RU2667353C2 - Ultrasonic phase transducer of angular turnover - Google Patents
Ultrasonic phase transducer of angular turnover Download PDFInfo
- Publication number
- RU2667353C2 RU2667353C2 RU2016120244A RU2016120244A RU2667353C2 RU 2667353 C2 RU2667353 C2 RU 2667353C2 RU 2016120244 A RU2016120244 A RU 2016120244A RU 2016120244 A RU2016120244 A RU 2016120244A RU 2667353 C2 RU2667353 C2 RU 2667353C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- transducer
- signal
- phase
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении угла поворота шнековых механизмов. Известно измерительное устройство, содержащее последовательно соединенные задающий генератор ультразвуковой частоты, излучающий преобразователь, исследуемый объект, приемный преобразователь и фазовый детектор, первый вход которого подключен к выходу задающего генератора. Принцип работы этого устройства заключается в том, что между падающим на исследуемый объект, и отраженным от него акустическими сигналами существует определенный фазовый сдвиг, который измеряется фазовым детектором. В том случае, когда исследуемый объект неподвижен, разность фаз между падающим (опорным) и отраженными сигналами неизменна. Если объект начинает движение, разность фаз между падающим и отраженными сигналами начинает меняться, следовательно, изменяется величина выходного сигнала фазового детектора. Если фазовый детектор работает в линейном режиме, то величина сигнала на его выходе пропорциональна смещению исследуемого объекта. [Редчиков В.В. Ультразвуковой фазовый метод измерения виброперемещений. М., МДНТП им. Дзержинского, 1973, с. 194-199].The invention relates to measuring equipment and may find application in measuring the angle of rotation of auger mechanisms. A measuring device is known that contains a serially connected ultrasonic frequency master oscillator, an emitting transducer, a test object, a transducer and a phase detector, the first input of which is connected to the output of the master oscillator. The principle of operation of this device is that there is a certain phase shift between the incident object and the acoustic signals reflected from it, which is measured by a phase detector. In the case when the object under study is stationary, the phase difference between the incident (reference) and reflected signals is unchanged. If the object begins to move, the phase difference between the incident and reflected signals begins to change, therefore, the magnitude of the output signal of the phase detector changes. If the phase detector operates in linear mode, then the magnitude of the signal at its output is proportional to the displacement of the object under study. [Redchikov V.V. Ultrasonic phase method for measuring vibrations. M., MDNTP them. Dzerzhinsky, 1973, p. 194-199].
Недостатком этого устройства является узкий динамический диапазон измерения виброперемещений из-за наличия нелинейных искажений выходного сигнала фазового детектора за счет произвольного выбора рабочей точки на выходной характеристике детектора.The disadvantage of this device is the narrow dynamic range of measurement of vibrations due to the presence of non-linear distortion of the output signal of the phase detector due to the arbitrary selection of the operating point on the output characteristic of the detector.
Этот недостаток устраняется в измерительном устройстве, содержащем последовательно соединенные задающий генератор ультразвуковой частоты, излучающий преобразователь, исследуемый объект, приемный преобразователь, фазовый детектор, второй вход которого подключен квыходу приемного преобразователя, а первый к выходу генератора ультразвуковой частоты. Входы фазового детектора можно менять местами, от этого его функционирование не изменится [Гордеев Б.А. Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, а.с. СССР №823824, кл. G01B 7/00, 1979]. Хотя в этом измерительном устройстве рабочая точка выбрана на линейном участке фазовой характеристики детектора, но при возрастании амплитуды виброперемещений, или при медленном дрейфе исследуемого объекта рабочая точка покидает линейный участок. При измерении стационарных вибропроцессов данное устройство работает в линейном режиме. На практике значительно чаще возникает нестационарный режим, при котором измеряемые высокочастотные вибросигналы, взаимодействуя с низкочастотными создают дрейф рабочей точки фазового детектора, приводящей к нелинейным искажениям выходного сигнала.This disadvantage is eliminated in a measuring device containing a serially connected ultrasonic frequency master oscillator, an emitting transducer, a test object, a transducer, a phase detector, the second input of which is connected to the output of the receiving transducer, and the first to the output of the ultrasonic frequency generator. The inputs of the phase detector can be interchanged, this will not change its functioning [B. Gordeev. Ultrasonic phase meter of vibration displacements, as USSR No. 823824, cl.
Этот недостаток устранен в ультразвуковом фазовом измерительном устройстве, содержащем последовательно соединенные задающий генератор, линию задержки с управляемыми входами, излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь, фазовый детектор, второй вход которого к входу излучающего преобразователя, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки информации [Гордеев Б.А., Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, а.с. СССР, №1048330, G01H 1/00; G01B 17/00] Выход фазового детектора соединен со входом компаратора, выход которого соединен со входом коммутатора и вторым входом блока обработки информации. Выходы коммутатора соединены с управляющими входами управляемой линии задержки.This disadvantage is eliminated in an ultrasonic phase measuring device containing a serially connected master oscillator, a delay line with controlled inputs, a radiating transducer interacting with the object under study, a receiving transducer, a phase detector, the second input of which is to the input of the radiating transducer, an analog-to-digital transducer, and a processing unit information [Gordeev B.A., Ultrasonic phase meter of vibration displacements, a.s. USSR, No. 1048330,
Ультразвуковой фазовое измерительное устройство работает следующим образом. Выходной сигнал задающего генератора через линию задержки поступает на излучающий преобразователь. Первоначальная задержка сигнала должна удовлетворять условию R0=(n/2+1/4)λ, где n - число дискретных изменений фазы, равное числу управляющих входов линии задержки, λ - длина ультразвуковой волны в данной среде. В этом случае при смещении исследуемого объекта на величину не превышающую одну восьмую длины волны. Измерительное устройство работает в линейном режиме. Отраженный сигнал с выхода приемного преобразователя поступает на второй вход фазового детектора, на первый вход которого поступает опорный сигнал с линии задержки. Изменяющийся по амплитуде выходной сигнал фазового детектора поступает на компаратор, на который от источника опорного напряжения подаются напряжения уровней U1 и U2, соответствующие верхнему и нижнему порогам, вне которых заметно наличие нелинейных искажений. При увеличении выходного сигнала фазового детектора на величину, соответствующую смещению исследуемого объекта на расстояние, превышающее восьмую часть длины волны зондирующего ультразвукового сигнала, в этом сигнале начинают проявляться нелинейные искажения. В этом случае выходной сигнал фазового детектора в компараторе достигает одного из уровней напряжения U1 или U2. Тогда на выходе компаратора появляется импульс, поступающий одновременно на коммутатор и блок обработки информации. На втором выходе коммутатора появляется управляющий сигнал, изменяющий время задержки. Время задержки соответствует изменению фазы сигнала на втором входе фазового детектора на величину равную одной восьмой периода, и рабочая точка смещается на одну восьмую длины волны ультразвукового сигнала, что устраняет нелинейные искажения. Аналогичные процессы происходят, если величина выходного сигнала фазового детектора уменьшается до значения U2.Ultrasonic phase measuring device operates as follows. The output signal of the master oscillator through the delay line is fed to the emitting transducer. The initial signal delay must satisfy the condition R 0 = (n / 2 + 1/4) λ, where n is the number of discrete phase changes equal to the number of control inputs of the delay line, λ is the ultrasonic wavelength in this medium. In this case, when the object under study is shifted by an amount not exceeding one eighth of the wavelength. The measuring device operates in linear mode. The reflected signal from the output of the receiving Converter is fed to the second input of the phase detector, the first input of which receives the reference signal from the delay line. The output signal of the phase detector, which varies in amplitude, is fed to a comparator, to which voltage levels U 1 and U 2 corresponding to the upper and lower thresholds, outside of which the presence of non-linear distortions are visible, are supplied from the reference voltage source. When the output signal of the phase detector is increased by a value corresponding to the displacement of the investigated object by a distance exceeding an eighth of the wavelength of the probing ultrasonic signal, nonlinear distortions begin to appear in this signal. In this case, the output signal of the phase detector in the comparator reaches one of the voltage levels U 1 or U 2 . Then, an impulse appears at the output of the comparator, arriving simultaneously at the switch and the information processing unit. At the second output of the switch, a control signal appears that changes the delay time. The delay time corresponds to a change in the phase of the signal at the second input of the phase detector by an amount equal to one eighth of the period, and the operating point is shifted by one eighth of the wavelength of the ultrasonic signal, which eliminates nonlinear distortion. Similar processes occur if the value of the output signal of the phase detector is reduced to a value of U 2 .
Однако при измерении угла поворота вала с установленным на нем шнеком возникают дополнительные трудности, так как поверхность шнека представляет винтовую поверхность, где высота спирали шнека может быть одного порядка с диаметром шнека. Тогда выходной сигнал (4) насыщается дополнительными гармониками, так как спираль шнека, попадая в зону действия зондирующего акустического сигнала вызывает модуляцию отраженного сигнала не только по фазе, но и по частоте. Поэтому выделение информационной составляющей по фазе связано с возрастающими ошибками. Ошибки возрастают при возрастании угловой скорости вращения шнека. Кроме того это устройство не позволяет измерять малые углы поворота вала со шнеком при его балансировке. Эти углы могут достигать сотых долей градуса и меньше в тех случаях, когда на вал действуют низкочастотные вибрации.However, when measuring the angle of rotation of the shaft with the screw installed on it, additional difficulties arise, since the surface of the screw is a helical surface, where the height of the spiral of the screw can be of the same order as the diameter of the screw. Then the output signal (4) is saturated with additional harmonics, since the spiral of the screw, falling into the range of the probe acoustic signal, causes the modulation of the reflected signal not only in phase but also in frequency. Therefore, the selection of the information component in phase is associated with increasing errors. Errors increase with increasing angular velocity of rotation of the screw. In addition, this device does not allow to measure small angles of rotation of the shaft with the screw when it is balanced. These angles can reach hundredths of a degree or less in cases where low-frequency vibrations act on the shaft.
Известен также ультразвуковой фазовый вибропреобразователь, содержащий излучающий преобразователь, фазовращатель приемный преобразователь, компаратор, источник опорного напряжения, фазовый детектор, блок обработки сигналов и задающий генератор, выход которого соединен с входом излучающего преобразователя, выход фазовращателя подключен к входу фазового детектора, выход которого подсоединен к входу компаратора, другой вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выход компаратора соединен с входами элементов И-Не и И, а выход элемента И-Не соединен с блоком обработки информации, другой вход которого соединен с выходом частотного детектора, а вход частотного детектора соединен с выходом элемента И [Гордеев Б.А, Новожилов М.В., Караванцев В.К., Королев В.А. Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь, патент Р.Ф. №1637493 A1, G01H 5/00].Also known is an ultrasonic phase vibration transducer comprising a radiating transducer, a phase shifter receiving transducer, a comparator, a reference voltage source, a phase detector, a signal processing unit and a driving generator, the output of which is connected to the input of the radiating transducer, the output of the phase shifter is connected to the input of the phase detector, the output of which is connected to the comparator input, the other input of which is connected to the output of the reference voltage source, the comparator output is connected to the inputs of the I-Not elements and And, and the output of the And-Not element is connected to the information processing unit, the other input of which is connected to the output of the frequency detector, and the input of the frequency detector is connected to the output of the element And [Gordeev B.A., Novozhilov M.V., Karavantsev V.K. , Korolev V.A. Ultrasonic phase vibration transducer, RF patent No. 1637493 A1,
Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь работает следующим образом.Ultrasonic phase vibration transducer operates as follows.
Сигнал с выхода задающего генератора поступает на излучающий преобразователь, который излучает ультразвуковые волны в направлении исследуемого объекта. При этом начальное расстояние L должно удовлетворять условию: 
Возможны два случая, характерные для данного преобразователя. В первом случае колебания исследуемого объекта не выходят за пределы линейного участка выходной характеристики фазового детектора. Это значит, колебания исследуемого объекта происходят с малой амплитудой и частотой. Тогда выходной сигнал фазового детектора несет всю информацию о виброперемещениях исследуемого объекта. В компараторе происходит контроль уровней выходного сигнала фазового детектора. Если уровни этого сигнала не выходят за пределы допустимых, установленных в компараторе, то фазовый детектор работает в обычном режиме и его выходной сигнал пропорционален виброперемещениям. В том случае, если величина выходного сигнала фазового детектора выходит за пределы допустимых уровней, установленных в компараторе, срабатывает элемент И-Не, фазовый детектор отключается, а через открывшийся элемент И сигнал с приемного преобразователя, пройдя фазовращатель, поступает на вход частотного детектора. При малых индексах частотной модуляции, когда m=1 или меньше, в частотном детекторе частотно модулированный сигнал преобразуется а амплитудно модулированный. Изменения значений выходного сигнала частотного детектора соответствуют изменениям виброскорости исследуемого объекта.There are two possible cases specific to this converter. In the first case, the oscillations of the studied object do not go beyond the linear portion of the output characteristic of the phase detector. This means that the oscillations of the investigated object occur with small amplitude and frequency. Then the output signal of the phase detector carries all the information about the vibrations of the object under study. The comparator monitors the levels of the output signal of the phase detector. If the levels of this signal do not exceed the permissible ones set in the comparator, then the phase detector operates in the normal mode and its output signal is proportional to vibration displacements. In the event that the value of the output signal of the phase detector goes beyond the permissible levels set in the comparator, the I-He element is triggered, the phase detector is turned off, and through the opened AND element, the signal from the receiving converter, passing the phase shifter, is fed to the input of the frequency detector. At small frequency modulation indices, when m = 1 or less, in the frequency detector the frequency-modulated signal is converted and amplitude-modulated. Changes in the output signal of the frequency detector correspond to changes in the vibration velocity of the investigated object.
Этот ультразвуковой фазовый вибропреобразователь имеет существенный недостаток. Он не позволяет проводить вибродиагностику таких, например, устройств, как шнековые передачи в металлорежущих станках, шнековые буры в геологоразведочных работах, шнековые механизмы в дорожно-строительных машинах и т.д.This ultrasonic phase vibration transducer has a significant drawback. It does not allow vibrodiagnostics of, for example, devices such as screw transmissions in metal cutting machines, screw drills in geological exploration, screw mechanisms in road-building machines, etc.
Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой фазовый преобразователь угла поворота вала, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности, излучающий преобразователь, исследуемый объект, приемный преобразователь, согласующий усилитель, фазовый детектор, выполняющий роль первого блока умножения, выход которого подключен к первому входу второго блока умножения, второй вход которого соединен с генератором тактовых импульсов. К третьему входу второго блока умножения подключен выход компаратора, а первый вход компаратора через интегратор соединен с выходом согласующего усилителя. Второй вход компаратора соединен с источником опорного напряжения. Выход второго блока умножения через блок анализа соединен с цифроаналоговым преобразователем. При этом излученный и отраженный ультразвуковые сигналы направлены по нормали к плоскости спирали шнека. Патент на изобретение №2548615, «ультразвуковой фазовый преобразователь угла поворота вала», опубликовано 20.04.2015, бюл. №11.Closest to the proposed one is an ultrasonic phase transducer of the angle of rotation of the shaft, containing a serially connected master oscillator, a power amplifier, a radiating transducer, an object under study, a receiving transducer, a matching amplifier, a phase detector acting as the first multiplication unit, the output of which is connected to the first input of the second unit multiplication, the second input of which is connected to a clock generator. The output of the comparator is connected to the third input of the second multiplication unit, and the first input of the comparator is connected through the integrator to the output of the matching amplifier. The second input of the comparator is connected to a voltage reference source. The output of the second multiplication block through the analysis block is connected to a digital-to-analog converter. In this case, the emitted and reflected ultrasonic signals are directed normal to the plane of the screw spiral. Patent for invention No. 2548615, “ultrasonic phase converter of the angle of rotation of the shaft”, published on 04/20/2015, bull. No. 11.
Данный преобразователь работает следующим образом. Прежде всего при включенном генераторе ультразвукового сигнала направляют зондирующий луч по направлению нормали к плоскости спирали шнека. Соответственно, отраженный луч также будет направлен по нормали к его плоскости. Сигнал генератора ультразвуковой частоты 100-300 кГц подается через усилитель мощности на излучающий преобразователь. При медленном вращении вала плоскость спирали шнека, на которой имеется поле действия ультразвукового луча (пятно контакта), перемещается коллинеарно образующей вала шнека и фаза отраженного акустического луча меняется на некоторую величину, которая зависит от угла поворота вала и его направления вращения. Модулированный по фазе акустический сигнал поступает на приемный преобразователь, где сигнал акустической природы преобразуется в сигнал электромагнитной природы. Затем электромагнитный сигнал через согласующий усилитель поступает одновременно на интегратор и формирователь меандра, где из синусоидального преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов той же частоты. Интегратор выполнен по схеме двухполупериодного выпрямителя. Поэтому при повышении амплитуды выходного сигнала усилителя уровень выходного напряжения интегратора также повышается. Выходное напряжение интегратора поступает на первый вход компаратора, на второй вход которого поступает сигнал источника опорного напряжения. В том случае, когда уровень сигнала на первом входе компаратора превышает уровень сигнала на его втором входе, на выходе компаратора формируется прямоугольный импульс. Этот импульс является сигналом к началу измерений, так как его появление обусловлено направлением зондирующего луча по нормали к плоскости спирали шнека.This converter operates as follows. First of all, when the ultrasonic signal generator is turned on, a probe beam is directed in the direction normal to the plane of the screw spiral. Accordingly, the reflected beam will also be directed normal to its plane. The signal of the ultrasonic frequency generator 100-300 kHz is fed through a power amplifier to the emitting transducer. When the shaft rotates slowly, the plane of the spiral of the screw, on which there is an action field of the ultrasonic beam (contact spot), moves collinearly forming the screw shaft and the phase of the reflected acoustic beam changes by a certain amount, which depends on the angle of rotation of the shaft and its direction of rotation. The phase-modulated acoustic signal is fed to the receiving transducer, where the acoustic signal is converted into an electromagnetic signal. Then the electromagnetic signal through the matching amplifier is fed simultaneously to the integrator and the shaper of the meander, where it is converted from a sinusoidal into a sequence of rectangular pulses of the same frequency. The integrator is made according to the scheme of a half-wave rectifier. Therefore, with increasing amplitude of the output signal of the amplifier, the level of the output voltage of the integrator also increases. The output voltage of the integrator is supplied to the first input of the comparator, to the second input of which the signal of the reference voltage source is supplied. In the case when the signal level at the first input of the comparator exceeds the signal level at its second input, a rectangular pulse is generated at the output of the comparator. This pulse is a signal to the beginning of measurements, since its appearance is due to the direction of the probe beam along the normal to the plane of the screw spiral.
Недостатки данного устройства в том, что погрешность его настройки перед измерениями зависит от опорного напряжения источника и интегратора, а также отсутствует возможность измерять угловую скорость вращения вала в различные моменты времени.The disadvantages of this device are that the error in its adjustment before measurements depends on the reference voltage of the source and integrator, and there is also no way to measure the angular velocity of the shaft at various points in time.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения угловой скорости вала со сложной шнековой структурой в любой момент времени.The purpose of the invention is the expansion of functionality by measuring the angular velocity of a shaft with a complex screw structure at any time.
Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерения параметров угловых вибраций, виброперемещений основного вала и измерения его угловой скорости в различных отраслях машиностроения.The invention relates to measuring equipment and can find application for measuring the parameters of angular vibrations, vibration displacements of the main shaft and measuring its angular velocity in various industries.
На чертеже представлена структурная схема предлагаемого ультразвукового фазового преобразователя угла поворота вала, содержащего последовательно соединенные задающий генератор 1, усилитель мощности 2, излучающий преобразователь 3, исследуемый объект 4, в данном случае вал со шнеком, приемный преобразователь 5, согласующий усилитель 6, формирователи меандров 7 и 8, входы которых соединены с выходами задающего генератора 1 и согласующего усилителя 6 соответственно, а выходы формирователей соединены со входами первого блока умножения 9, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения 13, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 10, а третий вход через последовательно соединенные формирователь 12 и анализатор спектра 11 соединен с выходом приемного преобразователя 5, формирователь 12 имеет выходной сигнал в виде прямоугольных импульсов, которые поступают на третий вход второго блока умножения 13, а выход второго блока умножения 13 через блок обработки данных 14 соединен с цифроаналоговым преобразователем 15.The drawing shows a structural diagram of the proposed ultrasonic phase transducer of the angle of rotation of the shaft, containing serially connected
Ультразвуковой фазовый преобразователь угла поворота вала работает следующим образом.Ultrasonic phase transducer angle of rotation of the shaft operates as follows.
Сигнал генератора 1 ультразвуковой частоты 100-300 кГц подается на усилитель мощности 2, а затем на излучающий преобразователь 3. Меняя частоту задающего генератора 1, добиваются наиболее эффективного излучения ультразвукового сигнала преобразователем 3 путем его настройки на частоту электромагнитного резонанса. При медленном вращении ротора 4 фаза отраженного ультразвукового сигнала меняется на некоторую величину, которая зависит от угла поворота вала. Модулированный по фазе ультразвуковой сигнал поступает на приемный преобразователь 5, настроенный на частоту механического резонанса. Преобразователь 5 преобразует сигнал акустической природы в сигнал электромагнитный со всеми индексами частотной и фазовой модуляции. Затем электромагнитный сигнал через согласующий усилитель 6 поступает на формирователь меандра 8, где из синусоидального преобразуется в последовательность однополярных прямоугольных импульсов той же частоты. На формирователь 7 поступает опорный сигнал с выхода задающего генератора 1 и на его выходе также приобретает форму меандра. Выходной сигнал формирователя 7, имеющего вид меандра, отличается от выходного сигнала формирователя 8 только тем, что может иметь некоторое рассогласование по фазе и частоте. Изменение фазы линейно связано с изменением расстояния отражающей поверхности вала до излучающего и приемного преобразователей, а изменение частоты характеризует скорость вращения вала. В данном случае фаза является информативным параметром. Оба сигнала прямоугольной формы поступают на входы первого блока 9 умножения, на выходе которого формируется последовательность прямоугольных импульсов различной длительности. Длительность импульсов характеризует изменение фазы и, следовательно, расстояния до исследуемого объекта. Эта последовательность прямоугольных импульсов поступает на первый вход второго блока 13 умножения, на второй вход которого поступают тактовые импульсы высокой, порядка 1 ГГц, частоты с генератора 10 тактовых импульсов. Меняющееся число тактовых импульсов в выходном сигнале блока 13 соответствует изменению фазы между отраженным и опорным сигналами. На третий вход блока 13 поступает сигнал формирователя 12, имеющего вид меандра. На вход формирователя 12 поступает сигнал с выхода анализатора 11 спектра отраженных от поверхности шнека акустических сигналов. Если вал шнека обладает эксцентриситетом, который является основной причиной вибрации, то при повороте вала на некоторый даже небольшой в несколько угловых градусов угол, фаза отраженного ультразвукового сигнала изменится относительно опорного, что зарегистрирует первый блок 9 умножения. При дальнейшем вращении вала 4 ребро шнека достигает поля действия зондирующего ультразвукового луча. При этом в спектре отраженного сигнала появляются кратные частоте вращения вала гармоники, амплитуда основной гармоники снижается, что отражается анализатором спектра 11. При этом выходной сигнал анализатора спектра, поступая через формирователь 12 на третий управляющий вход второго блока 13 умножения, переводит его в режим работы частотного детектора. Измерения виброперемещений шнека происходят синхронно с частотой вращения вала.The signal of the
Нелинейный режим работы наступает тогда, когда пятно контакта зондирующего луча попадает в область шнека, и полем действия луча является внешняя поверхность ребра шнека. Это явление эквивалентно движению отражающей поверхности навстречу падающему лучу. Поэтому частота отраженного сигнала будет превышать частоту зондирующего луча. Так, например, при частоте вращения вала 10 Гц, высоте ребра шнека 10-2 м и расстоянии между ребрами шнека по одной образующей 10-1 м эквивалентная скорость движения отражающей поверхности будет одного порядка со скоростью ультразвука в воздухе.Nonlinear operation occurs when the contact spot of the probe beam enters the area of the screw, and the field of action of the beam is the outer surface of the auger rib. This phenomenon is equivalent to the movement of the reflecting surface towards the incident beam. Therefore, the frequency of the reflected signal will exceed the frequency of the probe beam. So, for example, with a shaft rotation frequency of 10 Hz, a screw rib height of 10-2 m and a distance between the screw ribs along one generatrix of 10-1 m, the equivalent speed of the reflecting surface will be of the same order as the speed of ultrasound in air.
В этом случае за счет двойного эффекта Доплера частота отраженного сигнала: 
При этом отраженную волну теперь можно представить в виде:In this case, the reflected wave can now be represented as:
где l(t)=L+Δ(t).where l (t) = L + Δ (t).
где Jn(m) - Бесселева функция первого рода n-го порядка от аргумента m, m=ωd/Ω, - индекс частотной модуляции, Ω - частота изменения девиации данном случае частота виброколебаний вала, ωd - девиация частоты отраженного акустического сигнала.where J n (m) - Bessel function of the first kind of n-th order of the argument m, m = ω d / Ω , - the index of the frequency modulation, Ω - frequency change deviation given case the frequency of the shaft oscillatory, ω d - the frequency deviation of the reflected acoustic signal .
Таким образом, в спектр отраженного сигнала вклад различных боковых составляющих определяется величиной m.Thus, the contribution of various side components to the spectrum of the reflected signal is determined by the value of m.
Если m<<1, то имеют место приближенные равенстваIf m << 1, then the approximate equalities hold
sin(msinΩt)≈msinΩt, cos(msinΩt)≈1sin (msinΩt) ≈msinΩt, cos (msinΩt) ≈1
Это происходит тогда, когда угловая скорость вала незначительна, или зона действия ультразвукового луча не попадает в область ребра шнека.This occurs when the angular velocity of the shaft is negligible, or the range of the ultrasonic beam does not fall into the area of the auger rib.
При малой девиации частоты отраженного акустического сигнала m<<1 в его спектре присутствует только основная гармоника, равная частоте вращения вала. Поэтому выходной сигнал формирователя 12 имеет вид прямоугольного импульса, поступающего на третий вход второй схемы умножения 13. Далее через блок 14 обработки данных сигнал для визуального наблюдения поступает на цифроаналоговый преобразователь 15. При дальнейшем вращении вала 4 пятно контакта ультразвукового луча попадает в область действия внешней поверхности ребра шнека. Этот процесс характеризуется прежде всего тем, что снижается уровень отраженного сигнала, так как поле действия падающего луча начинает зондировать поверхность ребра шнека, и возрастает рассеивание отраженного сигнала. Во вторых, возрастает индекс частотной модуляции, который согласно выражению (1) провоцирует появление в спектре отраженного сигнала дополнительных гармоник. В этом случае формирователь 12 прекращает работу, выходной сигнал его принимает вид логического нуля, вторая схема 13 умножения перестает работать и процесс измерения прекращается на время, равное времени прохождения зондирующего ультразвукового луча через внешнюю поверхность ребра шнека.With a small deviation in the frequency of the reflected acoustic signal m << 1, only the fundamental harmonic equal to the shaft rotation frequency is present in its spectrum. Therefore, the output signal of the
При значениях индексов m, изменяющихся в интервале от 0,5 до 1, приобретает некоторое значение вторая пара боковых частот, ввиду чего ширина спектра должна быть приравнена 4Ω. Далее, при 1<m<2 приходится учитывать третью и четвертую пары боковых частот и т.д. Все эти процессы подвергаются анализу в блоке 11. Таким образом, ультразвуковой фазовый вибропреобразователь позволяет проводить вибродиагностику вращающихся валов со сложной внешней поверхностью, образующая которой не является прямой линией.For values of the indices m varying in the range from 0.5 to 1, the second pair of lateral frequencies acquires some value, as a result of which the width of the spectrum should be equal to 4Ω. Further, for 1 <m <2, it is necessary to take into account the third and fourth pairs of side frequencies, etc. All these processes are analyzed in
Блок 14 анализа предназначен для представления реализации исследуемого процесса в частотной или во временной областях. Выходной сигнал этого блока через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 15 может поступать на осциллограф или непосредственно в компьютер, где в зависимости от программного обеспечения может анализироваться автокорреляционная функция, спектральный состав, гистограмма распределений информативных параметров.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016120244A RU2667353C2 (en) | 2016-05-24 | 2016-05-24 | Ultrasonic phase transducer of angular turnover |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016120244A RU2667353C2 (en) | 2016-05-24 | 2016-05-24 | Ultrasonic phase transducer of angular turnover |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016120244A RU2016120244A (en) | 2017-11-29 |
| RU2667353C2 true RU2667353C2 (en) | 2018-09-18 |
Family
ID=60580882
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016120244A RU2667353C2 (en) | 2016-05-24 | 2016-05-24 | Ultrasonic phase transducer of angular turnover |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2667353C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2807421C1 (en) * | 2023-08-21 | 2023-11-14 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Digital ultrasonic vibration parameter meter |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2386923C1 (en) * | 2008-10-20 | 2010-04-20 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" | Device for measurement of angular displacements |
| US20120025743A1 (en) * | 2009-04-10 | 2012-02-02 | Canon Kabushiki Kaisha | Control apparatus for vibration wave driven apparatus |
| RU2568992C2 (en) * | 2013-06-26 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиностроения Российской академии наук (ИПМ РАН) | Ultrasonic phase vibrator inverter |
-
2016
- 2016-05-24 RU RU2016120244A patent/RU2667353C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2386923C1 (en) * | 2008-10-20 | 2010-04-20 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" | Device for measurement of angular displacements |
| US20120025743A1 (en) * | 2009-04-10 | 2012-02-02 | Canon Kabushiki Kaisha | Control apparatus for vibration wave driven apparatus |
| RU2568992C2 (en) * | 2013-06-26 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиностроения Российской академии наук (ИПМ РАН) | Ultrasonic phase vibrator inverter |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2807421C1 (en) * | 2023-08-21 | 2023-11-14 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Digital ultrasonic vibration parameter meter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016120244A (en) | 2017-11-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10564016B2 (en) | Ultrasonic transducers using adaptive multi-frequency hopping and coding | |
| US2418538A (en) | Measurement of distance by frequency-modulated carrier wave | |
| US3466652A (en) | Time delay spectrometer | |
| US9134406B2 (en) | Method and device for measuring a change in distance | |
| RU2667353C2 (en) | Ultrasonic phase transducer of angular turnover | |
| RU2568992C2 (en) | Ultrasonic phase vibrator inverter | |
| RU2504739C1 (en) | Device for determining fluid level in container | |
| US10209110B2 (en) | Ultrasonic sensor for displacement, vibration, linear and rotational speed and position, and fluid flow measurement | |
| RU2548615C2 (en) | Ultrasonic phase transducer of shaft rotation angle | |
| Wrobel et al. | Improved pulsed broadband ultrasonic spectroscopy for analysis of liquid-particle flow | |
| RU2700535C2 (en) | Method for helicopter rotors blades integrity control in coaxial arrangement scheme and device for implementation thereof | |
| RU2515129C1 (en) | Vortex flow meter | |
| RU2807421C1 (en) | Digital ultrasonic vibration parameter meter | |
| RU2472109C1 (en) | Ultrasound phase interrupter vibrator | |
| US3019636A (en) | Ultrasonic inspection and measuring means | |
| RU2551260C1 (en) | Non-contact radio-wave measurement method of liquid level in reservoir | |
| Fromme et al. | Remote Monitoring of Plate‐Like Structures Using Guided Wave Arrays | |
| Tallavo et al. | Ultrasonic transducers characterisation for evaluation of stiff geomaterials | |
| GB599602A (en) | Means for exact reading of the phase position of an arbitrary impulse in a periodically recurrent series of impulses | |
| Gordeev et al. | Ultrasonic Device for Measuring Shaft Eccentricity | |
| US3050990A (en) | Display device for recurring echoes | |
| RU2661488C1 (en) | Method of the distance measurement | |
| Khablov | Signal processing of Doppler microwave vibration sensors with quadrature transformation | |
| RU2301978C1 (en) | Method of measuring air-tightness of closed jars made of dielectric material | |
| RU2696823C1 (en) | Ultrasonic sensor of gas and liquid fuel media flow rate |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20180202 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190525 |