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 электромагнитных волн.

Известен способ измерения параметров движения с помощью излучаемой и от- раженной электромагнитных волн, определяющий скорость движения объекта по доплеровскому сдвигу частоты, При этом считается, что доплеровский сдвиг частоты Д f пропорционален скорости v движения объекта.

ДГ 2Г0у/Уф,

(D

где f0 - частота излучаемой волны;

УФ - фазовая скорость распространения волны в среде.

Однако точная формула для расчета сдвига частоты, которая выводится из известной формулы при Н щей:

0, является следую-

(2)

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 данном способе, для определения v нужно дополнительно измерять частоту f0, так как она входит в рабочее выражение (1).

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

-ч

СП

со ю ю о

V (О Х0 COS ( О) 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 также 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 хара стерных 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 изменении виброскорости по закону (3).

Способ осуществляют следующим образом.

Распространяют электромагнитную волну в направлении вибрирующего объекта (так, чтобы волновой вектор был колине- арен вектору виброскорости). Принимают отраженную от объекта волну. Информативный сигнал получают путем дифференциро- вания по-времени доплеровского сдвига частоты. Условно принимают второй экстре- мум из любой пары ближних соседних экстремумов информативного сигнала за первый. Измеряют интервал времени Аи между пер- , е.ым n-тым экстремумами (п - четное число, п 2) и интервал времени At между первым и(п+1)-м экстремумами последнего сигнала, а амплитуду колебаний определяют по формуле:

.(-l+vi-HAfA + ZD

так {яп (Ati/At - y2)zp+A)

«,

где А ctgVn(Ati/At -1)/2;

уф-фазовая скорость распространения волны в среде.

Приведем вывод формулы (4).

Пусть виброскорость объекта изменяется по закону (3). Подставляем v из (3) в выражение (2), получем 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 сдвига еще раз дифференцируем лредыдущую зависимость по времени. Приравниваем в результате этого полученное выражение нулю и получаем соотношение, связывающее искомую амплитуду механических колебаний хо с фазой максимума информативного

сигнала (wt)max . Учитывая соотношения, связывающие фазу максимума информативного сигнала (a)t)max с характерными интервалами времени Ati и At, из предыдущего соотношения выражмвм х0 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 информативного сигнала), что также повышает точность измерений.

Для реализации способа использовались радиоволны в СВЧ-диапазоне( Я 6 см). Для реализации способа может быть применена

классическая схема реализации, Генератор СВЧ, в качестве которого применена лампа обратной волны типа С094. с помощью передающей антенны облучал гармонически вибрирующий объект. Отраженный сигнал,

воспринятый приемной антенной, поступал на смеситель, построенный на основе гер- манического диска Д403В. На этот же ситель поступал сигнал от СВЧ-генерато ра, С выхода смесителя частота результирующего электрического сигнала, равная допле- ровскому сдвигу частоты A f, измерялась с помощью цифрового частотомера, подключенного к вычислительному блоку, построенному на базе Электроника-60. Операции

дифференцирования и измерения характерных интервалов времени A ti и A t проводились программным образом. Примененный радиоволновой измеритель позволяет в широком диапазоне до 10 км/с измерять виброскорости.

Предлагаемый способ имеет следующие преимущества:

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 3.8 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 возрастали систематические ошибки.

По сравнению с другими известными техническими решениями, например, с помощью пьезоэлектрических датчиков, предлагаемый способ имеет преимущества, связанные с возможностью значительного отдаления измерителя от объекта (до десятков километров), а также с возможностью измерения высокого уровня вибраций, при котором контактный пьезопреобразователи обычно разрушаются.

Формула изобретения Способ измерения вибраций, заключающийся в том, что на контролируемый объект направляют электромагнитную волну, регистрируют отраженную электромагнит- нуга врлну, детектируют зарегистрированный сигнал и по параметрам продетектированного электрического сигнала судят о параметрах колебаний объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности путем учета нелинейности, возникающей при частотной модуляции электромагнитной волны при отражении, дифференцируют по времени продетекти- рованный электрический сигнал, определяют временной интервал Д ti между любыми из экстремумов полученного сигнала, который принимают за первый, и n-м экстремумом этого сигнала, где n 2k, при k 1,2,3..., измеряют временной интервал A t между первым и (п+1)-м экстремумами, а мплиту- ду определяют по формуле

-14 ЗЖ+гп

2frocr

лпсоз (лл (Л11/Л1 - 1X2)

где А ctg л n (Att/At -1)

УФ - фазовая скорость распространения волны в среде.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений параметров механических колебаний с помощью электромагнитных волн. Цель изобретения - повышение точности путем учета нелинейности возникающей при частотной модуляции электромагнитной волны при отражении. При реализации способа распространяют электромагнитную волну в направлении 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,