Устройство для измерения параметров вращающихся объектов Советский патент 1990 года по МПК G01J5/50 G01P3/36 G01C19/64 

сл

00

оо 1

О1

оъ

теференционной картины, сформированной на поверхности второго полупрозрачного зеркала 5. При этом масштаб Интерференционной картины, формирую- щийся в поле зрения приемника 8 излучения , выбирают с помощью фиксирующей линзы 7 таким образом, чтобы расстояние между гребнями двух соседних интерференционных полос было боль Ше расстояния между полями зрения первого и второго фотодиодов приемника 8 излучения. По направлению движения интерференционных полос и скорости их перемещения определяют параметры вращающегося объекта. 1 Устройство позволяет повысить точность измерения амплитуды радиальных биений в 10 -10 раз за счет применения метода интерферометрии и доведения ее до i Я/2, где А- длина волны монохроматического излучения источника 2, и температуры, при отсутствии радиальных биений за счет определения температуры вдоль п диаметральных линий центрально симметричного вращающегося объекта 1, а при наличии радиальных биений - за счет измерения интенсивности дробной части интерференционной полосы на неустановившемся режиме работы вращающегося объекта 1 и представления информации в цифровом виде в 10-20 раз. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров вращающихся объектов, преимущественно температуры, скорости и амплитуды радиальных биений. Суть изобретения заключается в формировании на входе приемника 8 излучения, содержащего, например, первый и второй фотодиоды (на чертеже не показаны), расположенные на фиксированном расстоянии друг от друга, интерференционной картины, сформированной на поверхности второго полупрозрачного зеркала 5. При этом масштаб интерференционной картины, формирующийся в поле зрения приемника излучения 8, выбирают с помощью фокусирующей линзы 7 таким образом, чтобы расстояние между гребнями двух соседних интерференционных полос было больше расстояния между полями зрения первого и второго фотодиодов приемника излучения 8. По направлению движения интерференционных полос и скорости их перемещения определяют параметры вращающегося объекта 1. Устройство позволяет повысить точность измерения амплитуды радиальных биений в 10 2-10 3 раз за счет применения метода интерферометрии и доведения ее до λ/2, где λ - длина волны монохроматического излучения источника 2, и температуры, при отсутствии радиальных биений за счет определения температуры вдоль N диаметральных линий центрально симметричного вращающегося объекта 1, а при наличии радиальных биений - за счет измерения интенсивности дробной части интерференционной полосы на неустановившемся режиме работы вращающегося объекта 1 и представления информации в цифровом виде в 10-20 раз. 1 ил.

30

35

Изобретение относится к измеритель ной технике и может быть использовано ля измерения параметров вращающихся 25 объектов, преимущественно температуры, скорости и амплитуды радиальных биений.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Устройство для измерения параметров вращающегося объекта 1 содержит источник 2 монохроматического излучения, датчик 3, прикрепленный к поверхности вращающегося объекта 1 и выполненный в виде плоскопараллельного стеклянного диска с показателем преломления п2, на основания которого нанесен .0 материал с показателем преломления n f nls при этом на основании стеклянного диска, обращенном в сторону источника 2, выполнение кольцевое окно для ввода и вывода излучения источника 2, а также первое 4 и второе 5 полупрозрачные зеркала,выполненные в виде Јветоделительных кубиков, зеркало 6, фокусирующую линзу 7, приемник 8 излучения, выполненный, например, в виде первого и второго фотодиодов и двух операционных усилителей с большим коэффициентом усиления (не показаны), при этом расстояние между полями зрения фотодиодов зафиксировано. Кроме того, устройство содержит реверсивный 55 счетчик 9, блок 10 преобразования «од - напряжение, коммутатор 11, из- 4еритель 12, первый 13 и второй 14

45

0

5

5

.0 55

45

инверторы, сумматор 15, блок 16 измерения постоянной составляющей, блок 17 синхронизации, управляемый тактовый генератор 18, частотомер 19, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 20 и запоминающий конденсатор 21. При этом датчик 3, первое 4 и второе 5 полупрозрачные зеркала и зеркало 6 оптически связаны между собой по схеме интерферометра, опорный канал которого содержит зеркало 6, а информационный - датчик 3, ввод излучения от источника 2 в который производится через кольцевое окно под углом 0 Qxp величина которого зависит от соотношения между показателями преломления п1 и пг (QK- критический угол)

Устройство работает следующим- образом

Излучение от источника 2, проходя через первое полупрозрачное зеркало 4Э попадает в кольцевое окно датчика 3 для ввода-вывода излучения. Испытав многократные отражения от границ раздела материалов с показателями преломления п и п, пройдя весь объем датчика 3, излучение выходит через кольцевое окно и попадает на второе полупрозрачное зеркало 5. Часть излучения от источника 2, пройдя через первое полупрозрачное зеркало 4 и отразившись от зеркала 6, также попадает на второе полупрозрачное зеркало 5, пройдя сквозь которое, интерферирует с излучением, прошедшим через датчик 3 и отразившимся от поверхности второго полупрозрачного зеркала 5.

Масштаб интерференционной картины, - формирующейся в поле зрения приемника 8 излучения, выбирается с помощью фокусирующей линзы 7 таким образом, чтобы расстояние между гребнями двух со- седних интерференционных полос было больше, чем расстояние между полями зрения первого и второго фотодиодов приемника 8 излучения. В этом случае на первом и втором выходах приемника 8 излучения формируются одинаковые сигналы, близкие к синусоидальным, но сдвинутые относительно друг друга на время 1 „ По изменению интерфери- ционной картинки, которое может быть вызвано изменением длины оптического пути: источник 2 - первое полупрозрачное зеркало 4 - датчик 3 - второе полупрозрачное зеркало 5, или изменением коэффициента преломления материала, нанесенного на основание стеклянного диска 3, обращенное к поверхности вращающегося объекта 1, судят о параметрах вращающегося объекта 1„

При этом в первом случае изменение интерференционной картины будет нести информацию о величине радиальных биений вращающегося объекта 1, а во втором - о его температуре. Чувст- вительность датчика 3 к изменению температуры выбирается такой, чтобы предполагаемые отклонения температуры в каждой точке поверхности вращающегося объекта 1 от средней вызывали сравнительно небольшие изменения интерференционной картины в пределах сдвига одной полосы. Такое условие может не выполняться, если нет необходимости оценивать температурное рас- пределение по всей поверхности вращающегося объекта 1.

Измерение радиальных биений и скорости вращения осуществляется устройством следующим образом.

При вращении вращающегося объекта 1 с угловой скоростью ш и наличии радиальных биений с амплитудой А - длина оптического пути монохроматического излучения источника 2, прохо- дящего через датчик 3, будет изме- -.

няться с частотой -;,-. Следовательно,

/

фаза этого излучения также будет изменяться с частотой . Это приведет

к периодическому изменению интерференционной картины, выражающемуся в периодическом движении интерференционных

Q 0 5

0 д

5

5

полос в поле зрения приемника 8 излучения. При этом, если в поле зрения ;- первого и второго фотодиодов прием- ника 8 излучения сформирована интерференционная картина таким образом, что расстояние d между гребнями соседних интерференционных полос больше расстояния р между полями зрения первого и второго фотодиодов приемника излучения, то при движении полос, например, слева.направо импульс напряжения на первом выходе приемника 8 излучения будет появляться несколько раньше, чем на его втором выходе.При изменении направления движения интерференционных полос импульс напряжения на втором выходе приемника 8 излучения будет появляться несколько раньше, чем на его первом выходе. Импульсы напряжения на первом и втором выходах приемника 8 излучения возникают за счет изменения, интенсивности излучения в поле зрения первого и второго фотодиодов приемника 8 излучения, в результате пробегания мимо них интерференционных полос. Это позволяет определить направление движения интерференционных полос.

С первого и второго выходов приемника 8 излучения импульсы напряжения поступают на первый и второй входы соответственно реверсивного счетчика 9 импульсов, на цифровом выходе которого формируется цифровой код, величина которого изменяется в зависимости от количества интерференционных полос, пробежавших в поле зрения первого и второго фотодиодов приемника 8 излучения, и направления их движения, определяемого амплитудой радиальных биений вращающегося объекта 1.

С цифрового выхода реверсивного счетчика 9 импульсов цифровой код поступает на цифровой вход блока ТО преобразования код - напряжение, на выходе которого формируется периодический сигнал, амплитуда которого пропорциональна амплитуде радиальных биений А,.., а частота следования равна удвоенной частоте вращения вращающегося объекта 1. С выхода блока 10 преобразования код - напряжение периодический сигнал поступает непосредственно на вход измерителя 12 и через коммутатор 11 на вход частоте- мера 19. На выходе измерителя 12, выполненного, например, в виде масштабырующего усилителя, формируется пери-: одический сигнал, масштаб амплитуды которого приведен к масштабу шкалы цифрового вольтметра (не показан), с помощью которого этот сигнал может быть, измерен. Подключение частотомера 19 к выходу блока 10 преобразования код - напряжение осуществляется подачей на первый управляющий вход ком- мутатора 11 напряжения Лог. 1 непосредственно с выхода измерителя 12 и на второй управляющий вход - напряжения Лог. О с выхода первого инвертора 13.

Измерение температуры и скорости вращения вращающегося объекта 1 осуществляется устройством следующим об- разом.

Интерференционная картина, соответ ствующая случаю, когда вращающийся объект 1 находится в покое, а его средняя температура t ср известна, фиксируется приемником 8 излучения, при этом на цифровом выходе реверсивного счетчика 9 устанавливается цифровой код, соответствующий данной температуре, а на первом выходе, приемника 8 излучения - электрический сигнал, соответствующий интенсивности дробной части интерференционной полосы интерференционной картины.

Рассмотрим сначала случай отсутствия радиальных биений вращающегося объекта 1, т.е. предположим, что они устранены. Тогда при вращении вращающегося объекта 1 будет возникать периодическое изменение интерференционной картины за счет того, что будут изменяться условия прохождения излу- чения от источника 2 через датчик 3,, Эти изменения будут вызываться отличием температуры различных точек поверхности вращающегося объекта 1 от его средней температуры. Так как дат- чик 3 вращается с -угловой скоростью Ы, то луч, формируемый неподвижным источником 2, будет сканировать стеклянный диск датчика 3. Испытывая многократные отражения от границ разде- ла сред с показателями преломления пип. в плоскости, совпадающей с диаметральной линией- стеклянного диска датчика 3, излучение приобретает фазовый сдвиг, который будет пропор- ционален средней температуре вдоль указанных диаметральных линий. При этом точность оценки температурного Поля будет зависеть от количества

различаемых диаметральных линий и on-т ределяться частотой импульсного сигнала на выходе управляемого тактового генератора 18, вырабатывающего СИНУ сигнал для АЦП 20, на вход которого поступает аналоговый сигнал с выхода сумматора 15, пропорциональный температуре сканируемого в данный момент времени участка. На первый и второй входы сумматора 15 поступают два-сигнала, один из которых поступает на его второй вход с выхода блока 16 измерения постоянной составляющей и пропорционален температуре

tk tH +raT,

где t H - начальная температура вращающегося объекта 1; m - количество пробежавших в

поле зрения приемника 8 из- . лучения интерференционных полос с момента начала движения вращающегося объекта 1; Т - температурный коэффициент

пропорциональности. Этот сигнал на выходе блока 16 измерения постоянной составляющей формируется вследствие изменения интерференционной картины в поле зрения приемника 8 излучения} выражающегося в движении интерференционных полос в определенную сторону.

Информацию об отличии текущей температуры t{, где ,1,2,о..,n; n - количество различаемых линий контроля температуры в определенной точке объекта, от температуры tK на величину иt| будет нести электрический сигнал, поступающий на первый вход сумматора 15 через коммутатор 11 с первого выхода приемника 8 излучения. Величина этого сигнала пропорциональна интенсивности дробной части интерференционной полосы интерференционной картины в поле зрения приемника 8 излучения в каждый момент времени.

Следовательно, на выходе сумматора 15 в каждый i-й момент времени формируется электрический сигнал, пропорциональный

+ ut .tn+mT+dt.,

где dtj может принимать как положительные, так и отрицательные значения

Таким образом, на выходе сумматора 15 формируется периодический электрический сигнал, частота повторения которого равна удвоенной частоте вращения вращающегося объекта 1, измеряемой частотомером. 19, вход кото- « po.ro в этом случае через коммутатор 11 подключен к первому выходу приемника 8 излучения. При этом на первом управляющем входе коммутатора 11 устанавливается напряжение Лог. О, a JQ на втором управляющем входе - напряжение Лог. 1. Это обусловлено тем, что на выходе измерителя 12 отсутствует электрический сигнал, так как амплитуда радиальных биений А.,. 15 Но этой же причине на выходе блока 17 синхронизации отсутствует электрический сигнал, а следовательно, на третьем и четвертом управляющих входах коммутатора 11 устанавливаются напря- 20 жение Лог, 1 (выход второго инвертора 14) и Лог„ 0 (выход блока 17 синхронизации) соответственно. Управляемый тактовый генератор 18 при этом в связи с отсутствием управляющего сигнала на его входе формирует на своем выходе синхросигнал с частотой в 2 раза выше частоты вращения вращающегося объекта 1. Таким образом, -за один оборот вращающегося объекта 1 30 на выходе АЦП 20 формируется 2п кодовых комбинаций, каждая из которых соответствует температуре вдоль i-й диаметральной линии центрально симметричного вращающегося ооъекта 1. Такая 35 точная оценка температурного поля будет производиться при любом режиме работы вращающегося объекта 1 (разгон, остановка, установившееся движение, ускорение и т„д.) при отсутствии ра- 40 диальных биений.

При наличии радиальных биений, когда А-sф 0, на выходе измерителя 12 появляется электрический сигнал, ам- шнтуда которого пропорциональна Apj, 45 при этом на первом и втором управляющих входах коммутатора 11 устанавливаются напряжения, соответствующие Лог. 1 и Лог. О соответственно. Измерение амплитуды радиальных биений 50 и угловой скорости о) вращения вращающегося объекта 1 производится аналогично описанному измерителем 12 и частотомером 19. Измерение температуры в этом случае производится следу- $$ ющим образом.

Определение температуры t. производится так же, как и в предыдущем случае, путем двойной оценки. На второй вход сумматора 15 поступает электрический сигнал, пропорциональный t , формируемый на выходе блока 16 измерения постоянной составляющей, а .на первый вход сумматора 15 через коммутатор 11 поступает электрический сигнал пропорциональный dt. , формируемый на первом выходе приемника 8 излучения. Оцифровка выходного сигнала сумматора 15 производится АЦП 20 с частотой в два раза выше частоты вращения вращающегося объекта 1. При это с такой же частотой блок 17 синхронизации производит отключение третьего выхода коммутатора 11 от первого входа сумматора 15 и подключает к первому выходу приемника 8 излучения запоминающий конденсатор 21. Таким образом осуществляется хранение информации на время 1/1Гт, где fr, - тактовая частота синхросигнала, поступающего на синхровход АЦП 20 с выхода управляемого тактового генератора 18. Сигналы на третий и четвертый управляющие входы коммутатора 11 поступают в те моменты времени, когда на первом, втором и третьем входах блока 17 синхронизации уровни сигналов совпадают, т.е. температура вращакэдегося объекта 1 достигает среднего значения за период, при этом на четвёртый управляющий вход коммутатора 11 сигнал поступает раньше, чем на его третий управляющий вход. Время задержки определяется задержкой второго инвертора 14, при этом за это время конденсатор 21 ,успевает запомнить уровень сигнала с первого выхода приемника 8 излучения ,

Измерение скорости вращения вращающегося объекта 1 производится так же, как и в предыдущем- случае.

Таким образом, устройство позволяет повысить точность измерения амплитуды радиальных биений в 102-103 раз за счет применения метода интерферометрии и доведения ее до Я/2, где Л - длина волны монохроматического излучения источника 2, и температуры при отсутствии радиальных биений за счет определения температуры вдоль п диаметральных линий центрально-симметричного вращающегося объекта 1, а при наличии радиальных биений за счет измерения интенсивности дробной части интерференционнной полосы на неустановившемся режиме работы вращающегося объекта 1 (в период его разгона,

торможения и т.д.) и представления информации в цифровом виде в 10-20 р.аз

Это приводит к снижению процента брака при проведении неразрушающего контроля изделий в процессе производства и эксплуатации, а также своевременному выявлению отклонений от нормального режима работы крупных электрических машин и предотвращению аварий, которые могут нанести серьезный ущерб народному хозяйству.

Формула изобретения

Устройство для измерения парамет- ров вращающихся объектов, содержащее оптически связанные источник монохроматического излучения, первое полупро зрачное зеркало и датчик, фокусирующую линзу и приемник излучения, а также реверсивный счетчик импульсов и частотомер, при этом датчик закреплен на вращающемся объекте, его центр совмещен с осью вращающегося объекта, а полупрозрачное зеркало установлено между датчиком и источником монохроматического излучения под углом 45 ° к его оптической оси, отличаю- щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены зеркало, второе полупрозрачное зеркало, блок преобразования код - напряжение, коммутатор, первый и второй инверторы, сумматор, блок измерения постоянной составляющей, блок синхронизации, управляемый тактовый генератор, аналого-цифровой преобразователь, измеритель и запоми- нающий конденсатор, при этом первый и второй выходы приемника излучения подключены к первому и второму входам реверсивного счетчика импульсов, цифровой выход которого подключен к цифровому входу блока преобразования код - напряжение, выход последнего соединен с первым входом коммутатора, входами блока измерения постоянной

Редактор Л„ Гратилло

Составитель А. Леви Техред А.Кравчук

Заказ 2246

Тираж 438

ВШИЛИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

составляющей и измерителя и первым входом блока синхронизации, второй выход приемника излучения соединен с вторым и третьим входами коммутатор первый и второй выходы которого соединены с входом частотомера, третий выход - с четвертым входом коммутатора и первым входом сумматора, четвертый выход - с первым выводом запоминающего конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, выход сумматора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, синхровход которого подключен к выхо- ДУ управляемого тактового генератора, вход последнего подключен к выходу измерителя, входу первого инвертора, управляющему входу блока синхронизации и первому управляющему входу коммутатора, второй управляющий вход которого подключен к выходу первого инвертора, третий управляющий вход - к выходу второго инвертора, вход второго инвертора соединен с выходом блока синхронизации и с четвертым управляющим входом коммутатора, синхровход управляемого тактового генератора соединен с выходом частотомера, а выход блока измерений постоянной составляющей соединен с вторыми входами сумматора и блока синхронизации, причем датчик выполнен в виде плоскопараллельного стеклянного диска с показателем преломления п2, на основаниях которого нанесен материал с показателем преломления п , ; п4 , при этом на основании плоскопараллельного стеклянного диска, обращенного в сторону монохроматического излучения, выполнено кольцевое окно для ввода и вывода его излучения, а приемник излучения оптически связан с источником монохроматического излучения через фокусирующую линзу, второе полупрозрачное зеркало, датчик и первое полупрозрачное зеркало, а также фокусирующую линзу, второе полупрозрачное зеркало, зеркало и первое полупрозрачное зеркало.

Корректор М. Максимигаинец

Подписное