СПОСОБ УСТАНОВКИ ФИКСИРОВАННЫХ АМПЛИТУД ВИБРАЦИЙ Российский патент 2002 года по МПК G01H9/00 G05D19/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для установки фиксированных амплитуд вибраций, например при оценке метрологических параметров измерительных систем, в машиностроении, авиастроении и других областях.

Известен способ установки фиксированных амплитуд вибраций, согласно которому формируют опорный (отраженный от неподвижного опорного зеркала) и предметный (отраженный от контролируемого объекта, пучки когерентного излучения), получают поле интерференции путем их пространственного совмещения и, изменяя амплитуду вибрации контролируемого объекта, визуально фиксируют моменты исчезновения интерференционных полос [1]. Моменты исчезновения полос соответствуют нулям функции Бесселя первого рода нулевого порядка, корни которых определяются (в том числе) амплитудой вибрации контролируемого объекта.

Однако данный способ целесообразно использовать только при установке малых (менее 2-3λ, где λ - длина волны когерентного излучения) амплитуд вибраций (примерно до десятого нуля функции Бесселя). При увеличении амплитуд вибрации контраст полос снижается и фиксировать моменты их исчезновения не удается. Кроме того, точность установки требуемых амплитуд вибрации согласно данному способу невелика.

Также известен способ, согласно которому оптический сигнал интерферометра фиксируют с помощью фотоприемника, из электрического сигнала которого фильтрацией выделяют гармоническую составляющую с частотой, равной частоте вибрации контролируемого объекта. Изменяя амплитуду вибрации контролируемого объекта, фиксируют моменты превращения в нуль амплитуды напряжения выделенной гармонической составляющей. Данные моменты определяются соответствующими нулями функции Бесселя первого порядка [2].

Указанный способ позволяет устанавливать определенные величины амплитуд вибраций с высокой точностью в достаточно широком диапазоне. Однако для его реализации требуется разработка специальных, достаточно сложных схем фильтрации и регистрации измеряемых величин. Кроме этого, указанный способ требует настройки используемых фильтров на заданную частоту вибрации объекта контроля, которая может быть неизвестна.

Наиболее близким к изобретению является способ установки фиксированных амплитуд вибраций, заключающийся в том, что формируют опорный и предметный, отраженный от контролируемого объекта, пучки когерентного излучения, получают поле интерференции путем их пространственного совмещения, смещают частоту излучения одного из пучков относительно другого на величину, меньшую ω/2, где ω - частота вибрации контролируемого объекта, получают сигнал, пропорциональный яркости поля интерференции, фильтрацией выделяют из него составляющую на частоте смещения излучения и, изменяя амплитуду вибрации объекта контроля, минимизируют амплитуду выделенной составляющей сигнала [3] . При этом устанавливаемые амплитуды вибрации определяются нулями функции Бесселя первого рода нулевого порядка.

Этот способ позволяет устанавливать определенные величины амплитуд вибраций с высокой точностью с использованием постоянного фильтра, настроенного на частоту смещения излучения.

Недостатком данного способа является то, что для его реализации требуется изготовление специальных, достаточно сложных схем фильтрации и регистрации сигналов. Кроме того, за счет затухающего характера функций Бесселя обычно удается зафиксировать не более 70 их нулей [4], что ограничивает диапазон устанавливаемых амплитуд вибраций величиной порядка 11 мкм (при λ = 0,6328 мкм).

Таким образом, заявляемое изобретение направлено на решение задач расширения диапазона фиксируемых амплитуд вибраций и упрощения схемы регистрации сигнала фотоприемника.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе установки фиксированных амплитуд вибраций, согласно которому формируют опорный и предметный, отраженный от контролируемого объекта, пучки когерентного излучения, получают поле интерференции путем их пространственного совмещения, смещают частоту излучения одного из пучков относительно другого на величину, меньшую ω/2, где ω - частота вибрации контролируемого объекта, получают сигнал, пропорциональный яркости поля интерференции и, изменяя амплитуду вибрации объекта контроля, минимизируют выбранный параметр сигнала, - в качестве минимизируемого параметра используют разницу между двумя последовательностями уровней сигнала фотоприемника, которые соответствуют моментам последовательного прохождения вибрирующего объекта через свои два противоположных амплитудных положения. Устанавливаемые при этом амплитуды вибрации соответствуют ряду S = к•λ/4, где к=1, 2, 3,..., а λ - длина волны когерентного излучения.

Отличительными признаками предложенного способа являются минимизация разницы между двумя последовательностями уровней сигнала, которые соответствуют моментам последовательного прохождения вибрирующего объекта через свои два противоположных амплитудных положения и получение в результате амплитуд вибраций из ряда S = к•λ/4. Это позволяет расширить диапазон фиксируемых амплитуд вибраций и упростить схему регистрации сигнала фотоприемника.

Предлагаемый способ иллюстрируется фиг.1 и 2.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ; на фиг.2 - графики сигнала фотоприемника, установленного на выходе интерферометра с вибрирующим опорным зеркалом, при различных амплитудах (S₁ = 0,50λ; S₂ = 0,47λ; S₃ = 0,53λ;) вибрации контролируемого объекта.

Устройство, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ содержит источник 1 когерентного излучения; интерферометр, состоящий из контролируемого объекта 2, расщепителя пучка 3 и подвижного опорного зеркала 4; генератор 5, возбуждающий колебания контролируемого объекта 2; генератор 6, возбуждающий колебания опорного зеркала 4; фотоприемник 7, установленный на выходе интерферометра, и осциллограф 8, синхронизация которого производится от генератора 6, возбуждающего колебания опорного зеркала.

Заявляемый способ в данном устройстве может быть реализован следующим образом.

Опорный и предметный пучки излучения формируют с помощью источника когерентного излучения 1 и расщепителя 3 пучка и направляют на контролируемый объект 2 и вибрирующее опорное зеркало 4, которым смещают частоту излучения в опорном плече. Вибрацию контролируемого объекта 2 задают генератором 5, а опорного зеркала - генератором 6, при этом частоту вибрации опорного зеркала устанавливают много меньшей частоты вибрации объекта 2, а амплитуду несколько большей λ/4 (частота излучения при этом должна смещаться на величину, меньшую ω/2). Отраженные опорный и предметный пучки излучения после их совмещения интерферируют, а поле интерференции регистрируется фотоприемником 7. Сигнал с выхода фотоприемника 7 регистрируется осциллографом 8, синхронизацию которого производят от генератора 6, возбуждающего вибрацию опорного зеркала.

При отсутствии вибрации контролируемого объекта на экране осциллографа наблюдается характерный сигнал, форма которого определяется параметрами вибрации опорного зеркала. При возбуждении вибрации контролируемого объекта на общем фоне сигнала с ростом амплитуды вибрации периодически возникает полоса, по форме совпадающая с сигналом от вибрации опорного зеркала. Ширина полосы становится минимальной при амплитудах вибрации объекта, кратных λ/4 (участки осциллограммы, соответствующие двум амплитудным положениям контролируемого объекта, где его скорость близка к нулю, сливаются в одну линию, соответствующую сигналу фотоприемника при неподвижном объекте контроля). При отклонениях амплитуд вибрации от указанных величин полоса размывается или пропадает совсем. Измерения амплитуд вибраций по описанному способу можно считать прямыми измерениями по эталону, определяемому длиной волны лазера.

Описанный принцип иллюстрируется приведенными на фиг.2 графиками сигнала фотоприемника. Графики построены по формуле (1) для определенных (δ₀ = λ/6; S₁ = λ/4; S₀₁ = 0,50λ; S₀₂ = 0,47λ: S₀₃ = 0,53λ; ω/ω₁ = 40) параметров вибрации [3]. Т₁ на графике - период вибрации опорного зеркала
u = KCos[(2π/λ)(δ₀+2S₁Cosω₁t+2S₀Cosωt)], (1)
где u - переменная составляющая сигнала фотоприемника;
К - коэффициент, определяемый параметрами интерферометра и фотоприемника;
λ - длина волны источника излучения;
δ₀ - начальная разность хода лучей интерферометра;
S₁ - амплитуда вибрации опорного зеркала;
ω₁ - частота вибрации опорного зеркала;
S₀ - амплитуда вибрации контролируемого объекта;
ω - частота вибрации контролируемого объекта;
t - время.

Пример.

1. Устанавливали амплитуду вибрации контролируемого объекта, равной S₀ = 50λ, при λ = 0,6428 мкм. Частота вибрации объекта контроля была равна f=8 кГц.

2. Формировали опорный и предметный пучки когерентного излучения, совмещали их и получали поле интерференции, для чего собирали лазерный интерферометр с вибрирующим объектом в одном из плеч интерферометра.

3. Смещали частоту излучения опорного пучка относительно предметного на величину Ω<ω/2 возбуждением вибрации опорного зеркала интерферометра. Амплитуду вибрации зеркала при этом задавали S₁ ≈ λ/4. Частоту вибрации - f₁≈100 Гц << 8 кГц. Максимальная скорость движения опорного зеркала при этом была v_max = 2πf₁A₁, а смещение частоты излучения, соответственно, Ω = 4πv/λ = 8π²f₁A₁/λ = 2c^-1<2π•8/2c^-1.
4. Яркость поля интерференции преобразовывали с помощью фотоприемника в электрический сигнал, который фиксировали на осциллографе PINTEK DS-303P.

5. Плавно увеличивали амплитуду вибрации S₀ контролируемого объекта. Чтобы избежать необходимости подсчета числа совпадений в одну линию уровней сигнала для противоположных амплитудных положений объекта (таких совпадений до достижения S₀ = 50λ должно быть n=50•4=200), предварительно устанавливали приблизительную величину S₀ по показаниям частотомера (S₀ = f_ф/f_г•λ/8), включенного в режиме измерения отношения частот с выхода фотоприемника (f_ф) и генератора (f_г).

6. Производили точную установку требуемой амплитуды вибрации по сведению в одну линию участков осциллограммы, соответствующих противоположным амплитудным положениям объекта контроля.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Вибрации в технике. Справочник. В 6-ти т./ Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.). - М.: Машиностроение, 1981, - т. 5. Измерения и испытания. Под ред. М.Д. Генкина. 1981, стр. 128.

2. Застроган Ю.Ф. и др. Лазерные приборы вибрационного контроля и точного позиционирования. - М.: Машиностроение, 1995, стр.26-28.

3. Застроган Ю.Ф. Контроль параметров движения с использованием лазеров. - М.: Машиностроение, 1981, стр. 68-71 - прототип.

4. Застроган Ю.Ф. и др. Лазерные приборы вибрационного контроля и точного позиционирования. М.; Машиностроение. 1995, стр.105.

Способ установки фиксированных амплитуд вибраций заключается в формировании опорного и измерительного пучков когерентного излучения, получении поля интерференции, смещении частоты излучения одного из пучков относительно другого на величину, меньшую ω/2, где ω - частота вибрации объекта контроля, получении сигнала, пропорционального яркости поля интерференции, и, изменяя амплитуду вибрации объекта контроля, минимизируют выбранный параметр сигнала. Величины амплитуд S вибраций устанавливаются из ряда S = к•λ/4, где к=1, 2, 3,..., λ - длина волны когерентного излучения, а в качестве минимизируемого параметра используют разницу между двумя последовательностями уровней сигнала, которые соответствуют моментам последовательного прохождения объекта контроля через свои два противоположных амплитудных положения. Технический результат - расширение диапазона фиксируемых амплитуд вибраций и упрощение схемы регистрации сигнала фотоприемника. 2 ил.

Способ установки фиксированных амплитуд вибраций, заключающийся в том, что формируют опорный и измерительный пучки когерентного излучения, получают поле интерференции, смещают частоту излучения одного из пучков относительно другого на величину, меньшую ω/2, где ω - частота вибрации объекта контроля, получают сигнал, пропорциональный яркости поля интерференции и, изменяя амплитуду вибрации объекта контроля, минимизируют выбранный параметр сигнала, отличающийся тем, что величины амплитуд S вибраций устанавливаются из ряда S = к•λ/4, где к= 1, 2, 3, . . . , λ - длина волны когерентного излучения, а в качестве минимизируемого параметра используют разницу между двумя последовательностями уровней сигнала, которые соответствуют моментам последовательного прохождения объекта контроля через свои два противоположных амплитудных положения.