Лазерный виброметр Советский патент 1989 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения амплитуды механических колебаний.

Целью изобретения является упрощение схемы установки и повышение точ- ночти измерений при работе диффузно- отражающими объектами за счет того, чтр, счет интерференционных полос про изводится за интервал времени, кратный периоду колебаний объекта измерения .

На фиг.1 приведена блок-схема устройства; на фиг.2 - пример фо)- мирования последовательности знакопеременных импульсов для фазы отра- женной волны t 0; на фиг.З - экспериментально полученная зависимость амплитуды колебаний S по показаниям счетчика и относительной амплитуды

-- от напряжения возбуждения V .,Вибл

рометр содержит лазер I, резонатор i которого образован двумя полупрозрач ными зеркалами, телескопический объектив 2, направляющий световой поток на исследуемый объект 3, источник 4 возбуждения колебаний объекта, фотоприемник 5, электронную схему в В1-2де усилителя 6, формирователя 7 разно- полярных импульсов, делителя 8 час- тбты, счетчика 9 разнополярных импульсов с цифровой индикацией.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 через телеско пический объектив 2 попадает на ис- cлeдye л.IЙ объект 3, колеблющийся с амплитудой S, который закреплен на электромеханическом преобразователе (вибростенде), возбуждаемом источником 4 на частоте Q 21Г/Т, где Т период колебаний. Излучение.с противоположного конца лазера попадает на фотоприемник. После предварительного усиления в усилителе 6 из сигнла фототока формируются счетные им- пупьсы посредством формирователя 7, причем число импульсов равно числу пересечений нуля переменной составляющей фототока. Счетчик 9 подсчиты вает число этих импульсов за интервал времени, кратный периоду колебаний Т. интервал времени NT задается источником 4 возбуждения колебаний упрзвлякицими импульсами с делителя частоты,с коэффициентом деления N.

Принцип действия устройства поясняется следующим образом.

От объекта 3 с коэффициентом отра- R излучение попадает в резонатор лазера I и вызывает относительное изменение интенсивности генерации света

и . - .С08(р, (J)

где С - скорость света}

L - длина резонатора лазера - прозрачность выходного зеркала расположенного со стороны объекта Р для гелий- неонового лазера- З-10.Гц; if- фаза отраженной волны. . i (Для гармонических колебаний X(t) « « S cos fzt ),

X - тсоордината

(t) T|(U с, ; ;s eosnt.cp/2)

где S - амплитуда колебаний рбъекта; 1 - частота колебаний объекта; начальная фаза, зависящая от положения объекта на оси луча лазера;. ,

t - текущее время. , Из (Ь) и (2) следует

l(t) -co8at+-Cf 1 (3)

я Т,

С Rt

РдеК-5Г Т

При постоянном значении (f. нули фуик- ции I(t) соответствуют моментам времени

nt.arccos|m I -Cfj j|g-,(4)

где ш - нечетное целое число (положительное или отрицательное), Число нулей Р за период колебаний Т зависит от 4 nS/7l,Cf и m. Так, на- , пример, в интервале m , , т,-1 в случае выполнения неравенства

if

1

о, а при его

мя Т,

0

5

нарушении Р 2. Фаза tp (t) является случайиой функцией времени с равномерной плотностью вероятности в интервале О -.21, Среднее значение числа иулей, измеренное.за отраэок вре- меии, Tj в NT . X соответствует сред- иему значению

,{р, т) - 1. (5)

Абсолютиая погрешность в измерения амплитзоды при усреднении за вре..

NT (где N - целое число периодов) будет равно /4VN,a относительная - X/ASYN, Число нулей за один период колебаний определяется известным методом - формированием раэнопо- лярных импульсов и подсчетом их с помощью счётчика, на управляющие входы которого подается напряжение от генератора, возбуждающего колебания объекта.

На фиг.2 приведен пример формирования последовательноетл разнополяр- ных импульсов с фронтами в моменты времени вьтолнения равенства (4) для гармонического движения объекта с

амплитудой -г- 3,5 и начальной фазой {f для двух значений ср : if 0;

«

q) ш - , Отрезки прямых, соответствующие значениям га ±5,3,5.,,, в ; точках пересечения с функцией у (t) определяют моменты времени t обращения в нуль I(t) и формирования фронтов разнополярных импульсов для (j) О, Пунктиром показаны отрезки прямых для формирования фронтов при ср

if /U в - (Ь - разнополярные импульсы для

4f 0,51). Число импульсов за период. Т колебаний Р Т2, с - то же, для

ср 9 Р « 14).

Устройство было изготовлено и испытано в йачестве виброметра диффуз- но отражающих объектов в диапазоне частот ЗО-г-ЗООр Гц с амплитудами колебаний 0,1 мкм. На фиг,3 при0

5

0

5

0

5

ведена экспериментальная эавис1гмодть амплитуды колебаний пластинки гети- накса от напряжения генератора-возбудителя на частоте 3000 Гц на расстоянии 1,5 м. Кривая I - экспериментально полученная .зависимость амплитуды колебаний S по показаниям счетчика и относительной амплитуды 4sA - от напряжения возбуждения Y ,В. тирная кривая II - асимптота для больших значений АЗ/ Я 2/,

Формула изобретения

Лазерный виброметр, содержащий последовательно установленные источник возбужден11я колебаний объекта, связанный с исследуемым объектом, телескопический объектив, лазер, резонатор которого образован двумя ползшрозрачными зеркйлами, фотоири- емник, электронную схему, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений и упрощения конструкции, электронная схема выполнена в виде формирователя разно- полярных импульсов, вход которого подключен к выходу фотоприемника, счетчика разнополярных импульсов с 1ШФРОВОЙ индикацией, счетный вход которого соединен с выходом формирователя разнополярных импульсов, делителя частоты, вход которого связан с вызсодом источника возбуждения колебаний объекта, а выход с управЛ5по- щим входом счетчика.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения амплитуды механических колебаний. Целью, изобрёте-. ния является упрощение схемы установки и повышение точности измерений при работе с диффузно отражакицини объектами. Цель достигается тем, что в лазерном виброметре осуществляется счет интерференционнь(х полос за интервал времени, равный периоду колебаний объекта. Это обеспечивает возможность непоср едственного измерения амплитуды колебаний. Увеличение точности достигается за счет соответственного увеличения отношения времени измерения к периоду колебаний, что эквивалентно увеличению числа независимых измерений амплитуды колебаний. Излучение лазера 1 модулируется с частотой колебаний объекта 3. Фото- приемник 5 регистрирует интерференционные полосы, число которых пропорционально амплитуде, колебаний и переходу колебаний. Устройство позволяет осуществлять счет полос за время, кратное периоду колебаний, который задается источником 4 возбуждения колебаний объекта. 3 йл. (О

Фив.1

7

У

а

Игплш

W

Fumd

Фие.2

S,m

VI

1383975

Шг

tflf

V 48