Ультразвуковой фазовый измеритель вибрации Советский патент 1991 года по МПК G01H11/08 G01B17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при проведении модальных испытаний элементов сложных конструкций.

Целью изобретения является повышение точности за счет адаптивного изменения полосы пропускания в зависимости от спектрального состава сигнала.

На фиг.1 представлена функциональная схема ультразвукового фазового измерителя вибрации; на фиг.2 - эпюры сигналов на выходах первого интегратора, цифроанало- гового преобразователя и дифференциатора; на фиг.З - частотные характеристики первого, второго и третьего приемных преобразователей.

Ультразвуковой фазовый измеритель вибрации содержит последовательно соединенные задающий генератор 1, излучающий преобразователь 2, взаимодействующий с исследуемым объектом 3. первый приемный преобразователь 4, настроенный на частоту ыь , второй 5 и третий 6 приемные преобразователи, входы которых акустически связаны с входом первого приемного преобразователя 4, первый интегратор 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 9, дифференциатор 10, режекторный фильтр 11, второй интегратор 12. сумматор 13. элемент 14 И-НЕ, частотный детектор 15, блок 16 обработки информации и фазовый детектор 17.

Задающий генератор 1 подключен управляющим входом к выходу дифференциатора 10, выходом - к входу излучающего преобразователя 2 и к первому входу фазового детектора 17.

Первый приемный преобразователь 4 подключен выходом к входу режекторного фильтра 11, к первому входу элемента И-НЕ 14, к входу первого интегратора 7 и к первому входу сумматора 13, подсоединенного управляющим входом к выходу второго ин(Л

С

Os

VI ю ю о

00

тегратора 12 и к второму входу элемента И-НЕ 14, вторым и третьим входами - к выходам Соответственно второго 5 и третьего 6 приемных преобразователей, выходом - к входу частного детектора 15. Выход элемента И-НЕ 14 соединен с вторым входом фазового детектора 17, выход которого подключен к первому входу блока 16 обработки информации, подсоединенного вторым входом к выходу частотного детектора. Выход первого интегратора подключен через последовательно соединенные АЦП 8 и ЦАП 9 к входу дифференциатора 10.

Ультразвуковой фазовый измеритель вибрации работает следующим образом. .

Перед началом работы на задающем генераторе 1 устанавливается код числа, соответствующего частоте, близкой fife . Каждой частоте ш соответствует число щ, занесенное в программу работы задающего генератора 1. С выхода задающего генератора 1 сигнал частотой, близкой к (Оо , поступает на излучающий преобразователь 2, преобразующий электрический сигнал в механические колебания ультразвуковой частоты.

Излученный ультразвуковой сигнал, отражаясь от исследуемого объекта 3, принимается приемными преобразователями 4,5 и 6. В стадии калибровки вибропреобразователя, когда исследуемый объект 3 неподвижен, отраженный сигнал имеет ту же самую частоту, что и излученный излучающим преобразователем 2. С выхода первого приемного преобразователя 4, настроенного на ту же самую частоту (UQ , что и излучающий преобразователь 2, электрический сигнал поступает на вход первого интегратора 7.

Поскольку изменение частоты задающего генератора 1 в ту или другую сторону вызывает возрастание или убывание сигнала на выходе первого интегратора 7 (см.фиг.2,а) в зависимости от приближения или удаления от частоты а)о , то выходной сигнал ЦАП 9 (см.фиг.2,б) адекватно соответствует уровню напряжения, преобразованного АЦП 8 в соответствующее число. Ступенчато изменяющийся сигнал с выхода ЦАП 9 (см.фиг.2,б) поступает на вход дифференциатора 10. где преобразуется в импульсы положительной или .отрицательной полярности (см.фиг.2,в). Поступающие на управляющий вход задающего генератора 1 импульсы с выхода дифференциатора 10 увеличивают занесенное в программатор задающего генератора число ni на единицу лишь в том случае, когда эти импульсы имеют положительную полярность. Это будет

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

происходить в случае, когда возрастает выходной сигнал первого интегратора 7, что указывает на приближение частоты задающего генератора 1 к резонансной частоте Шо, на которую настроены излучающий преобразователь 2 и первый преобразователь 4. При достижении частоты иь, что соответствует максимальному значению выходного сигнала первого интегратора 7, полярность положительных импульсов на выходе дифференциатора 10 меняется на отрицательную, и изменение частоты сигнала на выходе задающего генератора 1 прекращается. Задающий генератор 1 с этого момента работает на частоте Шо , так как первый отрицательный импульс с выхода дифференциатора 10 блокирует его.

После проведения этой операции калибровки начинается процесс непосредственных измерений виброперемещений исследуемого объекта 3. Здесь можно рассмотреть два процесса. Первый - это процесс, когда колебания исследуемого объекта 3 находятся в диапазоне низких частот, тогда частотная модуляция отраженного сигнала мала, а следовательно, мала девиация частоты этого сигнала Шд 2 ttfg « Q. В этом случае подключение второго 5 и третьего 6 приемных преобразователей, встроенных соответственно на частоты УЬ + Q и Шо - О; необязательно. Поскольку априори неизвестна степень девиации частоты отраженного сигнала, а также не известен его спектральный состав, то в любом случае сигнал с выхода первого приемного преобразователя 4 поступает на режекторный фильтр 11, настроенный на частоту (Оо . Поскольку девиация частоты мала, и наибольшая доля энергии содержится в основной гармонике (DO, то мощность сигнала, прошедшего через режекторный фильтр 11, недостаточна для того, чтобы выходной сигнал второго интегратора 12 закрыл элемент 14 И-НЕ. Поскольку в этом случае элемент И-НЕ 14 открыт, то сигнал с выхода первого приемного преобразователя 4 беспрепятственно проходит на второй вход фазового детектора 17. на первый вход которого поступает опорный сигнал с выхода задающего генератора 1. Устройство работает в режиме измерения виброперемещений. Выходной сигнал фазового детектора 17 поступает на первый вход блока 16 обработки информации.

Допустим, частота колебаний исследуемого объекта 3 возросла до того значения, когда девиация отраженного сигнала Шд - Q.B этом случае спектральный состав отраженного сигнала насыщен боковыми составляющими. Доля энергии, приходящаяся на основную гармонику соь, становится того же порядка, что и на боковые составляющие. В этом случае энергетическое содержание гармонических составляющих на выходе режекторного фильтра 11 значи- 5 тельно выше, и сигнал на выходе второго интегратора 12 достигает порога срабатывания элемента И-НЕ 14, который закрывается для прохождения сигнала на второй вход фазового детектора 17. Одновременно 10 выходной сигнал второго интегратора 12, поступающий на управляющий вход сумматора 13, по абсолютной величине достаточен для его срабатывания. Так как полосы пропускания приемных преобразователей 15 4, 5, 6 пересекаются на уровне 0,707 (см.фиг.З), то отпадает необходимость настройки их на частоты механического резонанса. Широкополосный сигнал с выхода приемных преобразователей 4, 5, 6 через 20 сумматор 13 поступает на вход частотного детектора 15, где из частотно-модулированного сигнала выделяется огибающая, несущая информацию о .виброскорости исследуемого объекта 3. Этот сигнал посту- 25 пает на второй вход блока 16 обработки информации.

Использование изобретения позволяет повысить точность контроля за счет использования широкополосного приемного пре- 30 образователя с адаптивно меняющейся полосой пропускания в зависимости от спектрального состава сигналов от исследуемого объекта.

Формулаизобретения35

Ультразвуковой фазовый измеритель вибрации, содержащий последовательно

электроакустически соединенные задающий генератор, излучающий преобразователь и первый приемный преобразователь, фазовый детектор,, элемент И-НЕ, дифференциатор и последовательно соединенные первый интегратор и аналого-цифровой преобразователь, выход задающего генератора соединен с первым входом фазового детектора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен вторым и третьим приемными преобразователями, последовательно соединенными режекторным фильтром и вторым интегратором, сумматором, частотным детектором, блоком обработки информации и цифроана- лзговым преобразователем, подключенным входом к выходу аналого-цифрового преобразователя, выходом - к входу дифференци- атора, выход которого соединен с управляющим входом задающего генератора, вход первого интегратора подсоединен к первому входу элемента И-НЕ, к входу режекторного фильтра, к выходу первого приемного преобразователя и к первому информационному входу сумматора, подключенного управляющим входом к выходу второго интегратора и к второму входу элемента И-НЕ. вторым и, третьим информационными входами к выходам соответственно второго и третьего приемных преобразователей, выходом - к входу частотного детектора, выход элемента И-НЕ соединен с вторым входом фазового детектора, выход которого подключен к первому входу блока обработки информации, подсоединенного вторым входом к выходу частотного детектора.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при проведении модальных испытаний элементов сложных конструкций. Цель изобретения - повышение точности за счет адаптивного изменения полосы пропускания в зависимости от спектрального состава сигнала. Применение широкополосного приемного преобразователя и цепи управления частотой задающего генератора позволяет адаптивно менять полосу пропускания в зависимости от спектрального состава сигнала от исследуемого объекта, что повышает точность измерения параметров его вибрации. 3 ил.

(/

0,707

сз„

63

&

«о

/

ы

Фиг. 2