соединен с вторым входом детекторной секции 6.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитные волны, вырабатываемые генератором 1, частично проходят через ответвитель 3 и излучаются излучателем 4 в направлении исследуемого вибрирующего объекта. Отраженные от объекта волны принимаются антенной 5 и поступают на детекторную секцию 6, на которую также подается для калибровки часть энергии генератора 1, отведенная ответвителем 3 и прошедшая через аттенюатор 9. Детекторная секция 6 выделяет переменную составляющую амплитуды сигнала вибрации, которая после усилителя 7 поступает на регистрирующий прибор 8.

Сигнал на выходе предлагаемого устройства с точностью до постоянного множителя, повторяет функцию, описывающую смещение зондируемого объекта при вибрации, а также содержит сведения об эффективном размере исследуемого объекта.

Известно [3] , что напряженность электрического поля Ε , отраженного от плоского отражателя, при облучении его монохроматической волной с длиной волны λ в приближении Френеля можно записать в виде ε = aexp2ikZ/Z²J; J = ∫∫exp[ik(x²+y²)/Z] dxdy, (1)
где а - коэффициент, пропорциональный амплитуде излучающего источника;
к= 2 π / λ;
Z - расстояние от источника излучения до отражателя;
х и у - поперечные координаты в плоскости отражателя.

При вибрации отражателя (Z= Z(t)= Z_o+ +ζ(t), где ζ(t) - функция, описывающая смещение объекта при вибрации) амплитуда А и фаза ϕ поля ( Ε= A˙e^iϕ ), испытывают колебания относительно среднего уровня А_о, т. е. А(t)= А_о+А_~(t). _Для квадратного отражателя с эффективным размером l из (1) в условиях ближней радиолокации, когда
τ₀= 1 , следует, что
A_~(t) = Kζ(t); K = cosΠ(τ20

-1/4) . (2)
Таким образом, переменная составляющая амплитуды с точностью до коэффициента К повторяет величину ζ (t), описывающую смещение объекта при вибрации, и, наблюдая сигнал на выходе устройства, можно измерять его амплитуду и частотный спектр.

Согласно (2), величина коэффициента К немонотонно зависит от эффективного размера объекта вибрации l. Сканируя частоту, можно определить значения λ , которым соответствуют два соседних максимальных значения функции А_~ (t).

Условие этих максимумов записывается, как
,
где m - произвольное целое число. Отсюда
τ₂² - τ₁²= 1;
- = = 1,
где Δλ= λ₁-λ₂ <<λ_1,2.

Тогда
l²= .

Таким образом, измеряя значения λ , соответствующие двум соседним максимумам выходного сигнала, можно определить эффективный размер вибрирующего объекта. Величина Z может быть известна заранее или измерена известными способами, например, как в [3] .

Предлагаемое устройство обеспечивает достаточно высокую точность и чувствительность измерений при соответствующем выборе диапазона зондирующих частот. Поскольку амплитуды вибраций деталей реальных механических объектов обычно имеют величины порядка нескольких миллиметров, особенно перспективным представляется использование милли- и субмиллиметрового диапазона волн.

Предлагаемое устройство конструктивно выполняется на известных элементах волноводной техники. В качестве излучателя и приемной антенны может быть использован открытый конец волновода или рупор, поскольку нужна слабая направленность излучения.

(56) 1. Гречинский Д. А. Методы и средства бесконтактного измерения вибрации. Метрология, 1982, N 6, с. 18.

2. Авторское свидетельство СССР N 672500, кл. G 01 H 9/00, 1979.

3. Гельфер Э. И. , Степанов Н. С. и Финкельштейн С. Е. О дистанционной диагностике вибрирующих объектов в миллиметровом диапазоне волн. Радиотехника и электроника, 1986, т. 31, N 5, с. 1000.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит последовательно соединенные генератор СВЧ, снабженный блоком сканирования частоты, ответвитель и излучатель, последовательно соединенные приемную антенну, расположенную в одной плоскости с излучателем, детекторную секцию, усилитель и регистрирующий прибор, а также аттенюатор, вход которого соединен с ответвителем, а выход подключен к второму входу детекторной секции. Устройство позволяет измерять амплитуду и частотный спектр вибрации, а также эффективный размер вибрирующего объекта, расположенного на расстоянии от устройства, в реальном масштабе времени. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ, содержащее последовательно соединенные генератор СВЧ, ответвитель и излучатель, аттенюатор, вход которого подключен к ответвителю, последовательно соединенные приемную антенну, расположенную в одной плоскости с излучателем, детекторную секцию, усилитель и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что введен блок сканирования частоты, подключенный к генератору СВЧ, а выход аттенюатора подсоединен к второму входу детекторной секции.