СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для анализа вибраций в микроэлектронике и машиностроении.

Известен способ определения амплитуд гармоник вибрирующего объекта (А.А. Харкевич. Спектры и анализ. Москва. Государственное издательство физико-математической литературы. 1962, 236 с.), заключающийся в том, что снимают с измерительного датчика электрический сигнал, проводят его спектральный анализ с помощью известных методов Фурье преобразований.

Однако применение этого способа эффективно при использовании акустических преобразователей, которые имеют ограниченный диапазон измеряемых амплитуд вибраций.

Известен способ бесконтактного измерения колебаний объекта (авт.св. СССР N 1262295, кл. G 01 H 9/00), 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.

Известен также способ для определения амплитуды механических колебаний (патент ГДР N 276989, кл. G 01 H 9/00), заключающийся в том, что линейный, поляризованный, монохроматический, когерентный пучок света разлагают на два равных пучка, которые проходят взаимно перпендикулярно. При этом пучок направляют на механический движущийся с неизвестной амплитудой объект, где он отражается. Второй пучок направляют на неподвижную поверхность, от которой он также отражается. При этом между двумя взаимно перпендикулярными компонентами этих пучков обеспечивают сдвиг фазы на 90^o. Оба пучка накладывают один на другой и затем обрабатывают.

Однако для реализации способа необходимо дополнительное аппаратурное оснащение для обеспечения сдвига фаз на 90^o.

Известен также способ определения амплитуды вибрации объекта (Wei Jin, Li Ming Zang, Deepak Uttmchandam, Brian Culshaw, Appl. Opt. v. 30, N31, p. 4496-4499, 1991), заключающийся в том, что лазерное излучение направляют в зону колебаний объекта и на опорное зеркало через делитель, из отраженных от них лучей формируют интерференционную картину, преобразуют ее в электрический сигнал и снимают его спектр. В способе предложено находить амплитуды четырех гармоник с частотами, кратными основной частоте ω колебания исследуемого объекта, с коэффициентом n 1, 2, 3, 4. Рассчитывают амплитуду колебаний объекта по формуле: σ² = 24 c₂c₃/(c₁+c₃)(c₂+c₄), где σ = 4πξ/λ, ξ - амплитуда вибрации исследуемого объекта, λ длина волны излучения лазера. Коэффициенты c₁, c₂, c₃, c₄ рассчитывают исходя из синтеза разложений сигнала на выходе измерительной системы в ряде Фурье и Бесселя. Коэффициенты c_n могут иметь как положительное, так и отрицательное значение.

Однако с помощью указанного способа невозможно контролировать параметры негармонических вибраций.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения амплитуды гармонических колебаний (H.A. Dtfferari, R.A.Darby, F.A.Andrews, J. Acoust. Soc. Am. v.42, N5. p.982 990,1967), заключающийся в том, что из излучения, отраженного от объектов с заданной и искомой амплитудами вибраций, формируют интерференционные картины, преобразуют их в электрические сигналы, снимают характеристики полученных сигналов, сравнивая которые, судят об амплитуде колебаний исследуемого объекта.

Однако данный способ характеризуется ограниченным диапазоном измеряемых значений (до l/2, λ длина волны излучения лазера) и предназначен для определения амплитуды только гармонических колебаний.

Цель изобретения расширение диапазона измеряемых значений при повышении точности измерений.

Цель достигается тем, что в способе исследования периодических колебаний, включающем формирование интерференционных картин, преобразование их в электрические сигналы, опорный и соответствующий исследуемому колебанию, снятие характеристик полученных сигналов, сравнивая которые судят об амплитуде колебаний исследуемого объекта, перед формированием интерференционной картины опорного сигнала задают амплитуду вибрации опорного объекта, превышающую l/4 в качестве критерия для оценки выбирают огибающие электрических сигналов, опорного и исследуемого, следующим образом: находят отношение амплитуд огибающих сигналов, исследуемого к опорному, при превышении амплитуды опорного сигнала над амплитудой исследуемого определяют характер колебаний из соотношения: Y(t) ArcCos(F(t)/2Bo), а при равенстве амплитуд сигналов по отношению: Y(t) = hπ + vArccos(F(t)/2B_o), где v ± 1; h ± 1,± n коэффициенты, описывающие характер колебаний исследуемого объекта; B_o, B_u - амплитуды огибающих опорного и исследуемого сигналов соответственно, F(t) - переменная составляющая интерференционного сигнала.

Затем формируют спектр полученных колебаний, характеризуемых Y(t), по амплитудам составляющих которого определяют амплитуды составляющих колебаний исследуемого объекта с помощью соотношения: ξ_n = λσ_n/4π, где ξ_n амплитуда n-ой гармоники спектра механических колебаний исследуемого объекта, σ_n амплитуда n-ой гармоники спектра функции Y(t), характеризующей колебания исследуемого объекта.

Оригинальность предлагаемого решения заключается в том, что анализируют огибающую электрического сигнала, снимаемого с выхода измерительной системы (на фотоприемнике) особым образом, используя подсчет экстремумов огибающей и определение знака каждого из них, восстанавливают при этом исходную функцию, характеризующую колебания исследуемого объекта, как гармонические так и негармонические. Таким образом, предложенный способ позволяет получить большее количество полезной информации, не прибегая к значительным усложнениям экспериментальной части способа. Подобная совокупность действий, удачно сочетающая в себе экспериментальную и расчетную части, влекущая возможность контролировать параметры гармонических и негармонических периодических колебаний, неизвестна.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ, где 1 - источник излучения лазер, 2 исследуемый объект, 3 пьезокерамика, 4 - прецизионный микрометрический механизм, 5 генератор низкой частоты, 6 - фотодетектор, 7 усилитель низкой частоты, 8 аналого-цифровой преобразователь, 9 ЭВМ.

На фиг. 2 представлены: a огибающая функции F(t), снимаемая с выхода измерительной системы; б функция Y(t), характеризующая колебания исследуемого объекта; в спектр функции Y(t), построенный с использованием быстрых преобразований Фурье, по амплитудам спектральных состовляющих которого, определяют амплитуды гармоник вибрации исследуемого объекта; на фиг. 3 поясняет пример.

Заявляемый способ заключается в следующем. Задают колебания опорного объекта с амплитудой, превышающей λ/4, с помощью генератора низкой частоты. Направляют излучение лазера на опорный объект, с него в резонатор лазера, формируя тем самым интерференционную картину. Последняя вызывает модуляцию мощности излучения лазера, которую преобразуют на фотодетекторе в электрический сигнал. Снимают огибающую полученного электрического сигнала, определяют ее амплитуду B_o. Для определения амплитуды колебаний исследуемого объекта повторно формируют интерференционную картину, преобразуют ее в электрический сигнал и определяют амплитуду его огибающей B_u. Находят величину отношения B_u/B_o, если амплитуды B_u и B_o равны, то определяют функцию, характеризующую колебания исследуемого объекта по соотношению:

где
h 0, ±1, ±2, ±3. коэффициент преобразования,
v коэффициент преобразования,
Δ интервал между двумя экстремумами огибающей функции F(t), лежащими на осях ±1 (фиг. 2, a).

Процесс определения Y(t) проиллюстрирован на фиг. 2. Учитывая, что область определения функции ArcCos является интервал [0, π] на котором функция Cos, а вместе с ней и F(t)/2B_o достигают своих экстремальных значений ±1. Выделяем интервалы 0, π; π-2π; 2π-3π; ... на огибающей F(t)/2B_o, так как это показано на фиг. 2a/ (h 1, h 2,). Определение Y(t) в каждом из них требует знания границ конкретного интервала. В соотношениях (5) принадлежность к тому или иному интервалу учитывают с помощью коэффициента h. Меняют возрастание на убывание коэффициента h и, наоборот, при прохождении экстремума F(t) не лежащего на осях ±1 (на фиг. 2a он обозначен буквой A), при прохождении каждого последующего экстремума, лежащего на осях ±1 возрастание или убывание h на 1 монотонно продолжается до следующего экстремума функции F(t) нележащего на ±1 (на фиг. 2a он обозначен буквой A). Для учета характера экстремумов, лежащих на осях ±1, вводят коэффициент v ±1. Меняют его знак на противоположный при прохождении каждого экстремума, лежащего на осях ±1, знак v остается неизменным, если экстремум не лежит на этих осях (фиг. 2a точка A). В начальный момент восстановления считывают v равным либо + 1, либо -1. В случае если амплитуда B_o превышает B_u, то характер колебаний определяют по соотношению: Y(t) ArcCos(F(t)/2B_o)
Полученная функция, характеризующая колебания исследуемого объекта, для гармонических колебаний имеет вид:
Y(t) = θ + σsin(ωt + ε), (1)
для негармонических

Раскладывают полученные колебания (1) и (2) в спектр фиг. 2в, по амплитудам составляющих которого определяют амплитуды гармоник колебаний исследуемого объекта: ξ_n = λσ_n/4π, где ξ_n амплитуда n-ой гармоники вибрирующего объекта, σ_n амплитуда n-ой составляющей спектра функции Y(t).

Пример. Проводят калибровку измерительной системы: для чего возбуждают колебания объекта, закрепленного на пьезокерамике, сигналом с генератора низкой частоты, с заданной амплитудой, превышающей λ/4, в качестве объекта использована пластинка хром на поликоре.

Направляют излучение инжекционного полупроводникового лазера со встроенным фотодиодом и системой фокусировки луча ИЛПН 206, используемого в качестве генератора, на исследуемый объект, который является гранью внешнего резонатора лазера. Отраженный от исследуемого объекта сигнал направляют обратно в резонатор лазера, где возникшая интерференционная картина вызывает модуляцию мощности, которую преобразуют на фотодетекторе в электрический сигнал. Направляют сигнал через усилитель низкой частоты У4-28 на аналогово-цифровой преобразователь и с него на ЭВМ, где фиксируют огибающую сигнала, нормируя ее амплитуду B_o 1.1 V. Для определения амплитуды колебаний исследуемого объекта также формируют интерференционную картину и определяют амплитуду огибающей сигнала снимаемого с фотодетектора измерительной системы B_u 1.1 V. Находят величину отношения B_u/B_o 1. Так как амплитуды B_u и B_o равны, то определяют функцию, характеризующую колебания исследуемого объекта по соотношению:
Y(t) = hπ+vAarccos(F(t)/2,2)
где
v -1, 1, -1, 1, -1, 1, -1, 1, -1, 1,-1, 1
h 1, 2, 1, 0, -1, -2, -3, -4, -3, -2, -1, 0.

Процесс определения Y(t) проиллюстрирован на фиг. 3. Выделяем интервалы на огибающей F(t) так, как показано на фиг. 3a. Раскладывают Y(t) фиг. 3б в спектр, по которому судят о гармоничности колебаний фиг. 3б в спектр, по которому судят о гармоничности колебаний фиг. 3в негармонические колебания. По амплитудам составляющих спектра определяют амплитуды гармоник колебаний исследуемого объекта: ξ_n = λσ_n/4π, где λ = 1,3 мкм длина волны излучения лазера, n = ω/ω_o (см. таблицу).

Результаты измерений представлены с учетом погрешности, вызываемой шумом измерительной системы, которая не превышает 3% от максимальной амплитуды сигнала, что соответствует обычно получаемой в экспериментах точности.

Использование: измерительная техника вибраций в микроэлектронике и машиностроении. Сущность изобретения: в способе исследования периодических колебаний, включающем формирование интерференционных картин, преобразование их в электрические сигналы опорный и соответствующий исследуемому колебанию, снятие характеристик полученных сигналов, сравнивая которые судят об амплитуде колебаний исследуемого объекта, перед формированием интерференционной картины опорного сигнала задают амплитуду вибрации опорного объекта, превышающую λ/4 , где λ - длина волны излучения лазера, в качестве критерия для оценки выбирают огибающие электрических сигналов, опорного и исследуемого, следующим образом: находят отношение амплитуд огибающих сигналов, исследуемого к опорному, при превышении и равенствах амплитуды опорного сигнала и амплитуды исследуемого определяют характер колебаний из предложенных соотношений и по формулам определяют амплитуды гармоник исследуемого колебания. 1 табл. 3 ил.

Способ исследования периодических колебаний путем сравнения характеристик объектов с известной и искомой амплитудами колебаний, включающий формирование интерференционных картин, преобразование их в электрические сигналы, опорный и соответствующий исследуемому колебанию, снятие характеристик полученных сигналов, сравнивая которые судят об амплитуде колебаний исследуемого объекта, отличающийся тем, что перед формированием интерференционной картины опорного сигнала задают амплитуду вибрации опорного объекта, превышающую λ/4, в качестве критерия для оценки выбирают огибающие электрических сигналов, опорного и исследуемого, следующим образом: находят отношение амплитуд огибающих сигналов, исследуемого к опорному, при превышении амплитуды опорного сигнала над амплитудой исследуемого определяют характер колебаний из соотношения
Y(t) arccos (F(t)/2B_o),
а при равенстве амплитуд сигналов по соотношению
Y(t) = hπ + Varccos(F(t)/2B_o),
где V ± 1;
h 0, ± 1,± n. коэффициенты, описывающие характер колебаний исследуемого объекта;
B_о, B_и амплитуды огибающих опорного и исследуемого сигналов соответственно;
F(t) переменная составляющая интерференционного сигнала,
затем формируют спектр полученных колебаний, характеризуемых Y(t), по амплитудам составляющих которого определяют амплитуды составляющих колебаний исследуемого объекта с помощью соотношения
ξ_n = λσ_n/4π,
где ξ_n - амплитуда n-ной гармоники спектра механических вибраций исследуемого объекта;
λ - длина волны излучения лазера;
σ_n - амплитуда n-й составляющей функции, характеризующей колебания исследуемого объекта.