RU2009452C1

RU2009452C1 - Device for remote measuring of parameters of oscillating objects

Info

Publication number: RU2009452C1
Authority: RU
Inventors: Н.С. Степанов; С.Е. Финкельштейн
Original assignee: Нижегородский государственный университет им.Н.И.Лобачевского
Priority date: 1991-09-11
Filing date: 1991-09-11
Publication date: 1994-03-15

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device has microwave generator connected in series with decoupler and radiator. The generator is provided with frequency scanning unit. Receiving aerial is mounted in the same surface as the radiator and is connected in series with detector section, amplifier and registrar. Output of the attenuator is connected to decoupler and input is connected with second input of detector section. Device permits to measure amplitude and frequency spectrum of oscillations as well as effective size of oscillating object which is disposed at some distance from the device in real-time scale. EFFECT: improved precision of measurement. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения параметров вибрирующих объектов, например деталей машин. The invention relates to measuring technique and can be used to determine the parameters of vibrating objects, such as machine parts.

Проблема бесконтактного измерения и анализа вибраций различных объектов достаточно актуальна и в настоящее время известны устройства, использующиеся для решения этой задачи. The problem of non-contact measurement and analysis of the vibrations of various objects is quite relevant and currently known devices used to solve this problem.

Известно устройство голографической интерферометрии, содержащее источник когерентного излучения, интерферометр и регистрирующий прибор. В этой установке параметры вибраций определяются по изменениям в интерференционной картине [1] . A device for holographic interferometry, containing a source of coherent radiation, an interferometer and a recording device. In this setup, vibration parameters are determined by changes in the interference pattern [1].

Достоинством этого устройства является возможность прецизионных измерений параметров, однако его практическое применение существенно затруднено из-за сложности регистрации и расшифровки интерферограмм, связанной с обработкой большого массива информации, что не позволяет проводить измерения в реальном масштабе времени. Кроме того, устройства голографической интерферометрии чрезвычайно чувствительны к внешним факторам - метеорологическим условиям, тряске, освещенности и др. The advantage of this device is the possibility of precision measurement of parameters, however, its practical application is significantly difficult due to the complexity of recording and decoding interferograms associated with processing a large amount of information, which does not allow measurements in real time. In addition, holographic interferometry devices are extremely sensitive to external factors - meteorological conditions, shaking, light exposure, etc.

Принципиально более простыми, не требующими сложной обработки и практически свободными от других недостатков интерферометрических установок, являются устройства, основанные на измерении электромагнитного поля в одной точке, не строящие изображения объекта. В этих устройствах используется зондирование исследуемого объекта и обработка отраженного сигнала. Fundamentally simpler, not requiring complex processing and practically free from other disadvantages of interferometric installations are devices based on measuring the electromagnetic field at one point, not building images of the object. These devices use sounding of the studied object and processing of the reflected signal.

Известно устройство для бесконтактного измерения параметров механических колебаний, содержащее установленные в волноводе СВЧ-генератора, два ответвителя энергии с детекторами напряженности электрического поля, балансный усилитель, два входа которого соединены с выходами детекторов, а выход подключен к регистратору. Генератор возбуждает поле стоячих волн в волноводе и пространстве между волноводом и исследуемым объектом. При вибрации объекта пропорционально амплитуде его колебаний изменяется напряженность электрического поля в волноводе, в ответвителях энергии на нагрузках детекторов появляются промодулированные по амплитуде сигналы, определяемые законом вибрации объекта. Таким образом, известное устройство позволяет определить амплитуду и частоту вибраций [2] . A device for non-contact measurement of parameters of mechanical vibrations, containing installed in the waveguide of the microwave generator, two energy couplers with detectors of electric field strength, a balanced amplifier, two inputs of which are connected to the outputs of the detectors, and the output is connected to the registrar. The generator excites the field of standing waves in the waveguide and the space between the waveguide and the object under study. When an object vibrates in proportion to the amplitude of its vibrations, the electric field in the waveguide changes, and energy-modulated signals determined by the law of vibration of the object appear in the energy couplers at the loads of the detectors. Thus, the known device allows to determine the amplitude and frequency of vibrations [2].

Однако, работа такой установки возможна только в стендовых условиях, когда исследуемый объект расположен вплотную к волноводу и размер его много больше сечения волновода и расстояния до него, так как только в этих условиях возможно образование стоячей волны. Кроме того, известное устройство не позволяет измерять такой важный параметр вибрирующего объекта, как его линейный размер. However, the operation of such an installation is possible only in bench conditions, when the object under study is located close to the waveguide and its size is much larger than the cross section of the waveguide and the distance to it, since only under these conditions it is possible to form a standing wave. In addition, the known device does not allow to measure such an important parameter of a vibrating object as its linear size.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для дистанционного определения параметров вибрирующих объектов, содержащее последовательно соединенные генератор СВЧ, ответвитель и излучатель, последовательно соединенные приемную антенну, расположенную в одной плоскости с излучателем, детекторную секцию, усилитель и регистрирующий прибор, аттенюатор, вход которого соединен с ответвителем, а выход - через фазовращатель подключен к второму входу детекторной секции 3 . The closest in technical essence to the invention is a device for remote determination of the parameters of vibrating objects, containing serially connected microwave generator, coupler and emitter, series-connected receiving antenna located in the same plane with the emitter, detector section, amplifier and recording device, attenuator, the input of which connected to the coupler, and the output through the phase shifter is connected to the second input of the detector section 3.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Электромагнитные волны, вырабатываемые генератором СВЧ, пройдя через ответвитель, зондируют исследуемый объект. Часть электромагнитной энергии после ответвителя поступает на ослабляющий аттенюатор, а затем через фазовращатель на детекторную секцию для калибровки. Отраженный от исследуемого вибрирующего объекта сигнал через приемную антенну попадает на детекторную секцию, где выделяется переменная составляющая амплитуды сигнала, связанная с вибрацией объекта. На выходе регистрирующего прибора вырабатывается сигнал, амплитуда которого пропорциональна, а частота равна соответствующим параметрам вибрации объекта. The electromagnetic waves generated by the microwave generator, passing through the coupler, probe the object under study. Part of the electromagnetic energy after the coupler enters the attenuator attenuator, and then through the phase shifter to the detector section for calibration. The signal reflected from the studied vibrating object through the receiving antenna enters the detector section, where the variable component of the signal amplitude associated with the vibration of the object is extracted. A signal is generated at the output of the recording device, the amplitude of which is proportional, and the frequency is equal to the corresponding vibration parameters of the object.

Известное устройство позволяет получить информацию об амплитуде и частотном спектре вибрации в реальном масштабе времени при расположении объекта на значительном расстоянии от излучателя. Однако это устройство не позволяет измерять одновременно размер вибрирующего объекта. The known device allows to obtain information about the amplitude and frequency spectrum of vibration in real time when the object is located at a considerable distance from the emitter. However, this device does not allow to simultaneously measure the size of the vibrating object.

В заявляемом устройстве предложено техническое решение, позволяющее измерять амплитуду, частотный спектр вибраций и эффективный размер вибрирующего объекта, находящегося в зоне ближней радиолокации. Этот технический результат достигается благодаря тому, что в устройстве для дистанционного определения параметров вибрирующих объектов, содержащем последовательно соединенные генератор СВЧ, ответвитель и излучатель, аттенюатор, вход которого подключен к ответвителю, последовательно соединенные приемную антенну, расположенную в одной плоскости с излучателем, детекторную секцию, усилитель и регистрирующее устройство, дополнительно введен блок сканирования частоты, подключенный к генератору СВЧ, а выход аттенюатора подключен ко второму входу детекторной секции. The inventive device proposed a technical solution that allows you to measure the amplitude, frequency spectrum of vibrations and the effective size of a vibrating object located in the near radar zone. This technical result is achieved due to the fact that in the device for remote determination of the parameters of vibrating objects, containing a series-connected microwave generator, coupler and emitter, attenuator, the input of which is connected to the coupler, series-connected receiving antenna located in the same plane with the emitter, detector section, an amplifier and a recording device, an additional frequency scanning unit connected to a microwave generator is introduced, and the attenuator output is connected to a second th input detection section.

Блок сканирования частоты генератора СВЧ, введенный в предлагаемое устройство, позволяет в совокупности с другими существенными признаками устройства получить сведения об эффективном размере вибрирующего объекта, содержащиеся в выходном сигнале. The frequency scanning unit of the microwave generator, introduced into the proposed device, in conjunction with other essential features of the device to obtain information about the effective size of the vibrating object contained in the output signal.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства. The drawing shows a structural diagram of the proposed device.

Устройство содержит генератор СВЧ 1, частота которого может изменяться с помощью блока 2 сканирования, и последовательно подключенные к выходу генератора 1 ответвитель 3 и излучатель 4. Приемная антенна 5, расположенная в одной плоскости с излучателем 4, подключена к последовательно соединенным детекторной секции 6, усилителю 7 и регистрирующему прибору 8. Второй выход ответвителя 3 через аттенюатор 9 соединен с вторым входом детекторной секции 6. The device comprises a microwave generator 1, the frequency of which can be changed using the scanning unit 2, and a coupler 3 and a radiator 4 connected in series to the output of the generator 1. A receiving antenna 5, located in the same plane as the radiator 4, is connected to the detector section 6 connected in series to the amplifier 7 and the recording device 8. The second output of the coupler 3 through the attenuator 9 is connected to the second input of the detector section 6.

Электромагнитные волны, вырабатываемые генератором 1, частично проходят через ответвитель 3 и излучаются излучателем 4 в направлении исследуемого вибрирующего объекта. Отраженные от объекта волны принимаются антенной 5 и поступают на детекторную секцию 6, на которую также подается для калибровки часть энергии генератора 1, отведенная ответвителем 3 и прошедшая через аттенюатор 9. Детекторная секция 6 выделяет переменную составляющую амплитуды сигнала вибрации, которая после усилителя 7 поступает на регистрирующий прибор 8. The electromagnetic waves generated by the generator 1 partially pass through the coupler 3 and are emitted by the emitter 4 in the direction of the vibrating object under study. The waves reflected from the object are received by the antenna 5 and fed to the detector section 6, which also receives part of the energy of the generator 1, allocated by the coupler 3 and passed through the attenuator 9, for calibration. The detector section 6 selects the variable component of the amplitude of the vibration signal, which after the amplifier 7 goes to recording device 8.

Сигнал на выходе предлагаемого устройства с точностью до постоянного множителя, повторяет функцию, описывающую смещение зондируемого объекта при вибрации, а также содержит сведения об эффективном размере исследуемого объекта. The output signal of the proposed device, accurate to a constant factor, repeats the function that describes the displacement of the probed object during vibration, and also contains information about the effective size of the studied object.

Известно [3] , что напряженность электрического поля Ε , отраженного от плоского отражателя, при облучении его монохроматической волной с длиной волны λ в приближении Френеля можно записать в виде ε = aexp2ikZ/Z²J; J = ∫∫exp[ik(x²+y²)/Z] dxdy, (1)
где а - коэффициент, пропорциональный амплитуде излучающего источника;
к= 2 π / λ;
Z - расстояние от источника излучения до отражателя;
х и у - поперечные координаты в плоскости отражателя.It is known [3] that the electric field Ε reflected from a plane reflector, when irradiated with a monochromatic wave with a wavelength λ in the Fresnel approximation, can be written in the form ε = aexp2ikZ / Z ² J; J = ∫∫exp [ik (x ² + y ² ) / Z] dxdy, (1)
where a is a coefficient proportional to the amplitude of the emitting source;
k = 2 π / λ;
Z is the distance from the radiation source to the reflector;
x and y are the transverse coordinates in the plane of the reflector.

При вибрации отражателя (Z= Z(t)= Z_o+ +ζ(t), где ζ(t) - функция, описывающая смещение объекта при вибрации) амплитуда А и фаза φ поля ( Ε= A˙e^iφ ), испытывают колебания относительно среднего уровня А_о, т. е. А(t)= А_о+А_~(t). _Для квадратного отражателя с эффективным размером l из (1) в условиях ближней радиолокации, когда
τ₀=

1

, следует, что
A_~(t) = Kζ(t); K =

cosΠ(τ

\binom{2}{0}

-1/4) . (2)
Таким образом, переменная составляющая амплитуды с точностью до коэффициента К повторяет величину ζ (t), описывающую смещение объекта при вибрации, и, наблюдая сигнал на выходе устройства, можно измерять его амплитуду и частотный спектр.When the reflector vibrates (Z = Z (t) = Z _o + + ζ (t), where ζ (t) is the function that describes the displacement of the object during vibration), the amplitude A and phase of the field φ (Ε = A˙e ^iφ ) are tested fluctuations with respect to the average level A _o , i.e., A (t) = A _o + A _~ (t). _For a square reflector with an effective size l from (1) in the conditions of near radar, when
τ ₀ =

1

, follows that
A _~ (t) = Kζ (t); K =

cosΠ (τ

\binom{2}{0}

-1/4). (2)
Thus, the variable component of the amplitude, up to the coefficient K, repeats the value ζ (t), which describes the displacement of the object during vibration, and by observing the signal at the output of the device, its amplitude and frequency spectrum can be measured.

Согласно (2), величина коэффициента К немонотонно зависит от эффективного размера объекта вибрации l. Сканируя частоту, можно определить значения λ , которым соответствуют два соседних максимальных значения функции А_~ (t).According to (2), the coefficient K nonmonotonically depends on the effective size of the vibration object l. Scanning the frequency, we can determine the values of λ, which correspond to two adjacent maximum values of the function A _~ (t).

Условие этих максимумов записывается, как

,
где m - произвольное целое число. Отсюда
τ₂ ² - τ₁ ²= 1;

-

=

= 1,
где Δλ= λ₁-λ₂ <<λ_1,2.The condition of these maxima is written as

,
where m is an arbitrary integer. From here
τ ₂ ² - τ ₁ ² = 1;

-

=

= 1,
where Δλ = λ ₁ -λ ₂ << λ _1,2 .

Тогда
l²=

.Then
l ² =

.

Таким образом, измеряя значения λ , соответствующие двум соседним максимумам выходного сигнала, можно определить эффективный размер вибрирующего объекта. Величина Z может быть известна заранее или измерена известными способами, например, как в [3] . Thus, by measuring the values of λ corresponding to two adjacent maxima of the output signal, it is possible to determine the effective size of the vibrating object. The value of Z can be known in advance or measured by known methods, for example, as in [3].

Предлагаемое устройство обеспечивает достаточно высокую точность и чувствительность измерений при соответствующем выборе диапазона зондирующих частот. Поскольку амплитуды вибраций деталей реальных механических объектов обычно имеют величины порядка нескольких миллиметров, особенно перспективным представляется использование милли- и субмиллиметрового диапазона волн. The proposed device provides a sufficiently high accuracy and sensitivity of measurements with the appropriate choice of the range of probe frequencies. Since the vibration amplitudes of parts of real mechanical objects usually have values of the order of several millimeters, it is especially promising to use the millimeter and submillimeter wavelength ranges.

Предлагаемое устройство конструктивно выполняется на известных элементах волноводной техники. В качестве излучателя и приемной антенны может быть использован открытый конец волновода или рупор, поскольку нужна слабая направленность излучения. The proposed device is structurally performed on known elements of waveguide technology. As the emitter and the receiving antenna, the open end of the waveguide or the horn can be used, since a weak directivity of the radiation is needed.

(56) 1. Гречинский Д. А. Методы и средства бесконтактного измерения вибрации. Метрология, 1982, N 6, с. 18. (56) 1. Grechinsky D.A. Methods and means of non-contact measurement of vibration. Metrology, 1982, N 6, p. eighteen.

2. Авторское свидетельство СССР N 672500, кл. G 01 H 9/00, 1979. 2. Copyright certificate of the USSR N 672500, cl. G 01 H 9/00, 1979.

3. Гельфер Э. И. , Степанов Н. С. и Финкельштейн С. Е. О дистанционной диагностике вибрирующих объектов в миллиметровом диапазоне волн. Радиотехника и электроника, 1986, т. 31, N 5, с. 1000. 3. Gelfer E.I., Stepanov N.S. and Finkelstein S.E. On remote diagnostics of vibrating objects in the millimeter wave range. Radio engineering and electronics, 1986, v. 31, N 5, p. 1000.

Claims

DEVICE FOR REMOTE DETERMINATION OF VIBRATING OBJECTS PARAMETERS, comprising a microwave generator, a coupler and a radiator, an attenuator, the input of which is connected to the coupler, a receiving antenna in series with the radiator, a detector section, an amplifier and a recording device, characterized in that a frequency scanning unit connected to a microwave generator is introduced, and the attenuator output is connected to the second input of the detector section.