RU2181478C1

RU2181478C1 - Vibration meter

Info

Publication number: RU2181478C1
Application number: RU2000132558A
Authority: RU
Inventors: А.А. Никитин
Original assignee: Никитин Анатолий Александрович
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2002-04-20

Abstract

FIELD: vibration measurement. SUBSTANCE: invention can find use to control level of vibration in technical and technological processes during manufacture of parts and units and to diagnose vibration in machines and mechanisms. Vibration meter has SHF generator, transmission line ( waveguide ), detector with probe and indicator and antenna. Location of detector is determined from relation given in formula of invention. EFFECT: raised sensitivity of vibration meter. 1 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области виброметрии и может быть использовано в качестве измерителя вибраций. The invention relates to the field of vibrometry and can be used as a vibration meter.

Известен измеритель вибраций (Константинов В.А., Трубников С.Г. Измерение малых перемещений и вибраций радиотехническими методами. Метрология. 1972. 5, с. 16-23), содержащий генератор СВЧ, двойной волноводный Т-образный мост, антенну, регулируемую нагрузку, детектор и индикатор. Принцип работы измерителя основан на нарушении равновесия Т-образного моста при перемещении объекта. A known vibration meter (Konstantinov VA, Trubnikov SG Measurement of small displacements and vibrations by radio engineering methods. Metrology. 1972. 5, S. 16-23), containing a microwave generator, double waveguide T-shaped bridge, an antenna, adjustable load, detector and indicator. The principle of operation of the meter is based on the imbalance of the T-shaped bridge when moving the object.

Недостатками данной конструкции являются низкая чувствительность, сложность балансировки моста. The disadvantages of this design are low sensitivity, the complexity of balancing the bridge.

Известен также измеритель вибраций (Griffin D.W. "MW interferometers for biological studies", Microwave journal, 1978. Vol. 21. 5, p. 69-72), содержащий трехплечий циркулятор, к одному плечу которого присоединен генератор СВЧ, другому - антенна, третьему - детектор с индикатором. В волноводе между антенной и циркулятором расположен штырь, формирующий опорный сигнал. Работа данного измерителя основана на сравнении двух сигналов: отраженного от объекта и опорного. Also known is a vibration meter (Griffin DW "MW interferometers for biological studies", Microwave journal, 1978. Vol. 21. 5, p. 69-72) containing a three-arm circulator, to which a microwave generator is connected to one arm, the antenna to the other, and the third - detector with indicator. In the waveguide between the antenna and the circulator is a pin that forms the reference signal. The operation of this meter is based on a comparison of two signals: reflected from the object and the reference.

Недостатками данного устройства являются низкая чувствительность, громоздкость конструкции, сложная настройка. The disadvantages of this device are low sensitivity, cumbersome design, complicated setup.

Известен также измеритель вибраций (Коломейцев Ф.И., Быстряков Н.П., Снежко Е. М. , Харагай Г.И., СВЧ-установка для измерения вибраций. Измерительная техника, 1971, 11, с. 45 и 46), содержащий соединенные волноводом генератор СВЧ, измерительную линию с детектором, к которому подключен индикатор, и антенну. Also known is a vibration meter (Kolomeytsev F.I., Bystryakov N.P., Snezhko E.M., Kharagay G.I., Microwave Unit for Measuring Vibrations. Measuring Equipment, 1971, 11, p. 45 and 46), comprising a microwave generator connected by a waveguide, a measuring line with a detector to which an indicator is connected, and an antenna.

Данный измеритель имеет низкую чувствительность, так как детектор фиксирует только изменение фазы отраженной волны. This meter has a low sensitivity, since the detector detects only the phase change of the reflected wave.

Известен также измеритель вибрации, содержащий последовательно соединенные генератор СВЧ детектор с подключенным к нему индикатором и антенну. В устройстве имеют место два эффекта - фазовый и амплитудный, сложение которых позволяет повысить ток детектора, то есть увеличить чувствительность измерителя, см. патент РФ 2025569, кл. G 01 М 9/00, 1991 г. Also known is a vibration meter comprising a microwave detector connected in series with an indicator connected to it and an antenna. The device has two effects - phase and amplitude, the addition of which can increase the detector current, that is, increase the sensitivity of the meter, see RF patent 2025569, cl. G 01 M 9/00, 1991

Недостатком данного устройства является низкая чувствительность измерителя. обусловленная его конструкцией. The disadvantage of this device is the low sensitivity of the meter. due to its design.

Наиболее близким к заявляемому является измеритель вибраций (патент РФ 2082114, кл. G 01 Н 9/00, 1994 г.), содержащий последовательно соединенные генератор СВЧ, детектор с подключенным к нему индикатором и антенну, расположение которой определяется соотношением

где l₁ - расстояние от антенны до детектора;
l₂ - расстояние от антенны до контролируемого объекта;
l₃ - длина круглого волновода, образующего антенну;
λ_в - длина волны в линии передачи;
λ₀ - длина волны в свободном пространстве;
n=1,3,5...Closest to the claimed one is a vibration meter (RF patent 2082114, class G 01 H 9/00, 1994) containing a microwave generator in series, a detector with an indicator connected to it, and an antenna, the location of which is determined by the ratio

where l ₁ is the distance from the antenna to the detector;
l ₂ is the distance from the antenna to the controlled object;
l ₃ is the length of the circular waveguide forming the antenna;
λ _in - wavelength in the transmission line;
λ ₀ - wavelength in free space;
n = 1,3,5 ...

Недостатком измерителя является низкая чувствительность, обусловленная его конструкцией. The disadvantage of the meter is the low sensitivity due to its design.

Задачей изобретения является повышение чувствительности измерителя вибрации контролируемого объекта. The objective of the invention is to increase the sensitivity of the vibration meter of the controlled object.

Поставленная задача решается тем, что в измерителе вибраций, содержащем генератор СBЧ, детектор с зондом, подключенный к детектору индикатор и антенну, согласно изобретению расположение детектора выбрано из соотношения

,
где l_д - расстояние от генератора до детектора,
l₁ - расстояние от генератора до антенны,
l₂ - расстояние от антенны до контролируемого объекта,
при этом l₁ и l₂ связаны соотношением

λ_в - длина волны в линии передачи;
λ₀ - длина волны в свободном пространстве;
k - простое число.The problem is solved in that in the vibration meter containing the WBCH generator, a detector with a probe, an indicator and an antenna connected to the detector, according to the invention, the location of the detector is selected from the ratio

,
where l _d is the distance from the generator to the detector,
l ₁ - distance from the generator to the antenna,
l ₂ - the distance from the antenna to the controlled object,
while l ₁ and l ₂ are related by

λ _in - wavelength in the transmission line;
λ ₀ - wavelength in free space;
k is a prime.

При этом длина зонда детектора (h_з), выступающего в волновод (линию передачи), определена из соотношения

Изобретение поясняется фиг.1, где измеритель вибраций изображен в виде блок-схемы, содержащей последовательно соединенные генератор СВЧ 1, детектор 2 с подключенным к нему индикатором 3 и антенну 4.The length of the probe probe (h _s ) protruding into the waveguide (transmission line) is determined from the relation

The invention is illustrated in figure 1, where the vibration meter is depicted in the form of a block diagram containing a series-connected microwave generator 1, detector 2 with an indicator 3 connected to it and antenna 4.

На фиг. 2 представлена зависимость тока квадратичного детектора от расстояния между антенной и контролируемым объектом. In FIG. Figure 2 shows the dependence of the quadratic detector current on the distance between the antenna and the controlled object.

Устройство работает следующим образом. Электромагнитные волны распространяются от генератора 1 и излучаются антенной 4 в направлении контролируемого объекта 5. Волны, отраженные от объекта, принимаются той же антенной, в результате чего в линии передачи образуется стоячая волна. Согласно граничным условиям на поверхности объекта напряженность электрического поля имеет минимумы, которые будут чередоваться в стоячей волне через λ/2, где λ - длина волны. Как видно на фиг.2, если детектор расположить на расстоянии от объекта

то увеличение расстояния между детектором и объектом приведет к увеличению тока детектора, а уменьшение - к уменьшению тока детектора. Соответственно, если

то будет наблюдаться противоположная ситуация.The device operates as follows. Electromagnetic waves propagate from the generator 1 and are emitted by the antenna 4 in the direction of the monitored object 5. The waves reflected from the object are received by the same antenna, as a result of which a standing wave forms in the transmission line. According to the boundary conditions on the surface of the object, the electric field strength has minima that will alternate in a standing wave through λ / 2, where λ is the wavelength. As can be seen in figure 2, if the detector is located at a distance from the object

then an increase in the distance between the detector and the object will increase the detector current, and a decrease will decrease the detector current. Accordingly, if

then the opposite situation will be observed.

Путем выбора расстояния между генератором и антенной l₁, а также антенной и контролируемым объектом l₂ достигается эффект фазового и амплитудного увеличения тока детектора - возрастания чувствительности измерителя, см. патент РФ 2025670, кл. G 01 Н 9/00, 1991 г. При соответствующем выборе расстояния между детектором и антенной, а также между антенной и объектом имеет место положительный суммарный эффект, см. патент РФ 2082114, кл. G 01 Н 9/00, 1994 г.By choosing the distance between the generator and the antenna l ₁ , as well as the antenna and the controlled object l ₂ , the effect of phase and amplitude increase in the detector current is achieved - increase the sensitivity of the meter, see RF patent 2025670, cl. G 01 H 9/00, 1991. With the appropriate choice of the distance between the detector and the antenna, as well as between the antenna and the object, a positive cumulative effect takes place, see RF patent 2082114, cl. G 01 H 9/00, 1994

Наилучший результат достигается, если расположение детектора определяется из соотношения

λ_в - длина волны в линии передачи;
λ₀ - длина волны в свободном пространстве;
k - простое число.The best result is achieved if the location of the detector is determined from the ratio

Пример конкретного выполнения. Для измерения вибраций используют генератор СВЧ с частотой колебаний 18,3 ГГц, в качестве детектора - диод Д608, индикатора - селективный вольтметр фирмы "Брюль и Кьер" (Дания), осциллограф С1-93, источник вибраций - вибростенд 4290 фирмы "Брюль и Кьер" (Дания), антенну. В качестве передающей линии используют прямоугольный волновод сечением 11х5,5 мм². Зависимости наименьших значений смещений, которые еще способны вызвать заметные изменения выходного сигнала от частоты вибрации и прототипа, приведены в таблице.An example of a specific implementation. A microwave generator with an oscillation frequency of 18.3 GHz is used to measure vibrations, a D608 diode is used as a detector, a selective Bruhl & Kier firm voltmeter (Denmark) is an indicator, a C1-93 oscilloscope, a vibration source is a Bruhl and Kier vibration stand 4290 "(Denmark), the antenna. As the transmission line, a rectangular waveguide with a cross section of 11 × 5.5 mm ^{2 is used} . The dependences of the smallest displacement values, which are still capable of causing noticeable changes in the output signal from the vibration frequency and prototype, are shown in the table.

Анализ данных демонстрирует достаточный положительный эффект при использовании предлагаемого технического решения (увеличение чувствительности на 20% по сравнению с прототипом) при высокой степени повторяемости результатов. Data analysis demonstrates a sufficient positive effect when using the proposed technical solution (increase in sensitivity by 20% compared with the prototype) with a high degree of repeatability of the results.

Нижняя граница расположения диода выбрана из условия

Минимальное смещение, измеренное с помощью предлагаемого измерителя вибраций, составило 0,0035 мкм.The lower boundary of the diode is selected from the condition

The minimum displacement, measured using the proposed vibration meter, was 0.0035 microns.

Высокая чувствительность измерителя вибраций, достигаемая при использовании данного технического решения, открывает широкие возможности его применения в различных областях народного хозяйства для прецизионного контроля уровня вибраций в технических и технологических процессах при изготовлении узлов и деталей, для вибродиагностики машин и механизмов. The high sensitivity of the vibration meter, achieved by using this technical solution, opens up wide possibilities for its application in various fields of the national economy for precision control of the level of vibrations in technical and technological processes in the manufacture of components and parts, for the vibration diagnostics of machines and mechanisms.

Claims

1. A vibration meter comprising a microwave generator connected in series, a detector with a probe, with an indicator connected to the detector, and an antenna, characterized in that the location of the detector is selected from the ratio

where l _d is the distance from the generator to the detector;
l ₁ - distance from the generator to the antenna;
l ₂ - the distance from the antenna to the controlled object,
while l ₁ and l ₂ are related by

2. The vibration meter according to claim 1, characterized in that the length of the detector probe (h _s ) protruding into the waveguide (transmission line) is determined from the relation