RU1774164C - Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  бесконтактного измерени  вибраций. Целью изобретени   вл етс  расширение диапазона измер емых виброперемещений . Цель обеспечиваетс  за счет использовани  задающего генератора 1, частота которого больше частоты излучаемой в направлении объекта 3 ультразвуковой волны, что в совокупности с управл емым делителем частоты 6 позвол ет создать управл емый фазовращатель 11, имеющий такую дискретно измен емую величину фазового сдвига, котора  обеспечивает нахождение рабочей точки фазового детектора 8 на линейном участке его фазовой характеристики и тем самым обеспечивает проведение измерений в заданном диапазоне вибропере

Description

XI

а

Ј

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 совпадени  по вл етс  сигнал, по которому фронт сигнала с выхода второго делител  7 частоты устанавливаетс  по отношению к фронту сигнала с выхода

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  бесконтактного измерени  вибраций в различных отрасл х народного хоз йства: 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 фазовращател  подсоединен к потенциометру, позвол ющему плавно измен ть фазу фазовращател .

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 напр жени . Выход компаратора подключен ко второму входу блока обработки информации и ко входу коммутатора, выход которого подключен к управл ющим 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 преобразовател .

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 коделител  5 частоты с погрешностью, не превышающей значени  2 л /N.N0, что обеспечивает установление рабочей точки фазового детектора 8 на линейном участке его амплитудной характеристики, обеспечива  тем самым проведение измерений в за- данном диапазоне перемещений, определ емом выбором коэффициента делени  N. 2 ил.

торого соединен с выходом управл емого фазовращател . Сигнальный вход указанного фазовращател  соединен с выходом задающего генератора, а управл ющий 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 управл ющие входы обоих делителей частоты соединены, два формировател  одиночных

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

одиночных импульсов соответственно.

Недостатком измерител   вл етс  ограниченный диапазон измер емых виброперемещений , обусловленный тем, что дл  обеспечени  высокой помехоустойчивости

0 в измерителе используютс  делители частоты , коэффициент N делени  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 положени  ра бочей точки фазового детектора на

линейном участке его амплитудной характеристики , равно 8 Это значит, что по сравне- нию с измерителем, производ щим фазовые измерени  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 производитьс  с меньшей чувствительностью и, следовательно, меньшей точностью измерений . Данный измеритель не позвол ет проводить измерени  фазовых сдвигов на частоте, равной частоте излучаемой ультразвуковой волны

Целью изобретени   вл етс  расширение диапазона измер емых виброперемещений за счет использовани  задающего генератора, частота которого больше частоты излучаемой ультразвуковой волны, что в совокупности с управл емым делителем частоты , коэффициент делени  которого выбран определенным образом, позвол ет создать управл емый фазовращатель, име- ющийтакую дискретно измен емую величину фазового сдвига, котора  обеспечивает нахождение рабочей точки фазового детектора на линейном участке его фазовой характеристики и тем самым обеспечивает проведение измерений в заданном диапазоне виброперемещений.

Поставленна  цель достигаетс  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 преобразовател , а второй - с выходом задающего генератора , блок совпадени , выходом соединенный с управл ющим входом второго делител  частоты, фазовращатель, два формировател  одиночных импульсов, выходы которых соединены соответственно с первым м вторым входами блока совпадени , одновибра- тор, выходом соединенный с третьим и четвертым входами блока совпадени , 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 преобразовател , вход фазовращател  соединен с выходом второго делител  частоты, а выход - с точкой объединени  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 делени  второго делител  частоты равен

50 произведению коэффициентов делени  первого и третьего делителей частоты.

На фиг.1 приведена блок-схема измерител , на фиг.2 - диаграммы напр жений, по сн ющие процесс восстановлени  рабо55 чей точки фазового детектора на заданном линейном участке его амплитудной характеристики при выходе ее за пределы указанного участка:

а)напр жение Ui(t) на выходе задающего генератора;

б)напр жение U2(t) на выходе третьего делител  частоты (N0 4);

в)напр жение 1)з(т) на выходе второго делител  частоты (N0 4. N 2);

5г) напр жение U4(t) на выходе фазовращател :

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

0ж) напр жение Uy(t) на выходе приемного преобразовател ;

з) напр жение Usft) на выходе первого делител  частоты;

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

к) напр жение Uio(t) на выходе блока совпадени ;

л) напр жение 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 преобразовател  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 формировател  12,13 одиночных импульсов и блок 14 совпадени . Третий делитель 10 частоты 5 входом соединен с выходом задающего генератора 1, а выходом - с входом излучающего преобразовател  2. Вход фазовращател  11 соединен с выходом второго делител  б частоты, а выход - с точкой 0 объединени  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 совпадени  третий и четвертый входы которого соединены с выходом одно- вибратора 7, а выход с управл ющим вхоом второго делител  6 частоты. Выход пер- oto делител  5 частоты соединен с входом дновибратора 7 и вторым входом фазового елител  8, а коэффициент делени  второго елител  6 частоты равен произведению коффициентов делени  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 делител  10 частоты, имеющего коэффициент No делени  частоты и вход делител  6 частоты , имеющего коэффициент N.N0 делени  частоты. Дл  определенности будем считать , что деление частоты происходит по отрицательному перепаду сигналов, а коэффициенты делени  делителей 10,5 частоты равны: No 4,,N 2. Сигнал U2(t) с выхода делител  10 частоты (см. фиг.26) поступает на излучающий преобразователь 2, излучающий ультразвуковую волну в направлении обьекта 3. Отраженна  от поверхности колеблющегос  объекта 3 ультразвукова  вол- напринимаетс приемным

преобразователем 4. Сигнал U(t) с выхода приемного преобразовател  4 подаетс  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 совпадени , реализующего функцию 2-2И- 2ИЛИ. Сигнал 1)з(1) с выхода делител  6 частоты (см.фиг.2в) поступает на вход фазовращател  11, измен ющего фазу сигнала на посто нную величину р (см.фиг.2г). Сигнал L)4(t) с выхода фазовращател  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 врем  по влени  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 совпадени  2-2И 2ИЛИ. Сигнал с выхода блока 14 совпадени  2 -2И- 2ИЛИ подаетс  на управл ющий оход делител  6 частоты.

В случае нахождени  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 измер ет сдвиг фаз между поступающими на него сигналами. Блок 9 обработки информации регистрирует соответствующие измеренному сдвигу фаз виброперемещени  обьекта 3 (см, фиг.2л).,,

5 Любой выход рабочей точки фазового детектора 8 за пределы линейного участка, ограниченного уровн ми 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 совпадени  на выходе блока 14 совпадени  2-2И- 2ИЛИ по вл етс  сигнал Uio(t) (см. фиг.2и), поступающий на управл ющий вход делите5 л  6 частоты и прекращающий его работу. Это приводит к последовательному пропаданию сигнала на выходе фазовращател  11, формирователей 12,13 одиночных импульсов и блока 14 совпадени . После про0 падани  сигнала на управл ющем входе делител  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 делител  6 частоты устанавливаетс  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 посто нную величину р (см. фиг.2в,г). При этом сигнал с выхода одно- вибратора 7 располагаетс  в середине между сигналами с выхода формирователей

5 12,13 одиночных импульсов, а на входах фазового детектора 8 устанавливаетс  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 обеспечиваетс  оптимальный выбор диапазона измер емых виброперемещений, а выбором

5 величины N0 обеспечиваетс  его высока  помехоустойчивость. Поскольку N.N0 может быть выбран достаточно большим (несколько дес тков), вли ние вносимого в первона чальный сдвиг р дополнительного сдвига

Д р на точность измерений не сказываетс . Следует отметить, что изобретение сохран етвседостоинства устройства-прототипа, в частности высокое быстродействие. Как и в устройстве- прототипе в данном устройстве сравнение временного положени  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 позвол ет обеспечить максимально возможное (практически за врем , определ емое быстродействием используемых цифровых микросхем) врем  установки ап- риорно заданного сдвига фаз на входах фазового детектора 8 и, поскольку информационные сигналы снимаютс  с его входов, исключаетс  возможность вли ни  сигнала с выхода фазового детектора 8 на формирование сигнала установки, одновременно обеспечива  этим высокую помехоустойчивость электрической схемы измерител  (отсутствие самовозбуждени ).

Claims (1)

1. Достоинством изобретени  по сравне- нию с прототипом  вл етс  то, что при прочих равных услови х (одинаковом N) установка положени  рабочей точки на амплитудной характеристике происходит более точно. Если в прототипе величина ошибки не превосходит значени  2   / N, то в за вленном устройстве она меньше 2   / N N0 Это значит, что положение поверхности, относительно которого проводитс  измерение перемещений по- верхности, соответствующее нулю амплитуднойхарактеристики ,будет устанавливатьс  с меньшим разбросом значений , что, например, важно при проведении измерений инфранизкочастотных перемещений. Такие измерени  провод тс , например, при измерении стабилограмм тела человека, исследовании изменени  объема сосудов (вен, артерий), отека конечностей (руки, ноги человека) и др., которые  вл ютс  диагностическими признаками состо ни  биологических объектов. Формула изобретени  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 преобразовател , а второй - с выходом задающего генератора , блок совпадени , выходом соединенный с управл ющим входом второго делител  частоты, фазовращатель, два формировател  одиночных импульсов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока совпадени , одновибра- тор, выходом соединенный с третьим и четвертым входами блока совпадени , и последовательно соединенные фазовый детектор и блок обработки информации, а входы формирователей одиночных импульсов и первый вход фазового детектора объединены , отличающийс  тем, что. с целью расширени  диапазона измер емых виброперемещений, он снабжен третьим делителем частоты, входом соединенным с выходом задающего генератора преобразовател , вход фазовращател  соединен с выходом второго делител  частоты, а выход - с точкой объединени  формирователей одиночных импульсов, выход первого делител  частоты соединен с входом одновибратора и вторым входом фазового детектора, а коэффициент делени  второго делител  частоты равен произведению коэффициентов делени  первого и третьего делителей частоты .