Способ измерения вибраций Советский патент 1992 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров механических колебаний с помощью акустических волн.

Известен способ измерения параметров движения с помощью излучаемой и отраженной акустических волн, определяющий скорость движения объекта по доплеровскому сдвигу частоты. При этом считается, что до- плеровский сдвиг частоты Af пропорционален скорости v движения объекта:

Af 2f0v/c,

ельваноских олн.

тров женкорокомуо до- она(D

Сравнивая формулы (2) и (1), видно, что при расчете скорости v по формуле (1) сталкиваются с погрешностью измерения. Это является недостатком способа. Кроме того, в дЗнном способе для определения v нужно дополнительно измерять частоту fo, так как она входит в рабочее выражение (1).

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения амплитуды х0 механических колебаний объекта по доплеровскому сдвигу частоты акустической падающей и отраженной волны. Если вибрация объекта гармоническая, тогда виброскорость изменяется по закону

VI

СП

со го ю

СП

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров механических колебаний с помощью акустических волн. Цель изобретения - повышение точности путем учета нелинейности, возникающей при частотной модуляции акустической волны при отражении. При реализации способа вибрирующего объекта принимают отраженную волну, дифференцируют по времени сдвиг частоты, по характерным интервалам времени, измеренным между экстремальными значениями продифференцированного сигнала с учетом выведенных рабочих соотношений, судят об амплитуде механических колебаний, 1 ил.

где fo - частота излучаемой волны;

с - фазовая скорость распространения волны в среде.

Однако точная формула для расчета до- плеровского сдвига частоты, которая для на- шего случая выводится из известной формулы при Н 0, следующая:

«J i-ч-се

f

v ЧУ x0cos(tt) t),

(3)

где (о- циклическая частота колебаний объекта,

t - время.

Однако и в этом способе закон зависимости Л f от v считают линейным, т.е. в качестве расчетной формулы для определения

х0 принимают формулу (1), и сталкиваются с систематической погрешностью измерения,

Недостатком является то, что нужно дополнительно измерять опорную частоту f0, входящую в расчетную формулу (1).

Целью изобретения является повышение точности путем учета нелинейностей.

Сущность изобретения заключается в том, что при дифференцировании по времени доплеровского сдвига частоты, измерении характерных интервалов времени и определении х0 по формуле (4) представляется возможность повысить точность из-за учета нелинейностей основной зависимости эффекта Доплера (2).

На чертеже представлен характерный ход информативного сигнала, полученного путем дифференцирования по времени доплеровского сдвига частоты (2) при измерении виброскорости по закону (3).

Способ осуществляют следующим образом.

Распространяют акустическую волну в направлении вибрирующего объекта (так, чтобы волновой вектор был коллинеарен вектору виброскорости). Принимают отраженную от объекта волну. Информативный сигнал получают путем дифференцирования по времени доплеровского сдвига частоты. Условно принимают второй экстремум из любой пары ближних соседних экстремумов информативного сигнала за первый. Измеряют интервал времени Ati между первым и n-м экстремумами (п - четное число, п 2: 2) и интервал времени A t между первым и (п+1)-м экстремумами последнего сигнала, а амплитуду колебаний определяют по формуле

Хо

с At

ЯПСОЗ (лп (Ati/At - 1)/2)

где А ctgV n(A ti/ At -1)/2);

с - фазовая скорость распространения волны в среде.

Приведем вывод формулы (4).

Пусть виброскорость объекта изменяется по закону (3). Подставляем v из (3) в выражение (2), получаем зависимость доплеровского сдвига частоты A f от времени t. Полученный A f дифференцируем по времени t и получаем зависимость информативного сигнала от времени t. Для нахождения условия экстремума информативного сигнала, еще раз дифференцируем предыдущую зависимость по времени. Приравниваем в результате этого полученное

выражение нулю и получаем соотношение, связывающее искомую амплитуду механических колебаний х0 с фазой максимума информативного сигнала ( ж)тах. Учитывая

соотношения, связывающие фазу максимума информативного сигнала (ftrtjmax с характерными интервалами времени Аи и At, из предыдущего соотношения выражаем и получаем расчетную формулу способа (4).

В способе предусмотрена возможность по большим интервалам времени (в смысле того, что информация может быть получена не только по одному, но и по любому числу периодов информат; шчого сигнала), проводить расчеты, что также повышает точность измерений.

Для реализации способа использовались УЗК в диапазоне 1 МГц.

С помощью генератора, электрический

сигнал которого усиливался усилителем мощности, и подсоединенного пьезоэлектрического преобразователя облучали УЗ волнами вибрирующий объект. Отраженный сигнал, воспринятый приемным пьезоэлементом, преобразовался им снова в электрический сигнал. Этот сигнал усиливался и поступал на смеситель. На этот же смеситель поступал сигнал от опорной частоты. С выхода смесителя частота результирующего электрического сигнала, равная доплеровскому сдвигу частоты A f, измерялась с помощью цифрового частотомера, подключенного к вычислительному блоку, построенному на базе Электроника-60,

Операции дифференцирования и изменения характерных интервалов времени Ati и At проводились программным образом.

Разработанный способ позволяет в широком диапазоне до нескольких сот м/с измерять виброскорости.

Для определения х0 не надо дополнительно измерять опорную частоту f0, что видно из рабочей формулы (4).

В предлагаемом способе учтены нелинейности (исключены систематические погрешности прототипа), так как рабочая формула (4) выведена из (2) с учетом всех нелинейностей (без приближенных допущений), что повышает точность в среднем 3,2

раза.

Расширен динамический диапазон измерений, так как в предлагаемом способе соотношения точные, в то время как в прототипе из-за принятого допущения линейности

ограничивают динамический диапазон измерений, чтобы не возросли систематические ошибки.

По сравнению с другими известными техническими решениями, например, -способом измерений с помощью пьезоэлектрических датчиков, предлагаемый способ имеет преимущества, связанные с возможностью отдаления измерителя от объекта, а также с возможностью измерения высокого уровня вибраций, при котором контактные пьезопреобразователи обычно разрушаются. Формула изобретения Способ измерения вибраций, заключающийся в том, что на контролируемый объект направляют акустическую волну, регистрируют отраженную акустическую волну, преобразованную в электрический сигнал, детектируют его и по параметрам детектированного электрического сигнала судят о параметрах колебаний объекта, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности путем учета нелинейности, возникающей при частотной модуля0

ции акустической волны при отражении, дифференцируют по времени продетекти- рованный электрический сигнал, определяют временной интервал Ati, между любым из экстремумов полученного сигнала, который принимают за первый, и n-м экстремумом этого сигнала, считая n 2k, где k 1,2,3..., измеряют временной интервал At между Первым и (п+1)-м экстремумами, а амплитуду колебаний объекта определяют по формуле:

х0

с At jzncos лп (Ati/At - 1)751

А

4-,

rfleA (Ati/At- 1)

с - фазовая скорость распространения волны в среде.

20