RU2415387C1 - Method to analyse oscillations - Google Patents

Method to analyse oscillations Download PDF

Info

Publication number
RU2415387C1
RU2415387C1 RU2009124813/28A RU2009124813A RU2415387C1 RU 2415387 C1 RU2415387 C1 RU 2415387C1 RU 2009124813/28 A RU2009124813/28 A RU 2009124813/28A RU 2009124813 A RU2009124813 A RU 2009124813A RU 2415387 C1 RU2415387 C1 RU 2415387C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
deformation
frequency
random process
deformation speed
strain
Prior art date
Application number
RU2009124813/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009124813A (en
Inventor
Сергей Федорович Тимашев (RU)
Сергей Федорович Тимашев
Александр Сергеевич Смолянский (RU)
Александр Сергеевич Смолянский
Андрей Сергеевич Шведов (RU)
Андрей Сергеевич Шведов
Сергей Георгиевич Лакеев (RU)
Сергей Георгиевич Лакеев
Нина Никитична Песчанская (RU)
Нина Никитична Песчанская
Виталий Вениаминович Шпейзман (RU)
Виталий Вениаминович Шпейзман
Павел Николаевич Якушев (RU)
Павел Николаевич Якушев
Original Assignee
ФГУП Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова (НИФХИ им. Л.Я. Карпова)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ФГУП Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова (НИФХИ им. Л.Я. Карпова) filed Critical ФГУП Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова (НИФХИ им. Л.Я. Карпова)
Priority to RU2009124813/28A priority Critical patent/RU2415387C1/en
Publication of RU2009124813A publication Critical patent/RU2009124813A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2415387C1 publication Critical patent/RU2415387C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: proposed method comprises measuring solid body deformation and plotting deformation and deformation speed vs test duration, deformation speed and amount. Note here that, to prove random occurrence of deformation speed fluctuation, obtained time dependence of deformation speed is processed by means of direct Fourier transform with subsequent representation of random process power spectrum in log-log grid. In case the dependence of random process power on frequency obeys the following relations: S=S(0) at ω<ω0, S~ω-n at ω>ω0, where ω, ω0 are oscillation frequencies on running light wave and that reflected by mirror, respectively, n=2H1+1 (H1 - Hurst constant) corresponds to spectral power S in frequency range ω<ω0, then it may be concluded that flicker-noise origin belongs in random process of solid body deformation speed fluctuation occurrence.
EFFECT: analysis of oscillations using laser Doppler strain metre.
8 dwg

Description

Изобретение относится к области оптической виброметрии и может быть использовано в оптическом приборостроении, лазерной флоуметрии, разработке устройств для измерения расхода жидкостей и газов.The invention relates to the field of optical vibrometry and can be used in optical instrumentation, laser flowmetry, the development of devices for measuring the flow of liquids and gases.

Известен способ исследования колебаний [1. Способ исследования колебаний: Патент РФ №2097710, МПК G01H 1/08 (Заявка №94029365/28 от 1994.08.05)], при котором направляют излучение источника на исследуемый объект, формируют сигнал из сдвинутых по фазе волн, - опорной и отраженной от исследуемого объекта, - измеряют спектр выходного сигнала, по нескольким фиксированным значениям амплитуд гармоник судят об исследуемом объекте. При формировании сигнала изменяют расстояние между источником и исследуемым объектом, изменяя соответственно величину сдвига фаз. Спектр сигнала снимают при каждом изменении расстояния, фиксируя в каждом из них гармонику с максимальной амплитудой и соответствующую ей частоту, выбирают среди них частоты с минимальным и максимальным значениями, и о колебаниях судят по предложенным соотношениям. Кроме того, при формировании сигнала задают изменение расстояния между источником и исследуемым объектом в пределах значений, больших λ/2, и определяют амплитуду колебаний.A known method of researching oscillations [1. Oscillation research method: RF Patent No. 2097710, IPC G01H 1/08 (Application No. 94029365/28 of 1994.08.05)], in which the radiation of the source is directed to the object under study, a signal is generated from the phase-shifted waves, which are the reference and reflected from the studied object, - measure the spectrum of the output signal, using several fixed values of the amplitudes of the harmonics judge the object under study. When generating a signal, the distance between the source and the object under study is changed, respectively, changing the magnitude of the phase shift. The signal spectrum is taken at each change in distance, fixing in each of them a harmonic with a maximum amplitude and a frequency corresponding to it, frequencies among them with a minimum and a maximum value are selected, and the oscillations are judged by the proposed relations. In addition, when generating the signal, the change in the distance between the source and the object under study is set within the range of values greater than λ / 2, and the oscillation amplitude is determined.

Недостатками этого способа являются малая информативность метода обработки полученной экспериментальной информации, периодический режим измерения деформации объекта.The disadvantages of this method are the low information content of the processing method of the obtained experimental information, the periodic mode of measuring the deformation of the object.

Указанные недостатки обусловлены методикой обработки полученного спектра сигнала, основанной на рассмотрении только гармоники с максимальной амплитудой и соответствующей ей частоты и последующем анализе полученной выборки частот, соответствующем каждому изменению расстояния, и выборе среди полученной выборки частот с максимальными и минимальными значениями.These shortcomings are due to the processing technique of the obtained signal spectrum, based on considering only the harmonics with the maximum amplitude and the corresponding frequency and the subsequent analysis of the obtained frequency sample corresponding to each change in distance, and choosing among the obtained frequency sample with maximum and minimum values.

Известен способ измерения периодического закона движения [2. Способ измерения периодического закона движения вибрирующей поверхности: Патент РФ №2101686, МПК G01H 1/04 (Заявка №96100261/28 от 1996.01.05)], который включает формирование массива точек пересечения нулевого уровня электрическим сигналом на каждом периоде вибраций. Далее производится пошаговый расчет значений закона движения вибрирующей поверхности z(t) в этих точках в пределах каждого интервала между соседними пересечениями нулевого уровня. На границах интервалов результаты расчетов сшиваются с учетом непрерывности.A known method of measuring the periodic law of motion [2. A method for measuring the periodic law of motion of a vibrating surface: RF Patent No. 2101686, IPC G01H 1/04 (Application No. 96100261/28 of 1996.01.05)], which includes the formation of an array of points of intersection of the zero level with an electric signal at each vibration period. Next, a step-by-step calculation of the values of the law of motion of the vibrating surface z (t) at these points within each interval between adjacent zero-level intersections is performed. At the boundaries of the intervals, the calculation results are stitched together with continuity.

Недостатками известного способа являются малая информативность метода обработки полученной экспериментальной информации, периодический характер процесса измерений, сложная процедура обработки полученных данных, основанная на предположении о заранее известном периодическом характере движения исследуемого объекта.The disadvantages of this method are the low informativeness of the method of processing the obtained experimental information, the periodic nature of the measurement process, the complex procedure for processing the obtained data, based on the assumption of a predetermined periodic nature of the movement of the investigated object.

Указанные недостатки обусловлены методикой исследования колебаний, основанной на формировании массива точек пересечения нулевого уровня электрическим сигналом на каждом периоде колебаний, пошаговом расчете значений закона движения вибрирующей поверхности в этих точках в пределах каждого интервала между соседними пересечениями нулевого уровня и последующим сшиванием полученных результатов расчетов с учетом условия непрерывности.These shortcomings are caused by the method of studying vibrations, based on the formation of an array of points of intersection of the zero level with an electric signal at each oscillation period, step-by-step calculation of the values of the law of motion of the vibrating surface at these points within each interval between adjacent intersections of the zero level and subsequent stitching of the results of calculations taking into account the condition continuity.

Известен способ проверки технического состояния танковых двигателей [3. Прибор проверки технического состояния танковых двигателей. Заявка №94020038 от 1994.06.01, МПК F41H 7/02; F02B 1/00], который основан на том, что при изменении параметров вибрации с использованием лазерного интерферометра его интенсивность излучения изменяется в зависимости от взаимного расположения лазера и объекта измерения. При этом число периодов N колебаний интенсивности лазерного излучения за один период вибрации объекта определяет, на сколько переместился объект. Число N определяется по формуле (1):A known method of checking the technical condition of tank engines [3. Device for checking the technical condition of tank engines. Application No. 94020038 dated 1994.06.01, IPC F41H 7/02; F02B 1/00], which is based on the fact that when changing vibration parameters using a laser interferometer, its radiation intensity changes depending on the relative position of the laser and the measurement object. Moreover, the number of periods N of fluctuations in the intensity of laser radiation for one period of vibration of the object determines how much the object has moved. The number N is determined by the formula (1):

Figure 00000001
Figure 00000001

где f - частота интенсивности лазерного излучения; F - опорная частота (частота колебаний исследуемого объекта). Таким образом, амплитуда вибросмещения сводится к определению отношения частот f и F; сигнал с частотой f формируется на выходе фотоприемника лазера, а сигнал с опорной частотой F - от генератора опорной частоты.where f is the frequency of the intensity of the laser radiation; F is the reference frequency (the oscillation frequency of the investigated object). Thus, the amplitude of vibration displacement is reduced to determining the ratio of frequencies f and F; a signal with a frequency f is generated at the output of the laser photodetector, and a signal with a reference frequency F is from a reference frequency generator.

Недостатками известного способа [3] являются необходимость в эталоне частоты, периодический характер измерения деформации исследуемого объекта, малая информативность метода регистрации и сложная процедура обработки экспериментальной деформации.The disadvantages of this method [3] are the need for a frequency standard, the periodic nature of the measurement of the deformation of the test object, the low informativeness of the registration method and the complex procedure for processing experimental deformation.

Указанные недостатки обусловлены предложенным в [3] методом измерения колебаний, основанным на рассмотрении общего числа периодов колебаний интенсивности лазерного излучения за один период колебания исследуемого объекта, индуцированного генератором опорной частоты. При этом не производится анализ всего спектра частот, возникающего в колеблющемся объекте; анализ экспериментальных данных сводится к рассмотрению деформационного поведения всего лишь на одной частоте, что существенно обедняет информацию о деформационных свойствах исследуемого объекта.These shortcomings are due to the method of measuring vibrations proposed in [3], based on a consideration of the total number of periods of fluctuations in the intensity of laser radiation for one period of oscillation of the object under study induced by the reference frequency generator. However, the analysis of the entire frequency spectrum that occurs in an oscillating object is not performed; analysis of experimental data is reduced to considering the deformation behavior at only one frequency, which significantly depletes the information about the deformation properties of the studied object.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ исследования колебаний [4. Якушев П.Н., Песчанская Н.Н. // Интерферометрический метод определения релаксационных переходов в полимерах ниже температуры стеклования // Методика ГСССД. - 1991], основанный на использовании для исследования закономерностей деформации твердых тел лазерного доплеровского деформометра, обладающего следующими техническими характеристиками:The closest in technical essence to the claimed method is a method for the study of fluctuations [4. Yakushev P.N., Peschanskaya N.N. // Interferometric method for determining relaxation transitions in polymers below the glass transition temperature // GSSSD Method. - 1991], based on the use to study the laws of deformation of solids of a laser Doppler deformometer with the following technical characteristics:

а) диапазон скоростей деформации: 10-2÷10-10 м/с;a) range of strain rates: 10 -2 ÷ 10 -10 m / s;

б) диапазон деформаций: 10-6÷10-2 м;b) deformation range: 10 -6 ÷ 10 -2 m;

в) «цена деления» по шкале деформации ΔD=λ/4, где λ - длина волны излучения He-Ne лазера (при λ≈0,63 мкм значение ΔD≈0,15·10-6 м);c) the “division price” on the deformation scale ΔD = λ / 4, where λ is the wavelength of the He-Ne laser radiation (at λ≈0.63 μm, the value ΔD≈0.15 · 10 -6 m);

г) погрешность измерения деформации ε и скорости деформации

Figure 00000002
т.е. она в основном определяется нестабильностью по частоте лазерного излучения и погрешностей измерительных приборов;d) the error in measuring strain ε and strain rate
Figure 00000002
those. it is mainly determined by the instability in the frequency of laser radiation and the errors of measuring instruments;

д) диапазон температур измерения: 77÷473 К (нет принципиальной трудности в расширении ΔT; задаваемая температура поддерживается с точностью ±0,1%);d) measurement temperature range: 77 ÷ 473 K (there is no fundamental difficulty in expanding ΔT; the set temperature is maintained with an accuracy of ± 0.1%);

е) продолжительность опыта - от 1 до 104 с;e) the duration of the experiment is from 1 to 10 4 s;

ж) величина действующих напряжений - от 1 до 150 МПа, - может быть задана с точностью ±2%.g) the value of the acting stresses - from 1 to 150 MPa, - can be set with an accuracy of ± 2%.

Оптическая схема лазерного доплеровского деформометра основана на интерферометре Майкельсона (Фиг.1), состоящем из лазера 1, зеркал 2, 8, 9, поляризатора 3, фотоприемников 4, 5, полупрозрачных зеркал 6, 7 и сопряженном с установкой для изучения ползучести исследуемых образцов твердых тел. Зеркало 2 жестко связано с подвижным захватом, отслеживающим деформацию образца в процессе нагружения. Отраженный движущимся зеркалом луч b претерпевает доплеровский сдвиг частот:The optical scheme of the laser Doppler deformometer is based on the Michelson interferometer (Figure 1), consisting of a laser 1, mirrors 2, 8, 9, a polarizer 3, photodetectors 4, 5, translucent mirrors 6, 7 and associated with the installation for studying the creep of the studied samples of solid tel. Mirror 2 is rigidly connected with a movable grip that tracks the deformation of the sample during loading. Reflected by a moving mirror, beam b undergoes a Doppler frequency shift:

Figure 00000003
Figure 00000003

где ω, ω0 - частоты колебаний проходящей и отраженной от зеркала световой волны, соответственно. В простейшем случае, когда зеркало расположено перпендикулярно падающему на него световому лучу и перемещается параллельно самому себе, имеет место «продольный эффект Доплера».where ω, ω 0 are the frequencies of the transmitted and reflected light waves from the mirror, respectively. In the simplest case, when the mirror is perpendicular to the incident light beam and moves parallel to itself, there is a “longitudinal Doppler effect”.

В этом случае частоту отраженного света можно определить по формуле:In this case, the frequency of reflected light can be determined by the formula:

Figure 00000004
Figure 00000004

где с - скорость света, v - скорость движения источника света (мнимого):

Figure 00000005
где
Figure 00000006
- скорость перемещения зеркала 2 (10-3-10-9 м/с). Поскольку v<<c, получим:where c is the speed of light, v is the speed of movement of the light source (imaginary):
Figure 00000005
Where
Figure 00000006
- the speed of movement of the mirror 2 (10 -3 -10 -9 m / s). Since v << c, we get:

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

В результате интерференции двух световых волн получается новая волна - «волна биений», интенсивность которой совершает осцилляции с частотой Δω - «частотой биений». Пусть интенсивности падающего и отраженного лучей света - I1 и I2, тогда интенсивность результирующего светового потока:As a result of the interference of two light waves, a new wave is obtained - the “beat wave”, the intensity of which oscillates with a frequency Δω - the “beat frequency”. Let the intensities of the incident and reflected light beams - I 1 and I 2 , then the intensity of the resulting light flux:

Figure 00000009
Figure 00000009

Очевидно, что при cos(Δωt)=1 наблюдается максимальная интенсивность света, фиксируемого системой регистрации. Пусть частота следования максимумов интенсивности биений v=Δω/2π; тогда, с учетом того, что ω0=2πc/λ, получим:Obviously, at cos (Δωt) = 1, the maximum light intensity recorded by the registration system is observed. Let the frequency of repetition of maxima of the intensity of the beats v = Δω / 2π; then, given the fact that ω 0 = 2πc / λ, we obtain:

Figure 00000010
Figure 00000010

где λ - длина волны источника света. Для лазера с длиной волны 633 нм диапазон изменения частоты составит ≈0,3·(104÷10-4) с-1, что можно экспериментально зарегистрировать. Выражение для скорости перемещения зеркала:where λ is the wavelength of the light source. For a laser with a wavelength of 633 nm, the frequency range is ≈0.3 · (10 4 ÷ 10 -4 ) s -1 , which can be experimentally recorded. The expression for the speed of movement of the mirror:

Figure 00000011
Figure 00000011

Для оценки величины перемещения, εа, получим, интегрируя (7):To estimate the displacement, ε a , we obtain by integrating (7):

Figure 00000012
Figure 00000012

где N - число полных колебаний интенсивности волны биений.where N is the number of complete fluctuations in the intensity of the beat wave.

В схеме, приведенной на Фиг.1, лучи b и с претерпевают одинаковое количество преломлений и отражений. Тогда по формуле (6), при I1=I2, получим:In the circuit shown in FIG. 1, rays b and c undergo the same number of refractions and reflections. Then, by the formula (6), for I 1 = I 2 , we obtain:

Figure 00000013
Figure 00000013

Следовательно, интенсивность выходного луча изменяется от 0 до 4I1.Therefore, the intensity of the output beam varies from 0 to 4I 1 .

Таким образом, известный способ исследования колебаний [4] включает следующие стадии:Thus, the known method for the study of fluctuations [4] includes the following stages:

а) периодическая регистрация деформационной интерферограммы на бумажном носителе информации (лента самописца). При этом значение частоты выбирается усредненным по 5÷10 колебаниям, в случайных точках, соответствующих деформациям, измеренным независимо на установке для исследования ползучести твердых тел;a) periodic recording of the deformation interferogram on a paper information carrier (recorder tape). In this case, the frequency value is selected averaged over 5 ÷ 10 vibrations, at random points corresponding to deformations, measured independently on a setup for studying the creep of solids;

б) по формулам (8, 9) определяют величину деформации и скорость ползучести;b) formulas (8, 9) determine the magnitude of the deformation and the creep rate;

в) по полученным данным осуществляют построение кривых ползучести в координатах «

Figure 00000014
-ε» и «ε-t» и определяют деформацию, соответствующую величине «предела вынужденной эластичности εв».c) according to the data obtained, creep curves are constructed in the coordinates “
Figure 00000014
-ε "and" ε-t "and determine the deformation corresponding to the value of the" limit of elastic elasticity ε in ".

Недостатками известного способа [4] являются низкая информативность, периодический характер измерения величины деформации и скорости ползучести, невозможность детального изучения флуктуаций скорости ползучести исследуемого образца (Фиг.3).The disadvantages of this method [4] are the low information content, the periodic nature of the measurement of the strain and creep rate, the inability to study in detail the fluctuations in the creep rate of the test sample (Figure 3).

Указанные недостатки обусловлены методикой обработки выходного сигнала, регистрируемого от фотоприемников 4, 5, основанной на преимущественном рассмотрении максимумов интерференции, обработке полученных данных при помощи формул (7)÷(9), а также низким уровнем применения методов информационных технологий и современных подходов к анализу случайных процессов.These shortcomings are due to the processing technique of the output signal recorded from photodetectors 4, 5, based on the predominant consideration of interference maxima, processing of the obtained data using formulas (7) ÷ (9), as well as the low level of application of information technology methods and modern approaches to random analysis processes.

Технической задачей изобретения является:An object of the invention is:

устранение указанных недостатков, а именно, низкой информативности, периодического режима измерений, невозможности эффективного анализа флуктуаций скорости ползучести во время эксперимента, а также повышение информативности метода исследования деформационных интерферограмм посредством прямого преобразования Фурье экспериментально установленной зависимости скорости деформации от времени и применения метода фликкер-шумовой спектроскопии для интерпретации полученного спектра мощности случайного процесса возникновения флуктуаций скорости деформации.elimination of the indicated drawbacks, namely, low information content, a periodic measurement mode, the impossibility of an effective analysis of creep rate fluctuations during the experiment, as well as an increase in the information content of the method for studying deformation interferograms by direct Fourier transform of the experimentally established time dependence of the deformation rate and application of flicker noise spectroscopy to interpret the resulting power spectrum of a random process of occurrence of fluctuations second strain rate.

Для достижения указанной задачи в способе, включающем измерение деформации образцов твердых тел с помощью лазерного доплеровского деформометра (Фиг.1), а также использован метод прямого преобразования Фурье для обработки данных деформационного эксперимента, и методология фликкер-шумовой спектроскопии для интерпретации полученных численных векторов экспериментальных данных.To achieve this goal in a method that includes measuring the deformation of samples of solids using a laser Doppler strainmeter (Figure 1), we also used the direct Fourier transform method for processing the data of the deformation experiment, and the methodology of flicker noise spectroscopy to interpret the obtained numerical vectors of experimental data .

Фликкер-шумовая спектроскопия [5. Тимашев С.Ф. // Фликкер-шумовая спектроскопия: информация в хаотических сигналах. - М.: Физматлит, 2007. - 248 с.; 6. Тимашев С.Ф. // Информационная значимость хаотических сигналов: фликкер-шумовая спектроскопия и ее приложения // Электрохимия. - 2006. - Т.42. №5. - С.480-524] - это феноменологически метод извлечения информации, содержащейся в хаотических сигналах, продуцируемых открытыми сложными, в том числе, природными системами разной сущности. Сущность метода фликкер-шумовой спектроскопии состоит в придании информационной значимости нерегулярностям анализируемых сигналов - всплескам, скачкам, изломам производных различных порядков на каждом пространственно-временном уровне иерархической организации исследуемых систем и в установлении корреляционных взаимосвязей в последовательности фиксируемых значений исследуемых динамических переменных. Основное отличие фликкер-шумовой спектроскопии от иных методов анализа хаотических сигналов состоит в введении информационных параметров, характеризующих составляющие исследуемых сигналов в разных диапазонах частот, и реализации необходимых процедур для выделения таких параметров. Согласно методологии фликкер-шумовой спектроскопии, индивидуальные особенности эволюции сложных систем проявляются, прежде всего, в низкочастотных составляющих продуцируемых сигналов, отражающих специфический для каждой системы набор собственных и инициируемых сторонними воздействиями частот, интерференционные вклады таких резонансов. На фоне такого типа низкочастотных «огибающих» неизбежно присутствуют более высокочастотные хаотические («шумовые») составляющие, генезис которых далеко не всегда ясен. Однако, в последовательности указанных высокочастотных хаотических («шумовых») составляющих практически всегда выявляются специфические для каждой системы информационно-значимые корреляционные взаимосвязи. Поэтому, лишь при последовательном выделении вкладов таких составляющих сложных сигналов в разных диапазонах частот и введении соответствующей параметризации, возможно, наиболее адекватно оценивать состояние исследуемой системы, динамику изменения состояния ее подсистем, в том числе, в условиях сторонних воздействий.Flicker noise spectroscopy [5. Timashev S.F. // Flicker noise spectroscopy: information in chaotic signals. - M .: Fizmatlit, 2007 .-- 248 p .; 6. Timashev S.F. // Informational significance of chaotic signals: flicker noise spectroscopy and its applications // Electrochemistry. - 2006. - T.42. No. 5. - S.480-524] is a phenomenologically method for extracting information contained in chaotic signals produced by open complex, including natural systems of different nature. The essence of the flicker-noise spectroscopy method is to give informational significance to the irregularities of the analyzed signals - bursts, jumps, kinks of derivatives of various orders at each spatio-temporal level of the hierarchical organization of the studied systems and to establish correlation relationships in the sequence of fixed values of the studied dynamic variables. The main difference between flicker noise spectroscopy and other methods for analyzing chaotic signals is the introduction of information parameters characterizing the components of the signals under study in different frequency ranges, and the implementation of the necessary procedures for isolating such parameters. According to the methodology of flicker noise spectroscopy, the individual features of the evolution of complex systems are manifested primarily in the low-frequency components of the produced signals, reflecting a specific set of eigenfrequencies and initiated by external influences, interference contributions of such resonances. Against the background of this type of low-frequency “envelopes,” there are inevitably more high-frequency chaotic (“noise”) components, the genesis of which is far from always clear. However, in the sequence of these high-frequency chaotic (“noise”) components, information-specific correlation relationships specific to each system are almost always revealed. Therefore, only by sequentially isolating the contributions of such components of complex signals in different frequency ranges and introducing the appropriate parameterization, it is possible to most adequately assess the state of the system under study, the dynamics of changes in the state of its subsystems, including under external influences.

Именно применение методологии фликкер-шумовой спектроскопии к анализу численных векторов данных, получаемых в результате деформационного эксперимента, позволяет учесть вклады различных факторов, оказывающих влияние на процесс деформации, и таким образом, повысить информативность изучения деформационного поведения твердых тел с помощью лазерного доплеровского деформометра. Таким образом, достигается цель изобретения - повышение информативности деформационных испытаний с применением лазерного доплеровского деформометра.It is the application of the methodology of flicker noise spectroscopy to the analysis of numerical data vectors obtained as a result of a deformation experiment that allows us to take into account the contributions of various factors that influence the deformation process, and thus increase the information content of studying the deformation behavior of solids using a laser Doppler deformometer. Thus, the goal of the invention is achieved - to increase the information content of deformation tests using a laser Doppler deformometer.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

Фиг.1 - оптическая схема интерферометрической приставки: 1 - лазер; 2, 8 - зеркала; 3 - поляризатор; 4, 5 - фотоприемники; 6, 7 - полупрозрачные зеркала; 9 - направление перемещения.Figure 1 - optical diagram of the interferometric prefix: 1 - laser; 2, 8 - mirrors; 3 - polarizer; 4, 5 - photodetectors; 6, 7 - translucent mirrors; 9 - direction of movement.

Фиг.2 - фрагмент деформационной интерферограммы, зарегистрированной при исследовании начальных стадий деформации образца полиметилметакрилата, γ-облученного до 160 кГр в вакууме, при комнатной температуре. Частота дискретизации - 0,1 с. Величина нагрузки - 8 МПа, температура испытаний - комнатная.Figure 2 is a fragment of a deformation interferogram recorded during the study of the initial stages of deformation of a sample of polymethyl methacrylate, γ-irradiated up to 160 kGy in vacuum, at room temperature. Sampling rate - 0.1 s. The magnitude of the load is 8 MPa, the test temperature is room temperature.

Фиг.3 - зависимость деформации (1) и скорости деформации (2) образца полиметилметакрилата, γ-облученного до 160 кГр в вакууме, при комнатной температуре, от продолжительности механического испытания. Частота дискретизации - 0,1 с. Величина нагрузки - 8 МПа, температура испытаний - комнатная.Figure 3 - dependence of the strain (1) and strain rate (2) of a sample of polymethyl methacrylate, γ-irradiated up to 160 kGy in vacuum, at room temperature, on the duration of the mechanical test. Sampling rate - 0.1 s. The magnitude of the load is 8 MPa, the test temperature is room temperature.

Фиг.4 - блок-схема коммутации устройства для сбора данных с лазерным доплеровским деформометром в однополярном режиме (А - микроконтроллер; Б - генератор импульсов): 10 - триггер; 11 - мультиплексоры; 12 - переключатель «Вход/Выход»; 13 - источник импульсного выходного сигнала; 14 - 32 входных канала аналогового сигнала; 15 - заземление. Uвх - аналоговой сигнал входного напряжения, поступающий от фотоприемников (4, 5 на Фиг.1). Uсигнала - последовательность импульсов напряжения с частотой до 105 Гц, полученная в результате преобразования входного аналогового сигнала в мультиплексорах и в источнике импульсов напряжения сигнала.Figure 4 - block diagram of the switching device for collecting data with a laser Doppler deformometer in unipolar mode (A - microcontroller; B - pulse generator): 10 - trigger; 11 - multiplexers; 12 - input / output switch; 13 - source of a pulse output signal; 14 - 32 input channels of an analog signal; 15 - grounding. U in - analog signal of the input voltage coming from the photodetectors (4, 5 in FIG. 1). U signal - a sequence of voltage pulses with a frequency of up to 10 5 Hz, obtained by converting the input analog signal in multiplexers and in the source of voltage signal pulses.

Фиг.5 - интерфейс пользователя программы приема экспериментальных данных.5 is a user interface of a program for receiving experimental data.

Фиг.6 - интерфейс пользователя программы обработки данных.6 is a user interface of a data processing program.

Фиг.7 - спектр мощности процесса деформации образца полиметилметакрилата, γ-облученного до 160 кГр в вакууме, при комнатной температуре. Частота дискретизации - 0,1 с. Величина нагрузки - 8 МПа, температура испытаний - комнатная.7 is a power spectrum of a deformation process of a sample of polymethyl methacrylate, γ-irradiated up to 160 kGy in vacuum, at room temperature. Sampling rate - 0.1 s. The magnitude of the load is 8 MPa, the test temperature is room temperature.

Фиг.8 - зависимость спектральной мощности процесса деформации образца полиметилметакрилата, γ-облученного до 160 кГр в вакууме, при комнатной температуре, от частоты в двойном логарифмическом масштабе. Частота дискретизации - 0,1 с. Величина нагрузки - 8 МПа, температура испытаний - комнатная.Fig - dependence of the spectral power of the deformation process of a sample of polymethyl methacrylate, γ-irradiated up to 160 kGy in vacuum, at room temperature, on the frequency in a double logarithmic scale. Sampling rate - 0.1 s. The magnitude of the load is 8 MPa, the test temperature is room temperature.

Примеры конкретного выполненияCase Studies

Объект испытаний. Образцы ПММА (ГОСТ 17622-72) диаметром 3 мм, высотой 6 мм, в количестве 10 штук.The subject of the test. PMMA samples (GOST 17622-72) with a diameter of 3 mm, a height of 6 mm, in an amount of 10 pieces.

Цель испытаний. Исследование деформационного поведения образцов ПММА, подвергнутых воздействию вакуума (до 10-5 мм рт.ст.), радиационному воздействию (γ-излучение изотопа 60Со (энергия 1,25 МэВ) доза - 160 кГр, мощность дозы - 3 Гр/с). Температура хранения и облучения - комнатная. Температурная обработка - нагрев до 373 К и быстрое (в течение промежутка времени <1 мин) охлаждение до 273 К.The purpose of the test. Investigation of the deformation behavior of PMMA samples subjected to vacuum (up to 10 -5 mm Hg), radiation exposure (γ radiation of the 60 Co isotope (energy 1.25 MeV) dose - 160 kGy, dose rate - 3 Gy / s) . Storage and exposure temperature - room temperature. Heat treatment - heating to 373 K and rapid (over a period of time <1 min) cooling to 273 K.

Условия и порядок проведения испытаний. Для регистрации ползучести образцов ПММА применен лазерный доплеровский деформометр, который представлял собой интерферометр смещения (Майкельсона), сопряженный с установкой для измерения ползучести в режиме одноосного сжатия (Фиг.1).Test conditions and procedure. To register the creep of PMMA samples, a laser Doppler deformometer was used, which was a displacement (Michelson) interferometer coupled to a creep measuring device in uniaxial compression mode (Figure 1).

Деформационные испытания проводились при комнатной температуре, на воздухе, величина атмосферного давления - 760 мм рт.ст. Величина приложенного напряжения - 7÷8 МПа, продолжительность испытаний - не более одного часа. Деформацию образцов ПММА исследовали в режиме на сжатие.Deformation tests were carried out at room temperature, in air, atmospheric pressure - 760 mm Hg. The value of the applied voltage is 7 ÷ 8 MPa, the duration of the test is not more than one hour. The deformation of PMMA samples was investigated in compression mode.

Перед испытаниями размеры образцов измеряли с помощью микрометра с точностью до ~0,005 мм. В зависимости от заданного напряжения (с учетом диаметра образца и коэффициента передачи установки для измерения ползучести) по формуле (11) определяли величину груза Р:Before testing, the dimensions of the samples were measured using a micrometer with an accuracy of ~ 0.005 mm. Depending on the specified voltage (taking into account the diameter of the sample and the transmission coefficient of the installation for measuring creep) by the formula (11), the value of the load P was determined:

Figure 00000015
Figure 00000015

где σ, МПа - величина прикладываемого к образцу напряжения, k - значение коэффициента передачи системы рычагов установки (k=30). Перед проведением опыта в установку вместо образца (при заданном σ) помещали шаблон из закаленной стали У10 с высотой, равной высоте образца, и устанавливали начальное положение плеча фигурного рычага. Таким образом, убирали погрешности, которые могли возникнуть из-за различия начального положения фигурного рычага при разных напряжениях и деформации частей установки для измерения ползучести. Затем в установку помещали испытываемый образец ПММА и осуществляли нагружение в течение 1-2 с.where σ, MPa is the value of the voltage applied to the sample, k is the value of the transmission coefficient of the system of levers of the installation (k = 30). Before conducting the experiment, instead of a sample (for a given σ), a template made of hardened steel U10 with a height equal to the height of the sample was placed in the apparatus and the initial position of the shoulder of the curly lever was set. Thus, errors that could arise due to differences in the initial position of the curly lever at different stresses and deformation of the parts of the creep measuring apparatus were removed. Then the test PMMA sample was placed in the installation and loading was carried out for 1-2 s.

Измерение деформации производили с помощью системы регистрации, связанной с механизмом нагружения установки, фиксируя через определенные интервалы времени отклонение индикаторной стрелки. Для определения деформации по числу делений n, на которые отклоняется индикаторная стрелка, использовали формулу (12):The strain was measured using the registration system associated with the loading mechanism of the installation, recording the deviation of the indicator arrow at certain time intervals. To determine the strain by the number of divisions n by which the indicator arrow deviates, we used the formula (12):

Figure 00000016
Figure 00000016

где l0 - высота образца. Погрешность измерения общей деформации в этом случае определяется половиной цены деления на диаграммной ленте и составляет 0,15%.where l 0 is the height of the sample. The error in measuring the total strain in this case is determined by half the division price on the chart tape and is 0.15%.

Для непрерывной регистрации деформации и скорости ползучести в процессе деформации применяли интерферометрическую приставку (Фиг.1), в систему регистрации введена компьютеризированная система регистрации, хранения и обработки экспериментальной информации с помощью устройства сбора данных (УСД) и персонального компьютера (Фиг.4-6) со степенью дискретизации до 105 измерений в секунду.For continuous recording of deformation and creep rate during the deformation, an interferometric attachment was used (Figure 1), a computerized system for recording, storing and processing experimental information using a data acquisition device (DRC) and a personal computer (Figure 4-6) was introduced into the registration system with a sampling rate of up to 10 5 measurements per second.

Как следует из Фиг.1, зондирующий лазерный луч (а) делится полупрозрачным зеркалом 7 на два равных по интенсивности пучка света, один из которых (с) направляется на неподвижное зеркало 8, а другой (b) - на подвижное зеркало 2. На полупрозрачном зеркале 7 оба луча (с и b) вновь соединяются в один (cb). Суммарный пучок интерферирующих лучей (cb) направляется на измерительный фотоприемник 4. С помощью полупрозрачного зеркала 6 часть исходного лазерного светового пучка (луч света d) отбирается в фотоприемник сравнения 5.As follows from Figure 1, the probe laser beam (a) is divided by a translucent mirror 7 into two equally intense light beams, one of which (c) is directed to a fixed mirror 8, and the other (b) to a movable mirror 2. On a translucent mirror 7, both beams (c and b) are again connected into one (cb). The total beam of interfering rays (cb) is sent to the measuring photodetector 4. Using a translucent mirror 6, part of the original laser light beam (light beam d) is sampled in the comparison photodetector 5.

В процессе деформации образца зеркало 2 движется вместе с пуансоном, и поток света, отраженный от него, изменяет частоту (луч b) вследствие эффекта Доплера. Интерференция луча света с, отраженного от неподвижного зеркала 8, и луча света b, испытавшего доплеровский сдвиг, приводит к появлению низкочастотных биений в интенсивности светового потока (cb), которые в фотоприемнике 5 преобразуются в аналоговый электрический сигнал. Пример деформационной интерферограммы, представляющей собой аналоговый электрический сигнал от фотоприемников 4, 5, зарегистрированный на бумажном носителе, приведен на Фиг.2.During the deformation of the sample, mirror 2 moves with the punch, and the light flux reflected from it changes the frequency (beam b) due to the Doppler effect. The interference of the light beam c, reflected from the stationary mirror 8, and the light beam b, which experienced a Doppler shift, leads to the appearance of low-frequency beats in the intensity of the light flux (cb), which in the photodetector 5 are converted into an analog electrical signal. An example of a deformation interferogram, which is an analog electrical signal from photodetectors 4, 5, recorded on paper, is shown in Figure 2.

Для осуществления компьютерной обработки поступивший сигнал поступает в УСД (Фиг.4), действующий в однополярном режиме, который состоит из: А - микроконтроллера, включающего в себя триггер 10, мультиплексоры 11, переключатель «Вход/Выход» 12, Б - генератора импульсов выходного сигнала, включающего в себя источник импульсов напряжения выходного сигнала 13, соединенный с микроконтроллером посредством 32 входных каналов аналогового сигнала 14. В процессе работы УСД должно быть заземлено 15. Аналоговое напряжение входного сигнала Uвх, поступающее от фотоприемников 4, 5 (Фиг.1), с помощью УСД преобразуется в последовательность импульсов выходного напряжения Uсигнала с частотой до 105 Гц, которое далее поступает в персональный компьютер, оснащенный соответствующим программно-математическим обеспечением для приема и обработки сигнала (Фиг.5, 6). Зарегистрированный числовой вектор формируется в виде файла-результата, который помещается в память компьютера. В процессе деформационного эксперимента формирование файла-результата производится через каждые 20 секунд.To carry out computer processing, the received signal is fed to the DRC (Figure 4), operating in a unipolar mode, which consists of: A - a microcontroller including a trigger 10, multiplexers 11, an “Input / Output” switch 12, B - an output pulse generator signal including a source output voltage 13 connected to the microcontroller 32 input pulses by an analog signal channel 14. in operation, the DRC needs to be grounded input signal 15. The analog voltage U Rin, supplied on photodetectors 4, 5 (Figure 1), via the DRC is converted into a pulse train signal U output voltage with a frequency of 5 to 10 Hz, which is then fed to a personal computer equipped with relevant software-software for receiving and processing the signal (5 , 6). The registered numerical vector is formed as a result file, which is placed in the computer's memory. During the deformation experiment, the formation of the result file is performed every 20 seconds.

Результаты испытаний. На Фиг.3 приведены зависимости деформации и скорости деформации от продолжительности испытания на сжатие образца ПММА, γ-облученного до 160 кГр при комнатной температуре, полученные с помощью компьютерной системы обработки деформационных данных. На временной зависимости скорости деформации (Фиг.3, 2) можно отчетливо наблюдать флуктуации скорости деформации полимера.Test results. Figure 3 shows the dependences of the strain and strain rate on the duration of the compression test of a PMMA sample γ-irradiated up to 160 kGy at room temperature, obtained using a computer system for processing deformation data. On the time dependence of the strain rate (Fig.3, 2), one can clearly observe fluctuations in the strain rate of the polymer.

Появление флуктуации скорости ползучести можно рассматривать как случайный процесс. Для доказательства природы случайного процесса возникновения флуктуаций скорости деформации и установления его параметров полученный числовой вектор деформационных данных был преобразован посредством прямого преобразования Фурье (Фиг.7) и действительная часть полученного спектра мощности деформационного процесса была представлена в двойных логарифмических координатах (Фиг.8).The appearance of fluctuations in the creep rate can be considered as a random process. To prove the nature of the random process of the occurrence of strain rate fluctuations and establish its parameters, the obtained numerical vector of the deformation data was converted using the direct Fourier transform (Fig. 7) and the real part of the obtained power spectrum of the deformation process was presented in double logarithmic coordinates (Fig. 8).

Как следует из Фиг.8, спектральная мощность случайного процесса флуктуаций скорости деформации обладает следующими свойствами:As follows from Fig, the spectral power of a random process of fluctuations in the strain rate has the following properties:

S=S(0) при ω<ω0,S = S (0) for ω <ω 0 ,

S~ω-n при ω>ω0,S ~ ω -n for ω> ω 0 ,

где n=2H1+1 (H1 - постоянная Харста [6, 7]). Такого вида случайные процессы принято называть фликкер-шумом [6, 7]. Параметры случайного процесса, определенные из Фиг.8, приведены в таблице.where n = 2H 1 +1 (H 1 is the Harst constant [6, 7]). Random processes of this kind are called flicker noise [6, 7]. The random process parameters determined from Fig. 8 are shown in the table.

Параметры случайного процесса возникновения флуктуаций скорости деформации ПММА, γ-облученного до 160 кГрParameters of the random process of occurrence of fluctuations in the strain rate of PMMA γ-irradiated up to 160 kGy ПараметрParameter lg(S(0)), отн. ед.log (S (0)), rel. units Т0, сT 0 s nn Н1 H 1 ЗначениеValue 3,73,7 51,051.0 1,80±0,091.80 ± 0.09 0,40±0,050.40 ± 0.05

Параметр S(0) соответствует величине спектральной мощности S в области частот ω<ω00 - граничная частота, соответствующая началу области изменения S); Т0=1/2πω0 - время корреляции, с. Для установления физического смысла Т0 необходимы дополнительные исследования; предположительно - это среднее время релаксации областей полимерного образца, в которых локализуются скачки деформации и скорости ползучести. Постоянная Харста характеризует степень отклонения рассматриваемого случайного процесса от броуновского движения (в этом случае H1=0,5).The parameter S (0) corresponds to the spectral power S in the frequency range ω <ω 00 is the boundary frequency corresponding to the beginning of the region of variation of S); T 0 = 1 / 2πω 0 - correlation time, s. To establish the physical meaning of T 0 , additional research is needed; presumably, this is the average relaxation time of regions of the polymer sample in which strain jumps and creep rates are localized. The Harst constant characterizes the degree of deviation of the random process under consideration from Brownian motion (in this case, H 1 = 0.5).

Таким образом, применение метода фликкер-шумовой спектроскопии для обработки экспериментальной информации о деформационном поведении образца ПММА способствует выявлению особенностей деформации этого полимера.Thus, the use of the flicker-noise spectroscopy method for processing experimental information on the deformation behavior of a PMMA sample helps to identify the features of the deformation of this polymer.

Предлагаемое изобретение позволяет в 102÷103 раз повысить информативность метода регистрации деформации твердых тел лазерным доплеровским деформометром, автоматизировать процесс регистрации, хранения и обработки экспериментальной информации, применить методологию фликкер-шумовой спектроскопии для интерпретации результатов деформационных испытаний. Выявление особенностей деформации твердых тел на нано- и микроуровне позволит повысить качество прогноза эксплуатационного ресурса различных объектов техники в экстремальных условиях эксплуатации, что является качественным преимуществом предлагаемого патента.The present invention allows 10 2 ÷ 10 3 times to increase the information content of the method of recording deformation of solids by a laser Doppler deformometer, to automate the process of registration, storage and processing of experimental information, apply the methodology of flicker noise spectroscopy to interpret the results of deformation tests. The identification of the features of deformation of solids at the nano- and microlevels will make it possible to improve the quality of the prediction of the service life of various equipment objects under extreme operating conditions, which is a qualitative advantage of the proposed patent.

Claims (1)

Способ исследования колебаний с помощью лазерного доплеровского деформометра, включающий измерение деформации твердого тела и построение зависимостей деформации и скорости деформации от продолжительности испытания, скорости деформации от величины деформации, отличающийся тем, что обработка полученной временной зависимости скорости деформации производится посредством прямого преобразования Фурье с последующим представлением спектра мощности случайного процесса в двойных логарифмических координатах, причем в случае, если зависимость мощности случайного процесса от частоты подчиняется следующим соотношениям:
S=S(0) при ω<ω0,
S~ω-n при ω>ω0,
где ω, ω0 - частоты колебаний проходящей и отраженной от зеркала световой волны соответственно,
n=2Н1+1 (H1 - постоянная Харста),
параметр S(0) соответствует спектральной мощности S в области частот ω<ω0,
то делается вывод о фликкер-шумовой природе случайного процесса возникновения флуктуации скорости деформации твердого тела.
A method for studying vibrations using a laser Doppler deformometer, including measuring the deformation of a solid and plotting the dependences of deformation and strain rate on the duration of the test, the strain rate on the strain value, characterized in that the obtained time dependence of the strain rate is processed using a direct Fourier transform with subsequent representation of the spectrum power of the random process in double logarithmic coordinates, and in the case if awn power frequency random process obeys the following relations:
S = S (0) for ω <ω 0 ,
S ~ ω -n for ω> ω 0 ,
where ω, ω 0 are the oscillation frequencies of the transmitted and reflected from the mirror light waves, respectively,
n = 2H1 + 1 (H1 - Harst constant),
the parameter S (0) corresponds to the spectral power S in the frequency range ω <ω 0 ,
it is concluded that the flicker-noise nature of the random process of the occurrence of fluctuations in the rate of deformation of a solid body.
RU2009124813/28A 2009-06-30 2009-06-30 Method to analyse oscillations RU2415387C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009124813/28A RU2415387C1 (en) 2009-06-30 2009-06-30 Method to analyse oscillations

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009124813/28A RU2415387C1 (en) 2009-06-30 2009-06-30 Method to analyse oscillations

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009124813A RU2009124813A (en) 2011-01-10
RU2415387C1 true RU2415387C1 (en) 2011-03-27

Family

ID=44052946

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009124813/28A RU2415387C1 (en) 2009-06-30 2009-06-30 Method to analyse oscillations

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2415387C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2769885C1 (en) * 2020-09-14 2022-04-07 Общество с ограниченной ответственностью "КВАНТ Р" Device for deformation measuring

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2769885C1 (en) * 2020-09-14 2022-04-07 Общество с ограниченной ответственностью "КВАНТ Р" Device for deformation measuring

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009124813A (en) 2011-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101201243B (en) Device for measuring linewidth of narrow linewidth laser based on optical fiber time-delay self heterodyne method as well as method for measuring thereof
CN103543125A (en) All-optical gas detection method and device based on Michelson interference principle
CN102721824B (en) Method and device for measuring particle velocity with low velocity and high acceleration characteristics
Alorifi et al. Analysis and Detection of a Target Gas System Based on TDLAS & LabVIEW.
Zhang et al. Toward observing neutron star collapse with gravitational wave detectors
CN108775974B (en) Temperature sensing measurement device and method based on multi-longitudinal-mode self-mixing effect
Bernini et al. All frequency domain distributed fiber-optic Brillouin sensing
RU2415387C1 (en) Method to analyse oscillations
Chen et al. Dynamic demodulation of low-finesse fabry-perot sensors based on instantaneous frequency analysis
Yoshioka et al. A method for measuring the frequency response of photodetector modules using twice-modulated light
RU2658112C1 (en) Method of measurement of displacement
CN107907067B (en) Fiber bragg grating resonant wavelength determination method based on periodic modulation
CN103323094B (en) Heterodyne laser interference angle vibration measuring method
Volkers et al. Laser-Doppler-Vibrometer calibration by laser stimulation
RU2675076C1 (en) Method of measuring frequency characteristics of mechanical constructions by optical method
Maisto et al. Characterization of High-Frequency Acoustic Sources Using Laser Differential Interferometry
CN107328558B (en) Method for measuring integral structure characteristic frequency of laser
US5805282A (en) Method and apparatus for coherence observation by interference noise
Xia et al. Retrieve the Material Related Parameters from a Self-Mixing Signal Using Wavelet Transform
CN112197878A (en) High-precision optical wavelength detection method and system based on optical frequency domain reflectometer
Will et al. Thermophysical properties of fluids from dynamic light scattering
Ben-Yosef et al. Measurement and analysis of mechanical vibrations by means of optical heterodyning techniques
Choi Broadband ultrasonic absorption measurements using optical beam deflection
Jun et al. The Detection of CO Gas Based on Non-resonant Photoacoustic Spectroscopy
Chen et al. A Fast Resonance Frequency Tracking Method for Photoacoustic Cell Based on the Hybrid Single-Frequency Excitation and FFT

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120701