Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B17/00 

XI

а

Ј

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения вибраций. Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых виброперемещений. Цель обеспечивается за счет использования задающего генератора 1, частота которого больше частоты излучаемой в направлении объекта 3 ультразвуковой волны, что в совокупности с управляемым делителем частоты 6 позволяет создать управляемый фазовращатель 11, имеющий такую дискретно изменяемую величину фазового сдвига, которая обеспечивает нахождение рабочей точки фазового детектора 8 на линейном участке его фазовой характеристики и тем самым обеспечивает проведение измерений в заданном диапазоне вибропере

Фиг Л

чещений. При выходе рабочей точки фазового детектора 8 за пределы линейного участка его амплитудной характеристики, что соответствует совпадению сигнала с выхода одновибратора 7 с одним из сигналов формирователей 12,13 одиночных импульсов, на выходе блока 14 совпадения появляется сигнал, по которому фронт сигнала с выхода второго делителя 7 частоты устанавливается по отношению к фронту сигнала с выхода

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения вибраций в различных отраслях народного хозяйства: машиностроении, судостроении, самолетостроении.

Известен ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений 1. Этот измеритель содержит последовательно соединенные задающий генератор, излучающий преобразователь, приемный преобразователь, регулируемый фазовращатель и фазовый детектор, второй вход которого подключен к выходу задающего генератора, а регулируемый вход фазовращателя подсоединен к потенциометру, позволяющему плавно изменять фазу фазовращателя.

Известен ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений 2, частично решающий поставленную задачу, поскольку автоматически устанавливает положение рабочей точки. Этот измеритель содержит последовательно соединенные задающий генератор, излучающий преобразователь, приемный преобразователь, фазовый детектор, выход которого подключен к блоку обработки информации и компаратору, другой вход которого соединен с источником опорного напряжения. Выход компаратора подключен ко второму входу блока обработки информации и ко входу коммутатора, выход которого подключен к управляющим входам линии задержки, включенной между задающим генератором и излучающим преобразователем. Выход линии задержки подключен также к одному из входов фазового детектора, другой вход которого подключен к выходу приемного преобразователя.

Известен ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений 3, частично решающий поставленную задачу, поскольку имеет высокую помехоустойчивость. Этот измеритель содержит последовательно соединенные задающий генератор и излучающий преобразователь, а также приемный преобразователь, соединенный с первым входом фазового детектора, второй вход коделителя 5 частоты с погрешностью, не превышающей значения 2 л /N.N0, что обеспечивает установление рабочей точки фазового детектора 8 на линейном участке его амплитудной характеристики, обеспечивая тем самым проведение измерений в за- данном диапазоне перемещений, определяемом выбором коэффициента деления N. 2 ил.

торого соединен с выходом управляемого фазовращателя. Сигнальный вход указанного фазовращателя соединен с выходом задающего генератора, а управляющий вход с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом фазового детектора.

В качестве прототипа выбран ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений 4, совпадающий с изобретением

по большему числу конструктивных признаков и обладающий лучшими техническими характеристиками, нежели вышеуказанные. Этот измеритель содержит задающий генератор, соединенный с излучающим преобразователем,последовательно

соединенные приемный преобразователь, первый делитель частоты, фазовращатель и фазовый детектор, выход которого подключен к блоку обработки информации и второй

делитель частоты, вход которого подключен к задающему генератору, а выход - ко второму входу фазового детектора, причем управляющие входы обоих делителей частоты соединены, два формирователя одиночных

импульсов, входы которых подключены к выходу второго делителя частоты, одноеиб- ратором и схемой совпадения, реализующей функцию 2-2И-2ИЛИ, выход которой подключен к управляющим входам делителей частоты, при этом вход одновибратора подключен к выходу фазовращателя, а его выход подключен к одному из входов каждой схемы 2И, другие входы схем 2И соеди- нены с выходами формирователей

одиночных импульсов соответственно.

Недостатком измерителя является ограниченный диапазон измеряемых виброперемещений, обусловленный тем, что для обеспечения высокой помехоустойчивости

0 в измерителе используются делители частоты, коэффициент N деления которых не может быть меньше определенной величины. Как следует из логики работы указанных делителей, минимально возможное значение

5 N, обеспечивающее при воздействии низкочастотных помех установку положения ра бочей точки фазового детектора на

линейном участке его амплитудной характеристики, равно 8 Это значит, что по сравне- нию с измерителем, производящим фазовые измерения на частотах более, чем f / у, где f - частота излучаемой ультразвуковой волны, при условии одинаковости амплитудных диапазонов фазовых детекторов, измерение виброперемещений (и особенно микроперемещений) будет производиться с меньшей чувствительностью и, следовательно, меньшей точностью измерений. Данный измеритель не позволяет проводить измерения фазовых сдвигов на частоте, равной частоте излучаемой ультразвуковой волны

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых виброперемещений за счет использования задающего генератора, частота которого больше частоты излучаемой ультразвуковой волны, что в совокупности с управляемым делителем частоты, коэффициент деления которого выбран определенным образом, позволяет создать управляемый фазовращатель, име- ющийтакую дискретно изменяемую величину фазового сдвига, которая обеспечивает нахождение рабочей точки фазового детектора на линейном участке его фазовой характеристики и тем самым обеспечивает проведение измерений в заданном диапазоне виброперемещений.

Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений , содержащий задающий генератор , излучающий и приемный преобразователи, первый и второй делители частоты, один из которых входом соединен с выходом приемного преобразователя, а второй - с выходом задающего генератора, блок совпадения, выходом соединенный с управляющим входом второго делителя частоты, фазовращатель, два формирователя одиночных импульсов, выходы которых соединены соответственно с первым м вторым входами блока совпадения, одновибра- тор, выходом соединенный с третьим и четвертым входами блока совпадения, и последовательно соединенные фазовый детектор и блок обработки информации, а входы формирователей одиночных импульсов и первый вход фазовою детектора объединены, снабжен третьим делителем частоты, входом соединенным с выходом задающего генератора, а выходом - с входом излучающего преобразователя, вход фазовращателя соединен с выходом второго делителя частоты, а выход - с точкой объединения формированной одиночных импульсов, выход первого л MI i елч частоты соединен с входом однрвиГ г чп:р i и вторым

входом фазового детектора, а коэффициент деления второго делителя частоты равен

50 произведению коэффициентов деления первого и третьего делителей частоты.

На фиг.1 приведена блок-схема измерителя, на фиг.2 - диаграммы напряжений, поясняющие процесс восстановления рабо55 чей точки фазового детектора на заданном линейном участке его амплитудной характеристики при выходе ее за пределы указанного участка:

а)напряжение Ui(t) на выходе задающего генератора;

б)напряжение U2(t) на выходе третьего делителя частоты (N0 4);

в)напряжение 1)з(т) на выходе второго делителя частоты (N0 4. N 2);

5г) напряжение U4(t) на выходе фазовращателя:

д,е) напряжения Us(t), Ue(t) на выходах формирователей одиночных импульсов соответственно;

0ж) напряжение Uy(t) на выходе приемного преобразователя;

з) напряжение Usft) на выходе первого делителя частоты;

и) напряжение Ug(t) на выходе одновиб- 5 ратора:

к) напряжение Uio(t) на выходе блока совпадения;

л) напряжение Un(t)Ha выходе фазового детектора.

0Ультразвуковой фазовый измеритель

виброперемещений содержит задающий генератор 1, излучающий преобразователь 2, излучающий ультразвуковую волну в направлении объекта 3, приемный преобразо- 5 ватель 4, первый и второй делители 5,6 частоты, один из которых входом соединен с выходом приемного преобразователя 4, а другой - с выходом задающего генератора 1, одновибратор 7, последовательно соеди- 0 ненные фазовый детектор 8 и блок 9 обработки информации, а также третий делитель 10 частоты, фазовращатель 11, два формирователя 12,13 одиночных импульсов и блок 14 совпадения. Третий делитель 10 частоты 5 входом соединен с выходом задающего генератора 1, а выходом - с входом излучающего преобразователя 2. Вход фазовращателя 11 соединен с выходом второго делителя б частоты, а выход - с точкой 0 объединения входов формирователей 12,13 одиночных импульсов и первого входа фазового детектора 8. Выходы формирователей 12.13 одиночных импульсов соединены соответственно с первым и вторым входами 5 блока 14 совпадения третий и четвертый входы которого соединены с выходом одно- вибратора 7, а выход с управляющим вхоом второго делителя 6 частоты. Выход пер- oto делителя 5 частоты соединен с входом дновибратора 7 и вторым входом фазового елителя 8, а коэффициент деления второго елителя 6 частоты равен произведению коффициентов деления первого и третьего елителей 5,10 частоты.

Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений работает следующим образом.

Выходной сигнал Ui(t) задающего генератора 1 (см. фиг.2а) поступает на вход делителя 10 частоты, имеющего коэффициент No деления частоты и вход делителя 6 частоты, имеющего коэффициент N.N0 деления частоты. Для определенности будем считать, что деление частоты происходит по отрицательному перепаду сигналов, а коэффициенты деления делителей 10,5 частоты равны: No 4,,N 2. Сигнал U2(t) с выхода делителя 10 частоты (см. фиг.26) поступает на излучающий преобразователь 2, излучающий ультразвуковую волну в направлении обьекта 3. Отраженная от поверхности колеблющегося объекта 3 ультразвуковая вол- напринимаетсяприемным

преобразователем 4. Сигнал U(t) с выхода приемного преобразователя 4 подается на делитель 5 частоты, с выхода которого сигнал Us(t) частоты f/N (см. фиг.2з) поступает на одновибратор 7 и второй вход фазового детектора 8. Одновибратор 7 формирует по отрицательному перепаду сигнала Ue(t) короткий импульс Ug(t) (см. фиг.2и). Сигнал Ug(t)c выхода одновибратора 7 поступает на один из входов каждой схемы 2И блока 14 совпадения, реализующего функцию 2-2И- 2ИЛИ. Сигнал 1)з(1) с выхода делителя 6 частоты (см.фиг.2в) поступает на вход фазовращателя 11, изменяющего фазу сигнала на постоянную величину р (см.фиг.2г). Сигнал L)4(t) с выхода фазовращателя 11 поступает на первый вход фазового детектора 8 и формирователи 12 и 13 одиночных импульсов формируют на своих выходах сигналы Us(t) и Ue(t), длительность и время появления которых (см. фиг.2д,е) соответствуют нахождению сигнала с одно- вибратора 7 на нелинейном участке амплитудной характеристики фазового детектора 8.

Сигналы Us(t) и Ue(t) с формирователей 12 и 13 одиночных импульсов, формирующие временные интервалы, в пределах которых измеритель имеет низкую точность измерений, поступают на другие входы схем 2И схемы совпадения 2-2И 2ИЛИ. Сигнал с выхода блока 14 совпадения 2 -2И- 2ИЛИ подается на управляющий оход делителя 6 частоты.

В случае нахождения рабочей точки фазового детектора 8 на линейном участке его амплитудной характеристики, что соответствует нахождению сигнала с выхода одновибратора 7 в пределах, ограниченных сигналами с формирователей 12,13 одиночных импульсов, делитель 6 непрерывно делит частоту поступающего на него сигнала, а фазовый детектор 8 с высокой точностью

0 измеряет сдвиг фаз между поступающими на него сигналами. Блок 9 обработки информации регистрирует соответствующие измеренному сдвигу фаз виброперемещения обьекта 3 (см, фиг.2л).,,

5 Любой выход рабочей точки фазового детектора 8 за пределы линейного участка, ограниченного уровнями V0 и Vi (см. фиг.2л) соответствует во временной области совпадению сигнала с выхода одновибратора 7 с

0 одним из сигналов формирователей 12 и 13 одиночных импульсов. В случае их совпадения на выходе блока 14 совпадения 2-2И- 2ИЛИ появляется сигнал Uio(t) (см. фиг.2и), поступающий на управляющий вход делите5 ля 6 частоты и прекращающий его работу. Это приводит к последовательному пропаданию сигнала на выходе фазовращателя 11, формирователей 12,13 одиночных импульсов и блока 14 совпадения. После про0 падания сигнала на управляющем входе делителя б частоты, он снова, по отрицательному перепаду, начинает деление частоты поступающего на него сигнала 1)зМ(см. фиг.2в). При этом отрицательный перепад

5 сигнала 1)з(т.) с выхода делителя 6 частоты устанавливается по отношению к отрицательному перепаду сигнала Ue(t) с задержкой по фазе на величину, не превышающую Д 2 лг/N NO(CM. фиг.2в,з).- Фазовраща0 тель 11 сдвигает фазу поступающего на него сигнала на постоянную величину р (см. фиг.2в,г). При этом сигнал с выхода одно- вибратора 7 располагается в середине между сигналами с выхода формирователей

5 12,13 одиночных импульсов, а на входах фазового детектора 8 устанавливается сдвиг фаз, обеспечивающий нахождение рабочей точки на линейном участке его амплитудной характеристики (см. фиг,2л) и обеспечиваю0 щий этим самым проведение измерений с высокой точностью.

Причем выбором величины N обеспечивается оптимальный выбор диапазона измеряемых виброперемещений, а выбором

5 величины N0 обеспечивается его высокая помехоустойчивость. Поскольку N.N0 может быть выбран достаточно большим (несколько десятков), влияние вносимого в первона чальный сдвиг р дополнительного сдвига

Д р на точность измерений не сказывается. Следует отметить, что изобретение сохраняетвседостоинстваустройства-прототипа, в частности высокое быстродействие. Как и в устройстве- прототипе в данном устройстве сравнение временного положения сигнала с одновиб- ратора 7 с сигналами с выходов формирователей 12 и 13 одиночных импульсов происходит каждый период частоты f/N, в априорно установленные моменты времени, что позволяет обеспечить максимально возможное (практически за время, определяемое быстродействием используемых цифровых микросхем) время установки ап- риорно заданного сдвига фаз на входах фазового детектора 8 и, поскольку информационные сигналы снимаются с его входов, исключается возможность влияния сигнала с выхода фазового детектора 8 на формирование сигнала установки, одновременно обеспечивая этим высокую помехоустойчивость электрической схемы измерителя (отсутствие самовозбуждения).

Достоинством изобретения по сравне- нию с прототипом является то, что при прочих равных условиях (одинаковом N) установка положения рабочей точки на амплитудной характеристике происходит более точно. Если в прототипе величина ошибки не превосходит значения 2 я / N, то в заявленном устройстве она меньше 2 я / N N0 Это значит, что положение поверхности, относительно которого проводится измерение перемещений по- верхности, соответствующее нулю амплитуднойхарактеристики,будет устанавливаться с меньшим разбросом значений, что, например, важно при проведении измерений инфранизкочастотных перемещений. Такие измерения проводятся, например, при измерении стабилограмм тела человека, исследовании изменения объема сосудов (вен, артерий), отека конечностей (руки, ноги человека) и др., которые являются диагностическими признаками состояния биологических объектов. Формула изобретения Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, содержащий задающий генератор, излучающий и приемный преобразователи, первый и второй делите- л и частоты, первый делитель частоты входом соединен с выходом приемного преобразователя, а второй - с выходом задающего генератора, блок совпадения, выходом соединенный с управляющим входом второго делителя частоты, фазовращатель, два формирователя одиночных импульсов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока совпадения, одновибра- тор, выходом соединенный с третьим и четвертым входами блока совпадения, и последовательно соединенные фазовый детектор и блок обработки информации, а входы формирователей одиночных импульсов и первый вход фазового детектора объединены, отличающийся тем, что. с целью расширения диапазона измеряемых виброперемещений, он снабжен третьим делителем частоты, входом соединенным с выходом задающего генератора преобразователя, вход фазовращателя соединен с выходом второго делителя частоты, а выход - с точкой объединения формирователей одиночных импульсов, выход первого делителя частоты соединен с входом одновибратора и вторым входом фазового детектора, а коэффициент деления второго делителя частоты равен произведению коэффициентов деления первого и третьего делителей частоты.