Способ измерения амплитуд колебаний механических объектов и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к виброизмерительной технике и может быть применено для измерения амплитуд гармонических и. поЛигармонических колебаний, совершаемых механическими объектами.

Известны оптический способ измерения амплитуды механических колебаний и устройство, его реализующее, основанные

на преобразовании значения индекса частотной модуляции.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу измерения амплитуды механических колебаний является принятый за прототип способ, заключающийся в том, что когерентное одночастот- ное излучение делят на два измерительных и два соответствующих каждому из них

опорных канала, частоты излучения в опорных каналах смещают относительно частот в соответствующих измерительных на постоянные величины, В одном из измерительных каналов осуществляют фазовую модуляцию за счет эффекта Допплера, возникающую при отражении света от колеблющегося объекта, в другом - посредством электрооптической модуляции. Соответствующие измерительные и опорные каналы попарно совмещают в пространстве, преобразуют их поля интерференции в два электрических сигнала, которые затем смешивают и фильтруют на разностной частоту. Колебания исследуемого объекта, установленного в одном из измерительных каналов, возбуждают подачей.на него переменного электрического сигнала. Этот же сигнал подают через фазоеращатель и усилитель на модулятор, помещенный в другом измерительном канале. При синфазных колебаниях объекта и напряжения, подаваемого на модулятор, добиваются равенства девиаций частот в измерительных каналах, которое затем автоматически поддерживают. После этого, устанавливаюттакое значение фазового сдвига, при котором амплитуда электрического сигнала,.полученного в результате смешения, на разностной частоте обращается в нуль,- что свидетельствует о совпадении значения результирующего индекса модуляции с одним из корней функции Бесселя.нулевого порядка. Номера корней отсчитывают, начиная с первого, изменяя фазовый сдвиг плавно от нуля. Амплитуду колебаний объекта измеряют путем определения коэффициента преобразования индекса частотной модуляции.

Измеритель амплитуд колебаний, реализующий способ-прототип, содержит источник одночастотного когерентного излучения, поляризационные светоделители, формирующие два опорных и два измерительных канала, два установленных в опорных канала блока сдвига частоты. В одном из измерительных каналов помещен ис- следуемый объект, соединенный с генератором синусоидальных сигналов, и через фазовращатель и усилитель связанный с электрооптйческим. модулятором (ЭОМ), находящимся в другом измерительном канале. В местах сведения измеритель- ных и опорных каналов помещены оптические смесители, попарно совмещающие эти каналы в пространстве. На пути излучения после смесителей находятся фо- оприемные устройства (ФПУ), соединенные с системой электронной обработки, включающей смеситель электрических сигналов,

узкополосные фильтры с измерителями напряжения, счетчики числа нулей.

Данное устройство создает при помощи ЭОМ фазовую модуляцию излучения с теми

же индексом и частотой, что и колеблющийся объект, преобразует оптические поля интерференции в электрические сигналы, смешивает их и определяет индекс модуляции в соответствии со значением фазового

сдвига, установленного фазовращателем.

Недостатками способа-прототипа и реализующего его устройства являются: ограниченность класса измеряемых объектов только теми, колебания которых возбуж5 даются переменными электрическими сигналами; ограниченность области определяемых амплитуд снизу величиной, равной половине значения первого корня функции Бесселя нулевого порядка; необходимость

0 производить фазовую модуляцию излучения при помощи ЭОМ с теми же индексом и частотой, что и за счет отражения света от исследуемого объекта. Последнее обстоятельство может потребовать применения

5 различных модуляторов для различных диапазонов измеряемых амплитуд и усложнить тем самым устройство.

Цель изобретения - расширение класса измеряемых объектов и распространение

0 его на любые объекты с зеркально или диф- фузно отражающей поверхностью, совершающие возбуждаемые любым способом колебаниями расширение диапазона опре- деляемых амплитуд.

5 Поставленная цель достигается тем, что по заявляемому способу когерентное одно- частотное излучение разделяют на два измерительных и два опорных канала, таким образом, что частоты опорных каналов отли0 чаются от частот измерительных каналов на постоянные величины Vi и /2 соответственно. При этом измерительные каналы формируют из излучения, отраженного контролируемым объектом и, таким образом,

5 осуществляют в этих каналах модуляцию света за счет эффекта Допплера с одинаковыми индексами, частотой и фазой. В опорных каналах производят фазовую модуляцию излучения при помощи ЭОМ с час0 тотой колебаний объекта, для которой определяется амплитуда, с одинаковыми индексами и регулируемым фазовым сдвигом между модулирующими сигналами. Из- лучение опорных и соответствующих

5 измерительных каналов попарно совмещают в пространстве и преобразуют получаемые поля интерференции в частотно-модулированные электрические сигналы, которые затем смешивают и фильтруют.- Изменяя от нуля фазовый сдвиг между сигналами модуляции опорного излучения, отсчитывают моменты обращения в нуль амплитуды отфильтрованного электрического Сигнала. Таким образом, определяют величины индекса модуляции этого сигнала, равные значениям корней с отсчитываемыми Номерами соответствующей функции Бес- Селя, Затем измеряют разности фаз между Составляющими преобразованных из сме- цманного излучения электрических сигна- л;ов, имеющими частоту колебаний объекта, и сигналами модуляции опорного излучения. В соответствии со значениями указанных фазовых сдвигов вычисляют коэффициент преобразования от индекса частотной модуляции в измерительных ка- Налах к индексу модуляции отфильтрованного электрического сигнала и определяют амплитуду колебаний объекта.

Поставленная цель достигается также ем, что в устройстве, содержащем оптически связанные: 1)источник когерентного од- ночастотного излучения, 2) два светоделителя, формирующих два опорных измерительных канала, 3) два установ- лфнных в опорных каналах блока сдвига ча- cfoTbi, 4) два оптических смесителя, 5) два сЙПУ, 6) смеситель электрических сигналов, входы которого подключены к выходам ФПУ и 7) блок, обработки, установленный на вы- хёде смесителя, согласно изобретению, вто- ptie входы оптических смесителей предназначены для оптической связи по- с/|едних с первым светоделителем через контролируемый объект. Предлагаемое устройство снабжено двумя фазовращателями, выходы которых соединены со входами двух фазовых модуляторов соответственно, и в(умя фазометрами. Входы каждого из фа- зо1метров подключены к выходам соответст- ФПУ и фазовращателей.

На фиг, 1 приведена структурная схема измерителя вибраций, реализующего предлагаемый способ. В состав измерителя вхоят источник одночастотного когерентного излучения 1, светоделители 2-4, формирующие два измерительных канала 1а и 16, в которых устанавливается исследуемый объект 5, и два опорных канала На и.Пб, в которых помещены блоки сдвига частоты 6, и два электрооптических модулятора 8, 9, соединенных через фазовращатёли 10, 11 с гейератором синусоидальных сигналов регулируемой амплитуды 12. На оптических мфсителях 13, 14 происходит пространственное совмещение измерительных и опорных каналов. За смесителями помещены отоприемные устройства 15, 16 с усилитеями 17,18, к которым подсоединена систеа электронной обработки, включающая

смеситель электрических сигналов 19, узкополосные фильтры с измерителями напряжения или анализатор спектра 20, а также измерители разности фаз 21, 22, соединен- 5 ные с выходами усилителей 17, 18 и со входами модуляторов 8, 9. К устройству 20 могут быть подсоединены счетчики числа нулей и индикаторы (на схеме не показаны). Светоделители 2-4 и оптические смеси- ;

0 тели 13, 14. могут быть выполнены в виде плоскопараллельных пластин или призм и осуществлять разделение (смешение) света как по., поляризации, так и по интенсивно- сти. В случае применения поляризационных

5 элементов понадобится введение фазовра- щающих пластин, которые не показаны на схеме. Выполнение блоков сдвига частоты 6 и 7 возможно, например, в виде поляризационных светоделителей 23, 24,

0 четвертьволновых пластин 25, 26, электрооптических модуляторов 27, 28, соединен- ных с генераторами синусоидальных сигналов 29, 30.

Работа измерителя амплитуд вибраций

5 происходит следующем образом.

Поле излучения EI измерительных каналов с несущей частотой соо , отраженное от колеблющегося с частотой QH амплитудой . AL исследуемого объекта можно записать в

0 видец,.

Ei Ei° ехр{-1 2Лз t + mi cos (Qt + Ф0)1 ё

(1),

где mi 4 л A L/A- индекс модуляции излучения за счет эффекта Допплера, 5Я-длина волны излучения,

Ф-о - некоторая начальная фаза колебаний объекта,

е - единичный вектор поляризации излучения.

0Оно взаимодействует на ФП.У 15 с полем излучения Е2 опорного канала На, несущая частота которого сдвинута блоком 6 относительно (Оо на постоянную величину 2 vi, промодулированным при помощи мо- 5 дулятора 8 по фазе с частотой QH индексом та:

Е2 Е2 ехр {-. I иь t-2 Vit +

+ m2cos()}Ј (2), ,, а на ФПУ 16 - с полем излучения Ез канала Пб, промодулированным с теми же индексом и частотой, несущая частота которого равнд(Мэ-2 V2):

Ез Ез°ехр {-(0о t-2 V2 t +

+ m2cos()(3).

Фазы задаются фазовращателями 10, 11. При записи формул (1-3) предполагалось, что деполяризации излучения при отражении от объекта и прохождении его через различные элементы системы не

0

5

происходит. Комплексные сигналы переменного напряжения на выходах усилителей 17, 18, соответственно, равны:

Ui,,20exp{l micos(Qt+ Ф0)- macos (Qt + t/ЮВ + 2 Vi ,2°exp icos (Q t + Ai) + 2 Vi (4)

U 1,3 Ui,2°exp{l micos(Qt + Ф0)

- macos (Qt + 2) + 2 e Ui,2° exp cos (Q t + Лг) + 2 ,(5)

где U 1,2°, U 1,з° - величины, зависящие от интенсивности излучения, чувствительно-- сти ФПУ, коэффициента усиления усилителей, степени поляризации и величины угла между векторами поляризации взаимодействующего излучения. Величины Mi и М2, соответственно равны;

Mi{mi + гп2 2rhim2cos( - Ф0)}

1/2

1/2

М2 {тГ + т2 -2т1т2С05(1/.2-Фо)} (7), где Ai,2 const для заданных значениях mi,

nf)2, №,№

Сигнал, поступающий со смесителя 19, определится выражением, аналогичным (4,

5)120

U {Ui,2 + U 1,3) U°exp{IMcos

(Qt+6) + 2(V2-V1)tQ(8), в котором

М {Mi2 + Ma2 - MiM2 cos ДО. , (9).

ip Да - Ai .

Для наглядности приводится фиг. 2, на которой длина векторов соответствует величине индекса частотной модуляции, а угол между этими векторами и направлением ОХ - фазе сигнала с данным индексом.

Функции, определяемые выражениями (4-6), очевидно, могут быть разложены в ряд:

00

Ui,,20 2 Jk(Mi)exp{l(2yn +

+ k jr/2±(Qt+Ai))}(10)

00

Ui,,3° 2 4k(M2)exp{l(2V2t +

k -w

+ ±(Qt+A2)B

(

CO

2 Jk(M)exP{(2 V2-Vi t + k -oo

+ ±())}(12), где Jk функция Бесселя К-го порядка.

Очевидно, что М |2m2Sin (V/2) I, где m2 const, поэтому при непре- рывном изменении разности фаз 1/, будет происходить непрерывное изменение М и

25

при некоторых значениях гр- совпадение с корнями функций Бесселя. Если изменение У} происходит от нулевого значения, то в момент совпадения значения М с q-ым кор5 нем функции Бесселя К-ro порядка амплитуда электрического сигнала на частоте 2(V2 - Vi)± kQjq-ый раз станет равной нулю. Зная значения корней, возможно определить с высокой точностью индекс модуляции М.

10 Легко убедиться, что величина гщ 4 7Г AL/A , где Д L - искомая амплитуда колебаний объекта на частоте Q , может быть вычислена по формуле: mi IM sin ) sln( Ф0Ц

15(13),

где ее- разность фаз между сигналом моду. ляции опорного канала На и составляющей

1Н,2 имеющей частоту Ј2(фиг.2). Величина

может бытиь непосредственно измерена

20 при помощи измерителя разности фаз 21. Значение (а + Ц Ф0) находится из выражения

а + - Ф0 arctg sin (a-fl- V) / sin« + cos ()}(14)

Разность фаз /3 между сигналом, модулирующим излучение опорного канала Мб, и составляющей частоты Qcnmana Ui.s определяется фазометром 22.

Измерения амплитуды колебаний объ- екта на частоте Q производятся следующим образом. В опорных каналах при помощи ЭОМ 8, 9 и генератора 12 производят фазовую модуляцию с частотой Q и индексом ГЛ2. Фазовращатели 10, 11 должны первоначально создавать одинаковые фазовые сдвиги 1 ipi. Затем, плавно увеличивая разность фаз гр -тр- , отсчитывают моменты совпадения М с корнями функций

.п Бесселя при помощи анализатора спектра или фильтра и вольтметра 20, и, таким образом, определяют значение этого индекса. Для удобства отсчета корнец, может применяться счетчик числа нулей (на рисунке не

.,. показан). Используя фазометры 21,22 измеряют значения awfi , После этого, в соответствии с величиной if), по формулам (13, 14) вычисляют гщ и, соответственно, Д|.

,-л Для оценки диапазона измеряемых амплитуд при помощи предлагаемых способа и устройства зададим точность измерения 1 %, разрешающую способность фазометри- . ческой аппаратуры 0,01°, нестабильность

ее амплитуды сигнала генератора менее 1 %. С целью упрощения, рассмотрим случай, когда а /9, что можно реализовать соответствующей регулировкой фаз 1 и 1/Ј и индекса модуляции гп2. Формулы (13, 14) в этом случае могут быть приведены к виду:

35

mi- |M sin (/2)sin.(a + V /2)|

(15)

а относительная погрешность определится выражением:

Ami/mi АМ/М-0,5{ctg(a-f VV2) + + ctg(/2) AV + ctg a- ctg (a + тр/2}} ACT

06)

Согласно результатам работы (2), точ- Ность измерения дискретных величин ин- фкса частотной модуляции М при помощи г етода нулей функции Бесселя в пределах значений первых десяти корней этих функ- ц|ий может достигать АМ/М 1 %. Для фун- к:ции J0 эти значения заключены в интервале (2,4-30,6). Очевидно, что величи- гл1 с такой же точностью может быть определена при тех значениях трм-а-, для которых два последних слагаемых в правой части выражения (16) на порядок мень- и.е первого. Минимальные значения Да представляют собой точность фа- зфвращэтелей 11, 12 и разрешающую спо- сббность измерителей разности фаз 21, 22, соответственно. Полагая эти величины рав- niiMH, перепишем формулу (16) в виде:

Ami/mi AM/M + {-1,5ctg{a + yV2)- . ; - 0,5ctg(/;/2) + ctg a} Aa(17)

Нижний предел диапазона измерения индекса модуляции гщ с точностью 1% определим, придав разности фаз а мини- мольное значение, разрешимое фазо- м трической аппаратурой, которое в нашем случае составляет 0,01°. Учитывая, что этой жф величине равно минимальное значение А«, получим выражение для оценки нижней границы искомого диапазона:

0,5{ctg(a + /2) - ctg (/2) -2 ctg a} 0,01 я/180 0,001(18), откуда следует, что 5° (V/2) 175°, Ю.° а 170°. Подставляя в выражение (15) значения а 10°, {tp/2, (а+тр/2} 90° и ,4, найдем, что нижний предел ди- измерения индекса частотной мо- гщ, с точностью 1% составляет приблизительно 0,2. При использовании в качестве источника когерентного излучения ге/)ий-неонового лазера с длиной волны ,63 мкм, минимальная амплитуда коле- , определяемая с такой точностью, будет рав.на 1 мкм. Снижение требований к точности измерений приведет к уменьшению этой величины.

Для оценки верхней границы диапазона измерения mi с точностью 1% предполо- жим, что значения а и (а + /2), близки к 180°, Выражение для оценки этой границы имеет вид (18). Подставляя в (15) значения М 30,6, /2 5°, а 170°, получим, что mimax 350. Этому индексу при длине

волны 0,6 мкм соответствует амплитуда колебаний объекта 17,5 мкм.

В способе и устройстве, принятых за прототип, индекс модуляции ml определяется по формуле:

mi X/2sln(Ј/2). (19), где Ј - разность фаз между колебаниями объекта и модулирующим опорное излучение сигналом, а X - величина, определяемая по методу нулей функций Бесселя с точностью 1%. Относительная погрешность определения ml равна:

Aflii/mi AX/X-0,5ctg(Ј/2)AЈ (20).

Точность определения mi может составлять 1%. если 0,5ctg(/2) AЈ 0,001. С учетом того, что АЈ 0,0.1 , найдем диапазон диапазон измерения искомого индекса модуляции с заданной точностью, который будет заключен в пределах (1,2-175,5). При использовании лазера с длиной волны ,63 мкм соответствующий диапазон амплитуд колебсний составит (6 10 2мкм-8,8 мкм). Необходимо отметить, что уменьшения нижней границы этого диапазона не будет происходить и при снижении требований к точности измерений.

Таким образом, нижняя граница области определяемых амплитуд колебаний объекта с точностью 1% в предлагаемом изобретении при указанных выше параметрах аппаратуры в шесть раз уменьшится по сравнению с прототипом, при увеличении верхней границы этой области в два раза. .Снижение требований к точности приведет к дальнейшему уменьшению нижней границы. Например, как не трудно убедиться, с точностью несколько процентов можно измерять амплитуды колебаний порядка 1 мкм, то есть почти в два порядка меньше, чем при использовании способа-прототипа.

Следует отметить, что в предлагаемых способе и устройстве нет необходимости производить модуляцию в опорных каналах с теми же индексами, что и в измерительных каналах. Это приведет к некоторым упрощениям устройства при использовании его для измерения амплитуд в широком диапазоне. Следует отметить также и то, что данным способом возможно определение амплитуды колебаний и тогда, когда принимаемая мощность излучения, умноженная на индекс модуляции mi, вследствие малой величины этого индекса, ниже пороговой мощности ФПУ, так как в нем производится обработка сигналов с индексами Mi, M2. М, которые могут иметь значительно большую величину. Этого нельзя сделать как способом-прототипом, так и способом, описанным, например в (4,5),

Формула, изобретения

1. Способ измерения амплитуд колебаний механических объектов, заключающийся в разделении одночастотного когерентного излучения на два измерительных и два опорных канала так, что частоты опорных каналов отличаются от частот из; мерительных каналов на величины Vi и Va соответственно, при этом первый измерительный канал формируется из излучения, отраженного контролируемым объектом, фазовой модуляции излучения опорных каналов при попарном смешении излучения в соответствующих измерительных и опорных каналах, преобразовании- смешанного излучения в электрические сигналы, смешении полученных электрических сигналов, их фильтрации и определении амплитуды колебаний по фильтрованным электрическим сигналам, отличающийся тем, что, с целью расширения класса контролируемых объектов и области измеряемых амплитуд, второй измерительный канал формируют из излучения, отраженного контролируемым объектом, фазовую модуляцию опорных каналов производят с частотой колебания контролируемого объекта и с одинаковыми индексами, измеряют разность фаз модуляции опорных каналов от нуля, а об амплитуде колебаний судят по зависимости индекса

модуляции отфильтрованного электрического сигнала от изменяемой разности фаз. 2. Устройство для измерения амплитуд колебаний механических объектов, содержащее оптически связанные источник когерентного излучения, два светоделителя, первый блок сдвига частоты, первый фазовый модулятор, первый оптический смеситель и первый фотоприемник, оптически связанные с вторым светоделителем второй блок сдвига частоты, второй фазовый модулятор, второй оптический смеситель и второй фотоприемник, второй вход первого оптического смесителя предназначен для оптической связи с первым светоделителем через контролируемый объект, смеситель электрических сигналов, входы которого подключены к выходам фотоприемников, и блок обработки, вход которого подключен к выходу смесителя электрических сигналов, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых амплитуд, оно снабжено двумя фазовращателями, выходы которых подключены к входам фазовых модуляторов соответственно, и двумя фазометрами, входы каждого из которых подключены к выходам соответствующих фотоприемника и фазовращателя, а второй вход второго оптического смесителя предназначен для оптической связи с первым светоделителем через контролируемый объект.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - расширение номенклатуры измеряемых объектов и диапазона определяемых амплитуд. Цель дортигается тем, что когерентное одноча- стртное оптическое излучение разделяют на два опорных канала. Частоты в парах каналов отличаются на постоянные величины и переменные, зависящие от величины до- пплеровского сдвига при отражении света от колеблющегося объекта и глубины модуляции излучения, при совмещении каналов получают поля интерференции получают от них электрические сигналы, смешивают и фильтруют их, амплитуду колебаний измеряют по методу нулей функций Бесселя индекса частотной модуляции сигнала, полученного в результате смещения, и коэффициента преобразования этого индекса в соответствии со значением фазы. Излучение делят на два измерительных канала после его отражения от объекта и осуществляют в каналах частотную модуляцию с одинаковыми индексами, частотами и нулевым фазовым сдвигом между сигналами модуляции. В опорных каналах модуляцию производят с частотой колебаний объекта, для которой определяют амплитуду, с одинаковыми индексами и регулируемым фазо- ,вым сдвигом между модулирующими сигналами. Индекс частотной модуляции сигнала определяют, изменяя от нуля разность фаз сигналов модуляции опорного излучения по значению фазовых сдвигов между сигналами и частотно-модулированных электрических сигналов судят с коэффициенте преобразования индекса частотной модуляции. 2 с. п. ф-лы, 2 ил. СЛ С ч Ю (Я ы о N