Устройство для измерения фазочастотных характеристик механических колебаний Советский патент 1992 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений фазочастотных характеристик механических колебаний.

Известно устройство для измерения фазочастотных характеристик механических колебаний, содержащее источник излучения, вибратор, генератор, подключенный к вибратору, фазометр, интерференционную схему.

Недостатком данного устройства является большое количество оборудования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения фазочастотных характера стик механических колебаний, содержащее генератор, вибратор, источник монохроматического света, интерферометр типа Майкельсона,фотопреобразователь, узкополосный фильтр, фазометр/причем выход генератора соединен с вибратором, излучение источника монохроматического света направлено в интерферометр типа Майкельсона, где оптическая разность хода света промодулирована вибратором, а движущаяся интерференционная картина направлена на фотопреобразователь, выход которого через узкополосный фильтр, настроенный на частоту генератора, соединен с первым входом фазометра, на второй вход которого подано опорное напряжение.

Недостатком этого устройства является ограниченный динамический диапазон. Так, амплитуда первой гармоники сигнала на выходе фотопреобразоватеяя определяется выражением

Ui Umtcos (do)li(pA),

где Umi - постоянная;

А- длина волны излучения монохроматического источника света;

д0- начальная оптическая разность хода света в интерферометре;

l.i(x).- функция Бесселя 1-го рода 1-го порядка от аргумента X;

А-амплитуда механических колебаний. В связи с тем. что с ростом аргумента функция Бесселя быстро убывает, при амплитудах механических колебаний, удовлетворяющих условию А (5-10) А, амплитуда первой гармоники становится сравнимой с уровнем шумов, что делает невозможным использование этого устройства при таких амплитудах механических колебаний.

Цель . изобретения - расширение динамического диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения фазочастотных

характеристик механических колебаний, содержащее генератор, вибратор, источник монохроматического света, интерферометр типа Майкельсона, фотопреобразователь,

узкополосный фильтр, причем выход генератора соединен с вибратором, излучение источника монохроматического света направлено в интерферометр типа Майкельсона, где оптическая разность хода света

0 промодулирована вибратором, а движущаяся интерференционная картина направлена на фотопрёобразователь, выход которого через узкополосный фильтр соединен с первым входом фазометра, введены дифферен5 цирующий усилитель, первый и второй двухполупериодные выпрямители, дополнительный узкополосный фильтр, инвертирующий усилитель, причем оба узкополосных фильтра настроены на часто0 ту вдвое большую, чем частота генератора, дифференцирующий усилитель и первый двухполуп зриодный выпрямитель включены между фотопреобразователем и основным узкополосным фильтром так, что выход

5 фотопреобразователя соединен с входом дифференцирующего усилителя, выход которого соединен через первый двухполупе- риодный выпрямитель с входом основного узкополосного фильтра, а второй двухполу0 периодный выпрямитель, дополнительный узкополосный фильтр и инвертирующий усилитель включены между генератором и вторым входом фазометра так, что вход генератора соединен с входом двухполупери5 одного выпрямителя,, выход которого соединен с входом дополнительного узкополосного фильтра, выход которого через инвертирующий усилитель соединен с вторым входом фазометра.

0 На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройства для измерения фазочастот5 ных характеристик механических колебаний состоит из генератора 1, вибратора 2, источника 3 монохроматического света, интерферометра 4 типа Майкельсона, фотопреобразователя 5, дифференцирующего

0 усилителя 6, первого 7 и второго 8 двухполу- периодных выпрямителей, основного 9 и дополнительного 10 узкополосных фильтров, настроенных на частоту вдвое большую, чем частота генератора 1, инвертирующего уси5 лителя 11 и фазометра 12, причем выход генератора 1 соединен с вибратором 2, излучение источника 3 монохроматического света направлено в интерферометр 4 типа Майкельсона, где оптическая разность хода света промодулирована вибратором 2, а

движущаяся интерференционная картина направлена на фотопреобразователь 5, выход которого соединен с первь.м входом фазометра 12 через дифференцирующий усилитель 6, первый дпухпочупериодный выпрямитель 7 и основ юй узкополосный фильтр 9, а выход генератора 1 соединен с вторым входом фазометра 12 через второй двухполупериодный выпрямитель 8. дополнительный узкополосный фильтр 10 и инвертирующий усилитель 11.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 возбужд ет гармонические механические колебания вибратора 2. При помощи источника 3 монохроматического света и интерферометра 4 тип. Майкельсо- на, где оптическую разнпсть хода света модулирует вибратор 2, формируется движущаяся интерференцирнная картина, которая воздействует на фотопреобразователь 5.

Механические колебания вибратора 2 описываются выражением (фиг, 2а)

S(t) Acos( ca t),

где А - амплитуда механических колебаний; ay- круговая частота механических колебаний.

Тогда напряжение н,- выходе фотопреобразователя 5 определяется формулой (фиг. 26).

иф -Uo + UmCtfsf f 5о + 2 pAcos().

где Do, Um - постоянные.

Напряжение на выходе дифференцирующего усилителя 6 (фи/. 2в)

U. - Um 2 А ш sinf (о t)-s In iЈ do + f A COS (a) t)

Напряжение на выходе первого двухпо- лупериодного выпрямителя 7 (фиг. 2г) определяется выражением

U.1-IV2 2pAa(sln(ut) () fstnfl A, + 2- Acos().

Отсюда видно, что L B1 - чэтная периодическая функция, следозательно, в ее разложении в ряд Фурье присутствуют только косинусные составляющие.

Таким образом, как РЙДНО из фиг. 2г, а также, как показывают расчетм и экспериментальные данные, напряжение на выходе основного узкополосного фильтра 9 определяется выражением

Цф1 ишф1С08 (2 ftM+л).

Если напряжение на ыходл генератора 1 описывается выражен; ем (ф-т. 2д)

UreUEmCOS (yt+f,

где измеряемый сдвиг фаз, то на выходе второго двухполупериодного выпрямителя 8 напряжение имеет вид (фиг. 2е) UB2 Ume2 lcos( Q)).

Вторая гармоника этого напряжения, выделяемая дополнительным узкополосным фильтром 10, определяется выражениемО .

Уфа итф2 со s(2 cot+2$.

Таким образом, напряжение на выходе инвертирующего усилителя 11 определяется выражением

ии итф2соз (2 (о t + 2 р + л}.

Фазометр 12 показывает сдвиг фаз между напряжениями Кф1 и ии, равный W 2 р, откуда: р - У II.

Расчеты и эксперимент показывают, что при условии А Я амплитуда иф1 второй

гармоники сигнала UBI практически не зависит от амплитуды механических колебаний и составляет приблизительно 13% от амплитуды напряжения на выходе дифференцирующего усилителя 6. Это позволяет

расширить динамический диапазон устройства в сторону больших значений амплитуд механических колебаний.

Формула изобретения

Устройство для измерения фазрчастот- ных характеристик механических колебаний, содержащее последовательно соединенные оптически связанные генератор частоты f и вибратор, источник монохроматического света, интерферометр и фотопреобразователь, первый узкополосный фильтр, фазометр, вибратор установлен по ходу светового потока рабочего плеча интерферометра, о т л и ч а ю щ е е с я тем,

что, с целью расширения динамического диапазона измерений, оно снабжено последовательно соединенными дифференцирующим усилителем и первым двух- полупериоднымвыпрямителем,

последовательно соединенными вторым двухпрлупериодным выпрямителем, вторым узкополосным фильтром и инвертирующимусилителем,выход фотопреобразователя соединен с входом

дифференцирующего усилителя, вход первого узкополосного фильтра соединен с выходом первого двухполупериодного выпрямителя, выход - с первым входом фазометра, с вторым входом которого соединен выход инвертирующего усилителя, вход второго двухполупериодного выпрямителя соединен с выходом генератора частоты f, a первый и второй узкополосные фильтры настроены на частоту 2f.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений фазочастотных характеристик механических колебаний. Целью изобретения является расширение динамического диапазона измерений. Контроль механических колебаний вибратора 2 производится интерферометром 4. С выхода фотопреобразователя 5 сигнал поступает на вход дифференциатора 6, затем из выпрямленных сигналов вибратора 2 и генератора 1 частоты f узкополосными фильтрами 9 и 10 выделяются сигналы частоты 2f, которые анализируются фазометром 12. В результате фильтрации выделяется синусоидальный сигнал двойной частоты, жестко привязанный по фазе к механическим колебаниям, но с большой амплитудой/что позволяет производить измерения на больших амплитудах механических колебаний. 2 ил. чи Ј Ч ГО Ј .&. v4

Ш.}Ш 1Фиг. 2