Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений Советский патент 1992 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться, например, в машиностроении.

Известен ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь и фазовый детектор, второй вход которого подключен к входу излучающего преобразователя 1.

При измерении параметров стационарных вибропроцессов измеритель работает в линейном режиме. Однако, на практике чаще имеют место нестационарные вибропроцессы (вибрации станков, энергетических установок, стендовые испытания автомобилей и т.д.), при которых измеряемые параметры высокочастотных сигналов, складываясь с низкочастотными , приводят к смещению рабочей точки на калибровочной кривой детектора и, вследствие этого, к появлению нелинейных искажений.

Кроме этого недостатками измерителя являются узкий динамический диапазон измеряемых виброперемещений, обусловленный нелинейными искажениями выходного сигнала фазового детектора, а также погрешности измерений, возникающие по причине низкочастотных колебаний кронштейна, к которому крепятся излучающий и приемный преобразователи.

Известен также ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, излучающий преобраVJ

сл со

ь о

зователь.взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь, фазовый детектор, второй вход которого подключен к выходу задающего генератора, последовательно содиненные интегратор, АЦП, дифференциатор, выход кбторого через диод соединен с триггером и генератором тактовых импульсов 2.

Недостатком этого измерителя является низкая помехоустойчивость при измере- нии широкополосных вибропроцессов. Устройство не позволяет также производить отстройку информативного вибросигнала от низкочастотных колебаний, действующих на излучатель с приемником от различных побочных источников. Эти процессы значительно затрудняют анализ полученной с помощью измерителя информации.

Наиболее близким по технической сущ- ности к предлагаемому изобретению является ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, управляемую линию задержки с управляющими входами, излучающий преобразователь, взаимодействующий сгиссле- дуемымобъектом,приемный

преобразователь, фазовый детектор, первый вход которого подключен к входу излу- чающегопреобразователя,

аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок обработки информации 3.

Выход фазового детектора соединен с входом компаратора, выход которого соеди- нен с входом коммутатора и вторым входом блока обработки информации. Другие входы компаратора соединены с выходом источника опорного напряжения. Выходы коммутатора соединены с управляющими входами линии задержки.

Недостаток этого измерителя - неустановленное влияние низкочастотных помех, обусловленных колебаниями кронштейна с закрепленными на нем излучающим и при- емным преобразователями.

Производимая в устройстве корректировка рабочей точки путем задержки сигна- ла на время г , соответствующая изменению фазы сигнала на входе фазового детектора на к /4, не позволяет устранить эти помехи, так как разность уровней U2 и DI источника опорного напряжения должна быть не меньше по модулю, чем удвоенная амплитуда колебаний исследуемого объек- та. Вследствие этого выходной сигнал фазового детектора представляет аддитивную смесь двух сигналов - высокочастотного (информационного) и низкочастотного.

, i -j

обусловленного колебаниями кронштейна в

местах крепления излучающего преобразователя и приемного преобразователя.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости ультразвукового фазового измерителя виброперемещений.

Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, управляемую линию задержки с управляющими входами, излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь, фазовый детектор, первый вход которого подключен к выходу линии задержки, а второй вход - к выходу приемного преобразователя, АЦП и блок обработки информации, второй вход которого соединен с выходом АЦП и источником опорного напряжения, снабжен фильтром низкой частоты (ФНЧ), вход которого подключен к выходу фазового детектора и первому входу блока обработки информации, а выход через АЦП подключен к первым входам компаратора, вторые входы которого соединены с источником опорного напряжения, причем выходы компаратора соединены с управляющими входами линии задержки и с вторым входом блока обработки информации.

Благодаря введению ФНЧ выделяется низкочастотная составляющая, значение которой в текущий момент времени представлено цифровым эквивалентом на первых входах компаратора, на вторых входах которого - постоянное число, соответствующее выбранной рабочей точке в середине прямолинейного участка калибровочной характеристики фазового детектора. Величина младшего разряда АЦП соответствует чувствительности фазового детектора и. таким образом, выходной сигнал рассогласования компаратора управляет работой линии задержки.

Оценка положительного эффекта, достигаемого от использования предлагаемого измерителя виброперемещений, обусловлена тем, что благодаря введению фильтра низких частот на выходе фазового детектора исключаются ложные срабатывания компаратора.

На фиг. 1 представлена структурная схема измерителя; на фиг.2 - диаграммы напряжений, поясняющие его работу.

Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений содержит последовательно соединенные задающий генератор 1, линию 2 задержки и излучающий электроакустический преобразователь 3, приемный электроакустический преобразователь 4 и

подключенный к его выходу фазовый детектор 5, второй вход которого соединен с выходом линии 2 задержки, подключенные к выходу фазового детектора 5 последовательно соединенные фильтр 6 низких частот (ФНЧ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, компаратор 8, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 9, модулятор 10 и второй аналого-цифровой преобразователь 11, третий аналого-цифровой преобразова- тель 12 и источник 13 опорного напряжения, выход которого подключен к второму входу компаратора 8, выход последнего подключен к второму входу линии 2 задержки, выход фазового детектора 5 подключен к входу третьего аналого-цифрового преобразователя 12 и к второму входу модулятора 10, а выходы фазового детектора 5, модулятора 10 и второго и третьего аналого-цифровых преобразователей 11 и 12 служат информа- ционными выходами ультразвукового измерителя.

Измеритель работает следующим образом.

Выходной сигнал задающего генерато- ра 1 через линию 2 задержки поступает на излучающий преобразователь 3. Первоначальная задержка сигнала должна соответствовать условию:

RO -(« + -т-)А,

где п - число дискретных изменений фазы, равное числу управляющих входов линии 2 задержки и числу разрядов АЦП 9;

а -длина ультразвуковой волны, В этом случае при смещении объекта на

величину Л R(t) измеритель работа-

ет в линейном режиме. Отраженный сигнал с выхода приемного преобразователя 4 поступает на второй вход фазового детектора 5, на первый вход которого поступает опорный сигнал с линии 2 задержки. Изменяю- щийся по амплитуде выходной сигнал фазового детектора 5 поступает на ФНЧ 6 и одновременно на второй вход модулятора 10. Здесь возможны два случая.

Первый - отсутствие низкочастотной составляющей колебаний, которая действует на места крепления излучающего и приемного преобразователей. В этом случае виброперемещения R(t) исследуемого объекта (фиг.2,а), укладываясь в прямолиней- ный участок калибровочной характеристики Ih(t), на выходе фазового детектора преобразуются в эквивалентный электрический сигнал U2(t). Продолжительность такого режима ti. Следовательно, выходной сигнал

ФНЧ имеет постоянное значение U3(t). Возможные при этом флуктуации выходного сигнала ФНЧ находятся в пределах величины младшего разряда АЦП 7. Тогда цифровой эквивалент отфильтрованного вибросигнала не превосходит по абсолютной величине опорного сигнала источника 13 опорного напряжения, так как величина выходного сигнала источника 13 опорного напряжения соответствует прямолинейному участку калибровочной характеристики фазового детектора 5. Выходной сигнал компаратора 8 в этом случае остается без изменений, линия 2 задержки работает в прежнем режиме и корректировка по фазе не проводится.

Второй случай - с момента времени t2 начинают проявляться низкочастотные сигналы, помехи,обусловленные либо колебаниями кронштейнов в местах крепления преобразователей, либо изменением характера исследуемого вибрационного процесса (фиг.2,6). В этом случае выходной сигнал ФНЧ 6 меняется по абсолютной величине до значения Уз (t), что соответствует младшему разряду АЦП 7. Сигнал рассогласования кодов с выхода компаратора 8, поступая на управляющие входы линии 2 задержки, изменяет время задержки входного сигнала излучающего преобразователя. Время t2 соответствует изменению фазы сигналов на входе фьзового детектора 5 на i, что соответствует порогу его срабатывания и значительно меньше величины л:/4 по сравнению с прототипом. При убывании выходного сигнала ФНЧ б линия 2 задержки меняет фазу на Д( , но уже в обратном направлении. Информация о перемещении объекта с фазового детектора 5 поступает также на вход третьего АЦП 12 и на второй вход модулятора 10.

Сигнал, поступающий с фазового детектора, не содержащий н.ч составляющей, обусловленной либо колебаниями кронштейнов в местах крепления излучающего и приемного преобразователей, либо изменением характера исследуемого вибрационного процесса, не превышает значения Daft) на выходе фильтра. Если н.ч. составляющая обусловлена колебаниями кронштейнов излучающего и приемного преобразователей, она является помехой, от нее нужно избавляться и нет необходимости в ее обработке и регистрации.

Если н.ч. составляющая обусловлена изменением характера исследуемого вибрационного процесса, она является информационным сигналом и необходимо ее обрабатывать и регистрировать.

ЦАП 9 преобразует цифровой код с компаратора 8 в аналоговый сигнал (соответствующий н.ч. составляющей). Модулятор 10 предназначен для модулирования выходного сигнала фазового детектора 5 низкой ча- стоты сигналом с ЦАП 9. На выходе модулятора 10 получают сигнал фазового детектора 5 промодулированной низкочастотной составляющей.

Если низкочастотная составляющая яв- ляется информационной, сигналы для наблюдения, обработки и регистрации снимаются с аналогового или цифрового (АЦП 11) выходов модулятора.

Если низкочастотная составляющая яв- ляется помехой, сигналы для наблюдения, обработки и регистрации снимаются с аналогового или цифрового (АЦП 12) выходов фазового детектора 5.

Формулаизобретения

Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, линию задержки и излучающий электроакустический преобразователь,

приемный электроакустический преобразователь и подключенный к его выходу фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом линии задержки, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, он снабжен подключенными к выходу фазового детектора последовательно соединенными фильтром низких частот, аналого-цифровым преобразователем, компаратором, цифроаналого- вым преобразователем, модулятором и вторым аналого-цифровым преобразователем, третьим ангалого-цифровым преобразователем и источником опорного напряжения, выход которого подключен к второму входу компаратора, выход последнего подключен к второму входу линии задержки, выход фазового детектора подключен к входу третьего аналого-цифрового преобразователя и к второму входу модулятора, а выходы фазового детектора, модулятора и второго и третьего аналого- цифровых преобразователей служат информационными выходами уьтразвукового измерителя,

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться, например, в машиностроении. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости ультразвукового фазового измерителя виброперемещений. В устройстве ультразвуковые зондирующие импуль сыТ Отраженные от поверхности контролируемого изделия, принимаются электроакустическим приемником и преобразуются в цепи, состоящей из фазового детектора, фильтра низкой частоты, аналого-цифрового преобразователя, компаратора, цифроаналогово- го преобразователя и модулятора, второй вход которого подключен к выходу фазового детектора При этом обеспечивается возможность регистрации вибраций изделия в условиях низкочастотных сигналов помех. 2 ил.

9

На осциллограф

ГТХ

(

„J

8

А

13

1

10

П

(

®иг.1

6

tl