Устройство для бесконтактного измерения параметров вибрации Советский патент 1992 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано для измерения бесконтактным радиоволновым методом параметров вибрации различных изделий, в частности микроминиатюрных изделий электронной техники.

Известно, что с изменением расстояния между бесконтактным средством измерения и исследуемым изделием порог чувствительности, а следовательно, и диапазон измеряемых уровней вибрации могут изменяться.

В известном устройстве увеличение точности и расширение диапазона уровней достигается за счет введения в блок памяти опорных значений сигналов вибросмещения и их последующего сопоставления с сигналами на промежуточных расстояниях.

Однако обеспечение постоянной точности измерений ограничено классом измеря- емых вибропроцессов с постоянными частотами возбуждения, вклад изменения уровней которых в амплитуду опорных сигналов на соответствующих расстояниях превышает вклад за счет изменения рассто- яния, либо при линейном характере таких зависимостей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для бесконтактного измерения параметров вибрации, содержащее последовательно соединенные автогенератор, направленный ответвитель и амплитудный детектор, а также регистратор, вибратор, антенну и оптический видоискатель, оптическая ось которого пересекается с электрической осью рупорного излучателя антенны.

Известное техническое решение позволяет в дальней зоне излучения антенны из- мерятьпараметрывибрации

конструктивно-сложных объектов на частотах вынужденных и резонансных колебаний в широком диапазоне изменения их уровней. Расширение диапазона и увеличение локальной точности измерений достигается расширением порога чувствительности как за счет использования эффекта динамического затягивания частоты автогенератора, так и за счет пространственной юстировки устройства. Юстировку осуществляют посредством совмещения в месте расположения исследуемого элемента геометрической оси рупорного излучателя с оптической осью установленного на рупорном излуча- теле оптического видоискателя, фокусное расстояние которого выбирают равным расстоянию до исследуемого элемента.

Если это расстояние меньше фокусного, изображение поверхности исследуемого элемента является размытым. Наоборот, такое изображение является резким, если расстояние равно или больше фокусного. Визуально наблюдаемые и количественно регистрируемые по амплитуде и частоте колебания имеют отношение к тем элементам поверхности исследуемого элемента, на которые в момент измерений направлен центр перекрестия оптического видоискателя.

Однако достижение минимальной суммарной погрешности измерений за счет проведения измерений на расстояниях, соответствующих фокусному расстоянию системы юстировки, приводит к ряду ограничений, препятствующих широкому использованию известного устройства. Ог- оаничения могут возникать, например, при проведении экспресс-анализа в процессе неразрушающего контроля динамических характеристик конструктивно-сложных изделий электронной техники на расстояниях измерений, отличных от фокусного. Измерения на расстояниях, превышающих конструктивно допустимое фокусное, приводят к необходимости измерений относительных значений уровней вибросмещений на опорных расстояниях и последующего перерасчета на эти расстояния при тех же частотах возбуждения калиброванных уровней вибросмещений, которые соответствуют фокус- ному расстоянию. Сложность учета нелинейного характера таких зависимостей приводит к тому, что суммарная погрешность измерений возрастает.

Цель изобретения - увеличение точности изменений на расстояниях, превышающих фокусное расстояние видоискателя, а также расширение функциональных возможностей за счет измерения расстояния от источника механических колебаний.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее последовательно соединенные автогенератор, направленный ответвитель и амплитудный детектор, а также регистратор, вибратор, антенну и оптический видоискатель, оптическая ось которого пересекается с электрической осью рупорного излучателя антенны, снабжено фазовращателем, последовательно соединенными следящим фильтром и блоком преобразования, последовательно соединенными задающим генератором и усилителем мощности, первый вход следящего фильтра соединен с выходом амплитудного детектора, второй вход - с вторым выходом задающего генератора, а выход - с первым входом регистратора, с вторым входом которого соединен выход блока преобразования, выход регистратора соединен с входом задающего генератора, первый выход которого соединен с вторым входом

блока преобразования, выход усилителя мощности соединен с входом вибратора, вход фазовращателя соединен с выходом направленного ответвителя, а выход-с входом антенны, видоискатель установлен на антенне на вращающемся основании со шкалой отсчета углового смещения оптической оси.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства измерений; на фиг. 2

-использование устройства для измерения параметров вибрации и расстояния от изделия.

На фиг, 2 приняты следующие обозначения: IF - расстояние между изделиями и антенной, соответствующее фокусному расстоянию видоискателя; х - расстояние между изделием и антенной при превышении фокусного расстояния видоискателя; OF и Ох - соответственно точки пересечения оптической оси видоискателя с геометрической осью антенны на расстоянии от изделия, равном или превышающем фокусное расстояние видоискателя; ар и а у.- угловые смещения оптической оси видоискателя.

Устройство (фиг. 1) включает в себя автогенератор 1, направленный ответвитель 2, фазовращатель 3, антенну 4, видоискатель 5, шкалу 6 отсчета углового смещения видоискателя, амплитудный детектор, следящий фильтр 8, регистратор 9, задающий генератор 10, усилитель 11 мощности, вибратор 12, блок 13 преобразования, выпрямитель 14, компаратор 15, логический элемент И 16, формирователь 17, счетчик 18 периодов фазы, преобразователь 19 частота

-напряжение.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение СВЧ-сигнала, излучаемое автогенератором 1, через направленный ответвитель 2 и фазовращатель 3 поступает на вход приемно-излучающей антенны 4, геометрическую ось диаграммы направленности которой ориентируют на исследуемый злемент изделия 20. При воздействии на вход автогенератора 1 прямого и отраженного от изделия 20 сигналов возникают возмущения проводимости системы автодин - нагрузка. Эти возмущения сопровождаются статическим (а при возбуждений механических колебаний - динамическим) затягива- нием частоты сигнала излучения. В результате возникает амплитудно-частотная модуляция напряжения сигнала излучения автодина. Низкочастотную огибающую этого сигнала выделяют на выходе амплитудного детектора 7 и для обеспечения большей избирательности и помехоустойчивости подают на вход следящего фильтра 8. С выхода следящего фильтра 8 напряжение сигнала, несущего информацию об изменении расстояния и параметрах

вибрации изделия, подают на первые входы блока 13 преобразования и регистратора 9. Для выделения информации об изменении расстояния сопоставляют разность напряжений выходных сигналов с выпрямителя 14

и первого выхода формирователя 17 с напряжением порога срабатывания компаратора 15 и формируют сигналы высокого и низкого логических уровней. В случае появления на первом и втором входах схемы

логического элемента И 16 одновременно сигналов высоких уровней соответственно с выхода компаратора 15 и с второго выхода формирователя 17 на входе счетчика 18 периодов фазы возникает напряжение запуекающего импульса. При изменении расстояния от IF до Ix число запускающих импульсов определяется числом периодов фазы сигнала несущей частоты. Синхронизация запуска счетчика 18 с моментами

прохождения фазовых углов, соответствующих максимальным значениям напряжения сигнала детектора 7, осуществляется выходными сигналами формирователя 17. Для этого в блоке 17 формируются короткие выходные импульсы со сдвигом между каналами на время задержки срабатывания схемы блока 13 и с периодами следования напряжения сигнала задающего генератора 10. С выхода счетчика 18 через преобразователь

19 частота - напряжение измеряемый сигнал подают на вход регистратора 9. Возбуждение механических колебаний изделия 20 осуществляют задающим генератором 10 через усилитель 11 мощности на вход вибратора 12. Напряжение сигналов с второго выхода задающего генератора 10 используют для синхронной с изменением частоты возбуждения перестройки частоты следящего фильтра 8. Управление изменением

частоты возбуждения осуществляют напряжением выходного сигнала регистратора 9, которое подают на вход задающего генератора 10. На первом входе регистратора 9 мгновенные значения напряжения измеояемых сигналов вибрации могут быть представлены в виде:

55

Ui(t)A-x(0)Sirb« х 0)-УЈ

Ч)

:„2

А а L- P-Sin р0 J

где х (о) - вибросмещения;

Я - круговая частота вибрации;

А (р0 r,ftte Ро, D, F2, So, L) - коэффициент преобразования по вибросмещению; р0 - фазовый набег сигнала несущей частоты MO в режиме статического затягивания;

г, Ро, Р - соответственно коэффициент отражения и значения мощности сигналов на выходе автодина и отраженных от изделия;

D и F2 - соответственно коэффициент и диаграмма направленности антенны;

So - эффективная отражающая поверхность исследуемого элемента изделия; а - аппаратурный коэффициент.

Учитывая, что в процессе проведения измерений параметры D, F , г Р0, , So const, из соотношений (1) имеем:

а L Р при ро -ту- Л ;

А

I

о

при р0 - k Л f

где ,1,2,...

Максимальные по уровню значения сигналов U i(t) могут быть достигнуты на рассто- яниях измерений между автодином и изделием, равных:

,1...Кр, KF

2f0(lF)-JT

2

) (3)

где Л со и Айл(о)-соответственно диапазоны статического и динамического затягивания частоты излучения (У0;

ро OF)-значение фазового угла р0на расстоянии .

Для расстояний, превышающих фокусное расстояние оптического видоискателя lx IF в пределах порога чувствительности устройства, имеем:

L lF+lxtx(0);

л С г(2Кх + 1), Дй + (о).-1 +иг; ) п

Тоъ1 +

7Г

Кх

(1х)-7Г

(4)

2

0

где р0 (1х) - значение фазового угла р0 (IF) при 1Х IF.

Калибровку и измерения параметров вибрации х(0) и Т соотношения (1) осуществляют, обеспечивая в соответствии с соотношениями (3) и (4) измерения и контроль расстояния L по величине напряжения сигнала, измеряемого на втором входе регистратора 9:

U2Oo) mL

(5)

15

20

25

30

(о) 35

40

где гп - постоянная величина, соответствующая коэффициенту преобразования по расстоянию.

Контроль величины расстояния Ix реализуют блоком 13 преобразования (отсчет грубо), которую уточняют фазовращателем 3 (отсчет точно), обеспечивая величину сигнала Ui(t) (t)max. Установив устройство на расстоянии от изделия и сориентировав о; тическую ось юстировочной системы и диаграмму направленности антенны на исследуемый элемент (точка OF на фиг. 2), с помощью фазовращателя 3 при заданных значениях уровней и частот возбуждения осуществляют настройку измерительного тракта на напряжения сигналов на входах регистратора 9, соответствующих значениям:

Ui(t)4Jlmax(t) И U2(pb)U2 po( Ix)

и определяют калиброванные значения Xk(0, IF) и AI(|F) при# $к, При тех же условиях возбуждения, удаляя устройство от изделия на расстояние lx IF и обеспечивая напряжение сигналов Lh(t) на максимальных уровнях, устанавливают соответствие измеряемых значений с калиброванными:

Х(0,1Х) П -Xk( O.lx) }

45

где

Ul(OJx)A(lF)

Ч ЩШ Ж(Т7)

По величине напряжения сигналов U2( определяют расстояние х в относительных значениях расстояния IF, калиброванного в целых длинах волн частота сигнала ш0

lx Ј IF

где

СЕ||зДТ 1

Полагая, что х (0) ,„ , в соответст(Оо

вии с фиг. 2 имеем;

L lx+ f sinap

«х arctg (1 + г

Ix

;)

(()

PCOS CCFJ

Из соотношений (6) на основании измеренных значений Ix и известных параметров F и а р юстировочной системы определяют угловое смещение оптической оси а, которое устанавливают по шкале 6. Элемент изделия, на который в результате выполненных операций будет направлен центр перекрестия оптического видоискателя 5 (точка Ох на фиг. 2), соответствует исследуемому. В результате непрерывного контроля расстояния и высокого уровня порога чувствительности предлагаемое устройство по сравнению с известным позволяет проводить калибровку и измерения параметров вибрации с высокой локальной точностью и чувствительностью на расстояниях, превышающих фокусное расстояние видоискателя системы юстиррвки; одновременно с измерением параметров вибрации измерять и контролировать расстояние между автодином и изделием; проводить высококачественный экспресс-анализ при неразрушающем контроле параметров вибрации различных конструктивно-сложных изделий электронной техники.

При испытаниях изделий с резонансными частотами в диапазоне частот вибрации 10-3000 Гц и использовании в качестве автогенератора ГМПД миллиметрового диапазона длин волн погрешности измерений вибросмещения не хуже ± 1% в диапазоне

Y-З

уровней 20 - 10 мм, расстояния до мкм в пределах 110-750 мм.

Формула изобретения

10

15

20

25

30

35

40

Устройство для бесконтактного измерения параметров вибрации, содержащее последовательно соединенные автогенератор, направленный ответвитель и амплитудный детектор, регистратор, вибратор,антенну с рупорным излучателем и оптический видоискатель, оптическая ось которого пересекается с электрической осью рупорного излучателя антенны, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности измерений на расстояниях, превышающих фокусное расстояние видоискателя, а также расширения функциональных возможностей за счет измерения расстояния от источника механических колебаний, оно снабжено фазовращателем, последовательно соединенными следящим фильтром и блоком преобразования, последовательно соединенными задающим генератором усилителем мощности, первый вход следящего фильтра соединен с выходом амплитудного детектора, второй вход - с вторым выходом задающего генератора, а выход - с первым входом регистратора, с вторым выходом которого соединен выход блока преобразования, выход регистратора соединен с входом задающего генератора, первый вход которого соединен с вторым входом блока преобразования, выход усилителя мощности соединен с входом вибратора, вход фазовращателя соединен с выходом направленного ответвителя, а выход- с входом антенны, видоискатель установлен на антенне на вращающемся основании со шкалой отсчета углового смещения оптической оси.

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано для измерения бесконтактным радиоволновым методом параметров вибрации различных микроминиатюрных изделий электронной техники. Целью изобретения является увеличение точности измерения на расстояниях, превышающих фокусное расстояние видоискателя, а также расширение функциональных возможностей за счет измерения LU-ULJl u расстояния от источника механических колебаний. Видоискатель 5 установлен на антенне 4 на вращающемся основании со шкалой 6 отсчета углового смещения оптической оси. Устройство содержит фазовращатель 3, подключенный входом на второй выход направленного ответвителя 2, а выходом - на вход антенны 4, следящий фильтр 8, подключенный первым входом на выход амплитудного детектора 7, вторым входом на второй выход задающего генератора 10, первый выход которого подключен на второй вход блока 13 преобразования фаза- расстояние.ипоследовательно соединенные усилитель мощности 11 и вибратор 12, первый вход регистратора 9 подключен к выходу следящего фильтра 8 блока 13 преобразования и первому входу Фаза-расстояние, выход которого подключен на второй вход регистратора 9, подключенного выходом на вход задающего генератора 10, выход автогенератора 1 подключен на вход направленного ответвителя 2. 2 ил. Л А (Л 2 О Ю SQ ел

777ТГПТ77Т #teЈ

И

X

20