Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений Советский патент 1991 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для бесконтактного измерения вибрации в различных отраслях народного хозяйства машиностроении, судостроении, самолетостроение и т д

Целью изобретения является повышения производительности за счет сокращения количества настроечных операций

На фиг.1 представлена функциональная схема ультразвукового фазового измерителя виброперемещений, на фиг 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений содержит задающий генератор 1, излучающий преобразователь 2,

возбуждающий ультразвуковую волну в направлении контролируемого объекта 3, приемный преобразователь 4, делитель 5 частоты, фазовращатель 6 фазовый детектор 7, одновибратор 8 блок 9 обработки информации, делитель 10 частоты, формирователи 11 и 12 одиночных импульсов и блок 13 совпадений, реализующий логическую функцию 2-2И-2ИЛИ

Задающий генератор 1 подключен выходом к входу излучающего преобразователя 2 и к информационному входу делителя 10 частоты, подсоединенного управляющим входом к управляющему входу делителя 5 частоты и к выходу блока 13 совпадений, а выходом - к входам формирователей 11 и 12

о

ю о

ю

00

одиночных импульсов и к одному входу фазового детектора 7. Блок 13 совпадений подключен первым и вторым входами к выходам соответственно формирователей 11 и 12 одиночных импульсов, а третьим и четвертым входами - к выходу одновибратора 8. Выход приемного преобразователя 4 соединен с информационным входом делителя 5 частоты, выход которого подсоединен через фазовращатель 6 к входу одновибратора 8 и к другому входу фазового детектора 7, подключенного выходом к входу блока 9 обработки информации.

Кроме того, обозначены (фиг.2) напряжение Ui(t) на выходе задающего генератора 1(а), напряжение U2(t) на выходе делителя

10частоты (б), напряжения 1)з(т.) и L)4(t) на выходах соответственно формирователей

11и 12 одиночных импульсов (в и г)напря- жение Us(t) на выходе приемного преобразователя 4(д)7напряжение Deft) на выходе делителя 5 частоты (е),напряжение U7(t) на выходе фазовращателя 6(ж),напряжение Ua(t) на выходе одновибратора 8{з) и напряжение Ug(t) на выходе блока 13 совпадений (и).

Задающий генератор 1 предназначен для работы в непрерывном режиме на частоте (фиг.2а). Излучающий 2 и приемный 4 преобразователи предназначены для возбуждения в направлении объекта 3 ультразвуковой волны, приема отраженной волны и преобразования ее в аналоговый сигнал.

Делители 5 и 10 частоты имеют одинаковый коэффициент деления Ми предназначены для непрерывного деления частоты сигналов, поступающих на их входы в случае разрешающего сигнала на их управляющих входах, и прекращения деления (характеризующегося отсутствием сигналов на выходе делителей) при наличии сигнала предустановки. Выбор величины коэффициента деления делителей 5 и 10 происходит из условия выполнения однозначности фазовых измерений фазовым детектором 7, чтобы выполнялось неравенство N Я 8Ао, где АО - максимальная ампли- . туда измеряемых перемещений, А- длина ультразвуковой волны.

Фазовращатель 6 создает требуемый сдвиг фаз на входе фазового детектора 7, обеспечивающий нахождение рабочей точки фазового детектора 7 в нуле его амплитудной характеристики. Сдвиг фаз устанавливается априорно при условии одновременного начала работы делителей 5 и 10 частоты.

Фазовый детектор 7 преобразует разность фаз между сигналами на его входах в аналоговый сигнал, величина которого пропорциональна перемещению поверхности контролируемого объекта 3. Вычисление и регистрация параметров сигнала, соответствующего перемещению поверхности контролируемого объекта 3, вместе с их предварительной обработкой (фильтрация, амплитудное детектирование и др.) производится в блоке 9 обработки информации.

Одновибратор 8 предназначен для фор- 0 мирования (по информационному для фазового детектора 7 фронту) импульса, обеспечивающего надежное переключение логических элементов блока 13 совпадений.

5 Формирователи 11 и 12 одиночных импульсов предназначены для формирования импульсов, длительность , 1ф2 и время ti, t2 появления которых соответствуют нахождению рабочей точки фазового детектора 7 0 на нелинейном участке его амплитудной характеристики. Время ti совпадает с временем начала каждого периода сигнала с выхода делителя 10 частоты, окончание импульса длительностью гфа совпадает с его 5 концом (фиг.2б,в и г).

Блок 13 совпадений, реализующий функцию 2-2И-2ИЛИ, предназначен для выработки сигнала на его выходе при условии, что сигнал на выходе одновибратора 8 сов-. 0 падает с любым из сигналов на выходе формирователей 11 и 12 одиночных импульсов. Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений работает следующим образом.

5Предварительно, всего один раз (при

изготовлении), информационные входы делителей 5 и 10 частоты объединяются и подключаются к выходу задающего генератора 1, тем самым обеспечивается одновремен- 0 ность начала работы делителей 5 и 10 частоты. С помощью фазовращателя б устанавливается сдвиг фаз между выходными сигналами делителей 5 и 10 частоты, обеспечивающий положение рабочей точки фазового детектора 7 в нуле его амплитудной характеристики.

Сигнал с выхода задающего генератора 1 (фиг.2а) поступает на излучающий 5 преобразователь 2, возбуждающий ультразвуковую волну частоты % в направлении контролируемого объекта 3, и одновременно на информационный вход делителя 10 частоты. Отраженная от поверхности 0 контролируемого объекта 3 ультразвуковая волна принимается приемным преобразователем 4. Выходной сигнал Us(t) приемного преобразователя 4 (фиг,2д) поступает на вход делителя 5 частоты, с выхода которого 15 сигнал Ue(t) с частотой f/N (фиг.2е) поступает на вход фазовращателя 6, изменяющего

фазу сигнала Ue(t) на постоянную величину ip (фиг.2е и ж). Сигнал U(t) с выхода фазовращателя 6 поступает на вход одновибратора 8, формирующего на своем выходе импульс Us(t) (фиг.2з) по переднему фронту сигнала Uy(t) с выхода фазовращателя б. Сигнал с выхода одновибратора 8 поступает на один из входов каждой схемы 2И блока 13 совпадений. Сигнал U2(t) с выхода делителя 10 частоты поступает на входы формировате- лей 11 и 12 одиночных импульсов, формирующих сигналы 1)з(т.) и LJ4(t), длительность и время появления которых соответствуют нахождению сигнала с одновибратора 8 на нелинейном участке амплитудной характе- ристики фазового детектора 7. Сигналы Uaft) и U4(t) с выходов формирователей111 и 12 одиночных импульсов, формирующие временные интервалы, в пределах которых измеритель имеет низкую точность измере- ний, поступают на другие входы блока 13 совпадений. Сигнал Ug(t) с выхода блока 13 совпадений (фиг.2и) подается на управляющие входы делителей 5 и 10 частоты. При отсутствии сигнала на выходе блока 13 сов- падений делители 5 и 10 частоты непрерывно делят частоту поступающих на них сигналов по выбранному фронту, например по переднему (фиг. 26 и 2 е). В момент появления импульса на выходе блока 13 совпадений деление частоты делителями 5 и 10 прекращается, и сигнал на их выходе пропадает. Сигнал с выхода фазовращателя

6также поступает на один из входов фазового детектора 7, а с выхода делителя 10 частоты - на его другой вход. Изменяющийся выходной сигнал фазового детектора 7, несущий информацию о перемещении поверхности контролируемого объекта 3, поступает в блок 9 обработки информации.

В случае нахождения рабочей точки фазового детектора 7 на линейном участке его амплитудной характеристики, что соответствует нахождению сигнала с выхода одно- вибратора 8 в пределах, ограниченных сигналами с выходов формирователей 11 и 12 одиночных импульсов, делители 5 и 10 частоты непрерывно делят частоту поступающих на них сигналов, а фазовый детектор

7с высокой точностью измеряет сдвиг фаз между ними. Блок 9 обработки информации регистрирует соответствующие измеренному сдвигу фаз виброперемещения контролируемого объекта 3.

Выход рабочей точки фазового детекто- ра 7 за пределы линейного участка соответствует во временной1 области совпадению сигнала с выхода одновибратора 8 с одним из сигналов на выходе формирователей 11 и 12 одиночных импульсов. В случае их совпадения на выходе блока 13 совпадений появляется сигнал, поступающий на управляющие входы делителей 5 и 10 частоты и прекращает их работу. Это приводит к последовательному попаданию сигнала на выходе делителя 5 частоты, фазовращателя 6, одновибратора 8, блока 13 совпадений. После пропадания сигналов на управляющих входах делителей 5 и 10 частоты они снова начинают деление частоты, поступающих на них сигналов по выбранному фронту (фиг.2б и е) соответственно, а фазовращатель 6 сдвигает фазу сигнала на выходе де- лителя 5 частоты на установленную величину р (фиг.2ж). Поскольку сдвиг фаз между выходными сигналами задающего генератора 1 (фиг.2а) и приемного преобразователя 4 (фиг.2д) в общем случае является произвольным ( 2л), то чем больше коэффициент N деления делителей 5 и 10 частоты, тем точнее совпадает устанавливаемое по сигналу на выходе блока 13 совпадений положение рабочей точки фазового детектора 7 с первоначально устанавливаемым положением его рабочей точки. При этом сигнал с выхода одновибратора 8 располагается в середине временного интервала между сигналами с выходов формирователей 11 и 12 одиночных импульсов.

Ошибка устанавливаемого сдвига фаз по отношению к первоначально установленному не превышает Ar/ /N и тем меньше, чем больше N. Поскольку N может быть выбран достаточно большим (несколько десятков), влияние вносимого в первоначальный сдвиг дополнительного сдвига /N на точность измерений не сказывается. Сравнение временного положения сигнала на выходе одновибратора 8 с сигналами на выходах формирователей 11 и 12 одиночных импульсов происходит каждый период час- в априорно установленные моменты времени, что позволяет обеспечить максимально возможное (практически за время определяемое быстродействием используемых цифровых микросхем) время установки априорно заданного сдвига фаз на входах фазового детектора 7. Поскольку информационные сигналы снимаются с входов фазового детектора 7, то исключаются возможность влияния сигнала с выхода фазового детектора на формирование сигнала предустановки, одновременно обеспечивая высокую помехоустойчивость измерителя.

Формула изобретения

Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, содержащий излучающий преобразователь, два делителя частоты,

приемный преобразователь, фазовращатель, блок обработки информации, фазовый детектор, первый формирователь одиночных импульсов и задающий генератор, подключенный выходом к входу излучающего преобразователя и к информационному входу первого делителя частоты, выход которого соединен с одним входом фазового детектора, выход приемного преобразователя подключен к информационному входу второго делителя частоты, подсоединне- ного управляющим входом к управляющему входу первого делителя частоты и выходом - через фазовращатель - к другому входу фазового детектора, выход которого соединен с входом блока обработки инфор0

мации.отл ичающийся тем, что, с целью повышения производительности, он снабжен одновибратором, блоком совпадений и вторым формирователем одиночных импульсов, подключенным входом к выходу первого делителя частоты и к входу первого формирователя одиночных импульсов, выход которого соединен с первым входом блока совпадений, подсоединенного вторым входом к выходу второго формирователя одиночных импульсов, третьим и четвертым входами - к выходу одновибра- тора, выходом - к управляющему входу первого делителя частоты, а вход одновиб- ратора соединен с выходом фазовращателя.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения вибраций в различных отраслях народного хозяйства. Цель изобретения - повышение производительности за счет сокращения количества настроечных операций Положению рабочей точки на амплитудной характеристике фазового детектора однозначно соответствует временная задержка сигнала на одном его входе относительно другого, исходя из чего по сигналу с выхода делителя частоты периодически осуществляется формирование сигналов, время появления и длительность которых соответствует при совпадении с ними сигнала с выхода фазовращателя выходу рабочей точки за пределы линейного участка амплитудной характеристики фазового детектора Сравнение сигналов происходит каждый период следования с выхода делителей частоты, что позволяет устанавливать требуемый сдвиг фаз на входах фазового детектора за время много меньше периода сигнала с выхода делителей частоты, тем самым сократить время измерений, а также повысить помехоустойчивость за счет иск лючения влияния сигнала с выхода фазового детектора на формирование сигнала его предустановки. 2 ил сл С