Устройство для измерения параметров механических колебаний Советский патент 1992 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для анализа спектра, амплитуды и траектории (направления) механических колебаний, и может быть использовано для контроля вибраций, особенно в случае дискретного спектоа кол ебаний и при необходимости отстройки от силовых помех электрического и электромагнитного происхождения.

Известно устройство для измерения частоты и амплитуды механических ко. лебаний, основанное на принципе резо

17321

нанса, содержащее упругую пластину с перемещающимся по ее длине грузиком.

Недостатком этого устройства является невозможность одновременного измерения нескольких частот, а так- же траекторий колебаний. Кроме того, наличие нескольких сопрягающихся деталей в условиях резонанса отрицательно сказывается на точности прибора ,

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения механических колебаний, содержащее основание, предназначенное для установки на контролируемом объекте, и закрепленный на этом основании ряд стальных упругих элементов (пластин), свободные концы которых загнуты в виде флажков Длины пластин неодинаковы, поэтому их собственные частоты различны, Лля определения частоты колебаний прибор укрепляют на исследуемом объекте. Если частота собственных колебаний одной из пластин (заранее известная) становится близкой к частоте измеряемого колебания, то при этом Наступают резонансные колебания этой пластины (увеличенный размах флажка), Это устройство можно применять для измерения частот механических колебаний, оно получило название язычковый частотомер.

Недостатком известного устройства является невозможность измерения амплитуд и траекторий механических колебаний.

Цель изобретения -расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения измерений наряду с частотой и амплитуды колебаний и повышение точности измерений при на1- личии внешних помех электромагнитного происхождения,

Указзнная цель достигается тем, что устройство снабжено источником излучения и экраном, консольно закрепленные на основании,упругие элементы выполнены в виде волокон из оптически прозрачного материала с малым коэффициентом внутреннего трения, например из оптического кварца, жестко закрепленные на основании концы упругих элементов оптически связаны с источником излучения, а свободные концы элементов обращены к экрану, проградуированному по частоте и амплитуде, частотная шкала на экране соответствует собственным

784

(резонансным) частотам упругих элементов, а амплитудная шкала програ1- дуирована в соответствии с формулой

А

- т

1,4 -f-),

(1)

0

5

0

5

0

5

0

5

O

5

где А - отображаемая на экране амплитуда,

х - перемещение основания; 1,$ - длина свободного конца упругого элемента и коэффициент внутреннего трения материала, из которого он изготовлен} L - расстояние от экрана до торца свободного конца упругих элементов.

На фиг,1 представлена принципиальная схема устройства для измерения параметров механических колебаний; на фиг, 2 - то же, вид сбоку, на фиг.З и k - варианты исполнения устройства.

Устройство содержит основание 1, которое предназначено для установки на исследуемый объект (ИО) магнитной присоски, шпильки и т.п.

Упругие элементы 2 (оптические волокна) закреплены консольно на основании 1 перпендикулярно направлению колебаний, С этой же стороны оптических волокон размещен источник 3 излучения, например светодиоды, излучающие в видимом диапазоне. На обоих концах оптического волокна (0В) расположены фокусирующие линзы, полученные методом оплавливания кварца в плазме электрической дуги. На расстоянии L0 от свободного конца оптического волокна 2 перпендикулярно продольной оси покоящегося 0В расположено зеркало , соединенное с основанием 1 шарниром 5, установленным в точке пересечения оптической оси волокна 2 и зеркала и позволяющим поворачивать зеркало k на угол у вокруг оси, перпендикулярной плоскости колебаний волокна 2, и фиксировать его в заданном положении. Экран 6 установлен, например, напротив зеркала А. Все устройство размещено в корпусе 7, который для увеличения коэффициента динамичности (чувствительности) может быть выполнен герметичным и ва- куумирован для уменьшения трения упругих элементов 2 о воздух.

Для улучшения наблюдения служит защитный козырек (бленда) 8. При

5

регистрации (записи) колебаний спектральный диапазон источника 3 излучения выбирается в зависимости от структуры и свойств регистрирующего экрана 9 (выполненного на основе фото- или металлизированной бумаги, системы фотодиодов и др.).

Амплитудные шкалы экранов 6 и 9 уточняются на основе поправок, вносимых при экспериментальном определении чувствительности устройства (например, при установке устройства на вибростенд с эталонными параметрами колебаний),

Выражение (1) может быть получено следующим образом. Видимая амплитуда А (фиг.2), как это следует из геометрических соображений

32178«

амплитуде А на экране в соответствии со шкалой судят об амплитуде колебаний контролируемого объекта. Частоты колебаний определяют в соответствии с положением световых линий - стробое, поскольку каждый элемент настроен на определенную частоту (фиг.2).

Предпочтительно использовать предлагаемое устройство для контроля и диагностики механических колебаний с известным частотным диапазоном, особенно для случая, когда частота внешней электромагнитной помехи равна частоте измеряемых колебаний. Одновременно может быть использовано несколько устройств, каждое из которых настроено на определенный частотный диапазон.

10

15

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля вибраций особенно в случае дискретного спектра колебаний и при необходимости отстройки от силовых помех электрического и электромагнитного происхождения. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения измерений наряду с частотой и амплитуды колебаний и повышение точности измерений при наличии внешних помех электромагнитного происхождения. На основании устройства последовательно установлены источник излучения, консольно закрепленные оптические волокна и Ј экран. Собственная резонансная частота колебаний свободного конца каждого волокна равна заданной величине. Скрепив основание устройства с контролируемым объектом, получают на экране световые изображения, пропорциональные амплитуде (размаху) колебаний свободных концов волокон. Экран пооградуирован по частоте в соответствии с собственными резонансными частотами волокон, а по амплитуде в соответствии с формулой А -х/8 (1 + 1.4L/1), где А - отображаемая на экране амплитуда, х - перемещение основания (контролируемого объекта); 1 - длина свободного конца гибкого элемента (светового волокна) J 8 - коэффициент внутреннего трения материала, из которого изготовлен гибкий элемент; L - расстояние от торца свободного конца волокна до экрана. Наиболее эффективным представляется использование данного устройства для контроля и диагностики механических колебаний с известным частотным диапазоном, особенно для случая, когда частота внешней электромагнитной помехи равна частоте измеряемых колебаний. 4 ил. (Л С

А СО + L tp,q ,

перемещение конца упругого

элемента;

угол поворота сечения. (J малым, положим tg ц ч,

А ч 2 - 1 4. т -W 7 L СО

Выражая Ц) и сЭ через функции Крылова для первой формы колебаний элемента, рассматриваемого как консольная балка , найдем

L h397 к 1Ж4 ,

а г i

Учитывая кинематический характер возбуждения закрепленного конца элемента с амплитудой X , равной амплитуде колебаний объекта, его перемещение (по одномассовой схеме).

(л КдЭе., 1

(5)

где Кл j - коэффициент динамичнос- ,ти на резонансе; О - коэффициент внутреннего

трения элемента,

С учетом СО и (5) выражение (3) принимает вид (1).

Устройство работает следующим образом,

Для измерения механических колебаний объекта (в плоскости фиг. 1) устройство скрепляется с ним основанием 14 Возбуждаются резонансные колебания оптических волокон 2. Излучение от источника 3, проходя через 0В и отражаясь от зеркала Ь, дает изображение (строб) на экране 6. По

(2)

20

Формула иэобретени

30

Устройство для измерения параметров механических колебаний, содержа25 щее основание, предназначенное для установки на контролируемом объекте, и ряд упругих элементов, консольно - закрепленных на основании так, что собственные резонансные частоты коле- баний элементов равны заданным вели- |чинам, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональ- ных возможностей устройства путем обеспечения измерений наряду с частотой и амплитуды колебаний и повы35 шения точности измерений, оно снабжено источником излучения и экраном, упругие элементы выполнены в виде волокон из оптически прозрачного материала с малым коэффициентом

40 внутреннего трения, например из оптического кварца, концы упругих элементов, жестко закрепленные на основании, оптически связаны с источником излучения, а свободные концы

4S элементов обращены к экрану, програ- дуироваиному по частоте в соответствии с -собственными резонансными частотами элементов, а по амплитуде - в соответствии с формулой

50

у (1 + 1,4 -г),

Т

где А - отображаемая на экране амплитуда;

х - перемещение основания (контролируемого объекта); Ј - длина свободного конца упругого элемента;

717321788

Ј - коэффициент внутреннего - расстояние от торца свобод- ния материала, из которогоного конца элемента до экизготовлен упругий элемент;рана,

jr9 Л

6

Фиг.1

х /////////,

77/7

И.

Фиг. 2

/////77//S///77//7/7//////////7/7/

HO

Фиг.З

13

}

-#i

7777S//////

Фиг4