СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01H1/08 

Изобретение относится к области виброметрии и может быть использовано для анализа вибраций в микроэлектронике и машиностроении.

Известен способ измерения амплитуды механических колебаний, заключающийся в том, что направляют излучение на исследуемый движущийся объект, закрепленный на вибраторе, и делят на четыре оптических луча, отличающихся по частоте, сдвигают фазу, преобразуют в электрические сигналы, которые смешивают с электрическими сигналами преобразованных основных лучей и фильтруют их на разностной частоте, а амплитуду определяют с помощью коэффициента преобразования индекса частотной модуляции в соответствии со значением фазы между частотами сдвига лучей.

Однако данный способ трудоемок, требует точной оптической юстировки. Для осуществления способа необходима дорогостоящая аппаратура.

Известен также способ бесконтактного измерения колебаний объекта, заключающийся в том, что зондируют исследуемый объект ультразвуковыми колебаниями, принимают отраженный от этого объекта модулированный сигнал, смешивают зондирующий и отраженный сигналы, выделяют из суммарного сигнала две соседние допплеровские гармоники, по отношению мощностей этих гармоник определяют амплитуду колебаний, а по разности их частот частоту колебаний объекта.

Однако в способе отсутствует возможность определения гармоничности колебаний, величины амплитуды второй гармоники и накладываются ограничения на точность измерений амплитуды вибраций в связи с достаточно большой длиной волны излучения.

Наиболее близким к изобретению является способ исследования колебаний объекта, при котором направляют на него лазерное излучение, принимают отраженный сигнал, их суммарный преобразуют в электрический и регистрируют частотный спектр этого сигнала, по которому судят о колебаниях объекта.

Недостатком способа является периодическая погрешность измерения.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения.

Это достигается тем, что в способе исследования колебаний объекта, при котором направляют на него лазерное излучение, их суммарный сигнал преобразуют в электрический и регистрируют частотный спектр этого сигнала, по которому судят о колебаниях объекта, регистрацию спектра электрического сигнала осуществляют несколько раз при различных расстояниях между лазером и исследуемый объектом, фиксируют при каждой регистрации гармонику с максимальной амплитудой и соответствующую ей частоту, выбирают из них гармоники с минимальным значением частоты ω_min и максимальным значением частоты ω_max а о типе колебаний объекта судят по соотношениям:
если Δn = (ω_max-ω_min)/ω < 2, то имеют место гармонические колебания;
а если Δn = (ω_max-ω_min)/ω ≥ 2 негармонические колебания,
где ω основная частота колебаний объекта.

Кроме того, результат достигается тем, что при изменении расстояния между лазером и исследуемым объектом больше, чем на половину длину волны излучения лазера, дополнительно измеряют амплитуду колебаний исследуемого объекта по формуле:
(λ/4π+0,01)(ω_max+ω_min)/2ω,
где λ длина волны излучения лазера.

Кроме того, результат достигается тем, что для определения глубины модуляции m второй гармоники формируют вспомогательные сигналы вида
cos[θ+(4πζ/λ)sinωt+(4πζm/λ)sin2ωt],
где θ сдвиг фаз.

при различных значениях сдвига фаз q и глубины модуляции m второй гармоники, анализируют их частотные спектры и регистрируют зависимость Dn от m, а глубину модуляции контролируемого объекта определяют по Δn измеренному при анализе спектров от контролируемого объекта, с учетом полученной зависимости.

Особенность данного решения заключается в том, что в качестве оценочного параметра авторы используют гармоническую составляющую спектра с максимальной амплитудой, в то время, как в ближайших аналогах несколько гармонических составляющих спектра полезного сигнала, снимаемого с детектора измерительной системы. Кроме того, новые расчетные соотношения, предложенные авторами, оценивающие негармоничность колебаний исследуемого объекта, величины амплитуды колебаний и амплитуду второй гармоники колебаний исследуемого объекта, позволяют получить большее количество полезной информации, не прибегая к значительным усложнениям экспериментальной части способа.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2
характерные спектры негармонических вибраций исследуемого объекта; на фиг. 3 номограмма зависимости Δn₁ от глубины модуляции колебаний объекта второй гармоникой.

Способ осуществляют следующим образом.

Исследуемый объект 2 закрепляют на пьезокерамике 3, которую перемещают с помощью прецизионного микрометрического механизма 4. Излучение лазера 1 направляют на исследуемый объект 2, поверхность которого работает как зеркало внешнего резонатора. Таким образом, между отражающей поверхностью и лазером устанавливается оптическая обратная связь. Сигналом генератора низкой частоты 5 возбуждают колебания пьезокерамики 3 и модулируют их сигналом с генератора низкой частоты 6. Отраженное от исследуемого объекта 2 излучение направляют через резонатор лазера 1 на встроенный фотодетектор 7, расположенный на оптической оси лазера. Колебания поверхности объекта вызывают модуляцию мощности излучения лазера, соответствующий ей электрический сигнал направляют с фотодетектора 7 через усилитель низкой частоты 8 на спектроанализатор 9. Изменяют стационарный набег фаз в оптической схеме путем изменения расстояния между источником излучения 1 и исследуемым объектом 2, перемещая последний прецизионным микрометрическим механизмом 4, с минимально возможным шагом, например l/10. При каждом изменении расстояния снимают спектр сигнала, регистрируют гармонику с максимальной амплитудой, определяют ее частоту. Среди полученного набора частот выделяют экстремальные и определяют гармоничность - негармоничность колебаний по формуле
Dn = (ω_max-ω_min)/ω
Δ n≥2 негармонические колебания,
D n≅2 гармонические колебания.

Для определения амплитуды вибрации исследуемого объекта изменяют расстояние между источником излучения 1 и исследуемым объектом 2 в пределах от нуля до значений больших l/2. Рассчитывают амплитуду вибрации исследуемого объекта по формуле
z = (λ/4π+0,01)(ω_max+ω_min)/2ω,
где ζ амплитуда колебаний исследуемого объекта;
l длина волны излучения лазера;
w_min,(ω_max минимальная и максимальная частоты среди набора частот гармоник с максимальными амплитудами.

ω основная частота вибрации объекта.

Используя полученные значения амплитуды вибрации z, строят номограммы зависимости степени изменения частоты вибрации исследуемого объекта Dn от глубины модуляции колебаний объекта второй гармоникой m. Учитывая, что исследуемый объект 2 движется на двух гармониках, и используя полученное значение z, рассчитывают нормированную амплитуду сигнала, снимаемого с фотодетектора, по формуле
U = cos[θ+(4πζ/λ)sinωt+(4πζ/λ)msin2ωt],
где θ стационарный сдвиг фаз.

U нормированная амплитуда сигнала, снимаемого с фотодетектора.

Для каждого значения величины m в пределах, например, от 0 до 0,5, изменяют стационарный сдвиг фаз q в пределах от 0 до p с шагом, например, p/18 и при каждом изменении строят спектр сигнала, определяют величину Dn₁= (ω_max-ω_min)/ω. По полученным значениям Δn₁ сроят номограммы зависимости величины Dn₁ от глубины модуляции m вибрации объекта второй гармоники (фиг. 3). Учитывая, что значения Dn и Dn₁ коррелируют между собой, используют полученную при экспериментальных исследованиях величину Dn для определения по построенным номограммам m и амплитуды второй гармоники zm.

Пример. В качестве источника излучения используют инжекционный полупроводниковый лазер со встроенным фотодиодом и системой фокусировки луча ИЛПН-206, направляют его излучение через систему фокусировки луча на исследуемый объект, который является гранью внешнего резонатора лазера. Используют в качестве исследуемого объекта пластину (хром на поликоре), закрепленную на пьезокерамике. Колебания пьезокерамики возбуждают сигналом с генератора низкой частоты, модулируя ее движение сигналом со второго генератора низкой частоты. Возбуждают несинусоидальные колебания. Отраженный от исследуемого объекта сигнал направляют обратно в резонатор лазера и дальше на встроенный фотодиод, на котором преобразуют изменение мощности излучения лазера, вызванное вибрацией исследуемого объекта, в электрический сигнал. Направляют сигнал через усилитель низкой частоты У4-28 на спектроанализатор СКА-59, снимают его спектр, фиксируют в нем гармонику с максимальной амплитудой, определяют ее частоту и основную частоту колебаний объекта, изменяют стационарный сдвиг фаз путем изменения расстояния между исследуемым объектом и лазером, применяя прецизионный микрометрический механизм. Выбирают среди набора частот гармоник с максимальными амплитудами экстремальные w_min и ω_max и судят о синусоидальности колебаний, используя соотношение
Δn = (ω_max-ω_min) ≥ 2 (1)
Δn = (ω_max-ω_min)/ω < 2 (2)
При этом изменяют θ в пределах от 0 до p в случае, если выполняется соотношение (2) для оценки синусоидальности колебаний. Если выполняется (1), то колебания несинусоидальные. Амплитуду колебаний исследуемого объекта определяют по формуле
z = (λ/4π+0,01)(ω_min+ω_max)/2ω,
где λ длина волны излучения лазера,
w основная частота вибраций объекта,
при этом изменяют стационарный сдвиг фаз от 0 до p.

Рассчитывают зависимость Dn₁ от m и строят ее график. Фиксируют величину Dn, полученную при изменении стационарного сдвига фаз, накладывают его на полученную кривую, определяют величину глубины модуляции вибрации объекта второй гармоникой и амплитуду второй гармоники. Способ исследования колебаний представлен в таблице.

Использование: область оптической виброметрии. Сущность изобретения: в способе исследования колебаний, при котором направляют излучение источника на исследуемый объект, формируют сигнал из сдвинутых по фазе волн, опорной и отраженной от исследуемого объекта, измеряют спектр выходного сигнала, по нескольким фиксированным значениям амплитуд гармоник судят об исследуемом объекте, при формировании сигнала изменяют расстояние между источником и исследуемым объектом, изменяя соответственно величину сдвига фаз, спектр сигнала снимают при каждом изменении расстояния, фиксируя в каждом из них гармонику с максимальной амплитудой и соответствующую ей частоту, выбирают среди них частоты с минимальным и максимальным значениями и о колебаниях судят по предложенным соотношениям. Кроме того, при формировании сигнала задают изменение расстояния между источником и исследуемым объектом в пределах значений больших λ/2 и определяют амплитуду колебаний. Кроме того, строят экспериментальные зависимости, по которым судят о величине глубины модуляции колебаний объекта второй гармоникой и амплитуды второй гармоники. 2 з. п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ исследования колебаний, при котором направляют на него лазерное излучение, принимают отраженный сигнал, их суммарный сигнал преобразуют в электрический и регистрируют частотный спектр этого сигнала, по которому судят о колебаниях объекта, отличающийся тем, что регистрацию спектра электрического сигнала осуществляют несколько раз при различных расстояниях между лазером и исследуемым объектом, фиксируют при каждой регистрации гармонику с минимальной амплитудой и соответствующую ей частоту, выбирают из них гармоники с минимальным значением частоты ω_min и максимальным значением частоты ω_max, а о типе колебаний объекта судят по соотношениям если (ω_max-ω_min)/ω < 2, то имеют место гармонические колебания; а если (ω_max-ω_min)/ω ≥ 2 негармонические колебания, где ω - основная частота колебаний объекта. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изменении расстояния между лазером и исследуемым объектом больше, чем на половину длины волны излучения лазера, дополнительно измеряют амплитуду колебаний исследуемого объекта по формуле
(λ/4π+0,01)(ω_max+ω_min)/2ω,
где λ - длина волны излучения лазера. 3. Способ исследования колебаний по п.2, отличающийся тем, что для определения глубины модуляции m второй гармоники формируют вспомогательные сигналы вида
cos[θ+(4πζ/λ)sinωt+(4πζm/λ)sin2ωt],
где θ - сдвиг фаз,
при различных значениях сдвига фаз θ и глубины модуляции m второй гармоники, анализируют их частотные спектры и регистрируют зависимость Dn от m, а глубину модуляции контролируемого объекта определяют по Δn, измеренному при анализе спектров от контролируемого объекта с учетом полученной зависимости.