SU1716321A1

SU1716321A1 - Способ Щурова измерени скорости механических колебаний объекта

Info

Publication number: SU1716321A1
Application number: SU894767654A
Authority: SU
Inventors: Юрий Павлович Щуров
Original assignee: Научно-исследовательский институт измерительной техники
Priority date: 1989-12-11
Filing date: 1989-12-11
Publication date: 1992-02-28

Abstract

Изобретение относитс к виброметрии, преимущественно к бесконтактным радиоволновым методам измерени параметров вибрации при испытани х различных обьектов на вибропрочность и виброустойчивость , Цель изобретени - повышение точности за счет увеличени чувствительности к виброскорости. Измерени осуществл ют, в режиме зат гивани частоты, измер ют мгновенные значени напр жени сигналов динамического зат гивани , а также огибающих модулируемых сигналов при наличии и отсутствии зат гивани и определ ют амплитуду виброскорости по формуле v{G -Дал (0) /2 Oh /с |(1+(U1 (0) /U (0)f , гдеАол (0) - амплитудное значение динамического зат гивани частоты; ah - частота сигнала излучени ; Ui(Q) и U(0) - амплитудные значени огибающих напр жени модулируемых сигналов соответственно при наличии и отсутствии зат гивани частоты; с - скорость света. 2 ил. (Л С

Description

Изобретение относитс к виброметрии и может быть использовано дл бесконтактного измерени радиоволновым методой параметров вибрации различных объектов при их испытани х на вибропрочность и виброустойчивость.

Известно, что дл измерени параметров вибрации скорость механических колебаний испытываемых объектов определ ют бесконтактным радиоволновым способом на основе использовани эффекта Доплера.

При использовании известного способа движущийс объект облучают зондирующим СВЧ-сигналом, измер ют частоту oirpa- женного сигнала и сравнивают ее изменени с частотой с частотой опорного сигнала. При совпадении вектора колебаний объекта с направлением излучени величину амплитудного значени скорости

вибрации определ ют умножением допле- ровского смещени частоты на длину волны излучени . При фиксированной длине волны опорного СВЧ-сигнала точность измерений будет определ тьс величиной доплеровского смещени , т.е. скоростью объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс СВЧ-спо- соб измерени скорости механических колебаний, который заключаетс в том, что движущийс объект облучают зондирующим СВЧ-сигналом и осуществл ют прием амплитудно-модулированного сигнала, по которому суд т о скорости. Скорость будет равна измеренному значению вибросмещени , умноженному на частоту возбуждени , равную измеренному значению частоты резонансных колебаний. На резонансных часх|

Оч

со

ю

тотах исследуемого объекта происходит резкое увеличение амплитуды вибросмещени , возрастает глубина модул ции, а следовательно , и амплитуда низкочастотной огибающей СВЧ-сигнала, которую выдел - ют посредством амплитудного детектировани . Дл обеспечени заданной точности измерений исследуемый элемент объекта размещают в непосредственной близости от чувствительного элемента в максимуме градиента СВЧ-пол . На таких рассто ни х возникает параметрическа св зь между объектом и чувствительным элементом, в качестве которого используют объемный резонатор с встроенной штыревой антенной. Резонансные уровни вибросмещени вызывают возмущени напр женности СВЧ-пол и периодическую расстройку резонатора. uкотора приводит к амплитудной модул ции СВЧ-мощности. После детектировани .по огибающей сигнала несущей частоты определ ют величину вибросмещени на резонансных частотах объекта. Выполнив операцию дифференцировани , можно определить величину виброскорости. Прове- дение измерений в ближней зоне антенны сопровождаетс критичностью порога параметрической св зи, а следовательно, и флкжтуаци ми уровн выходных сигналов вибросмещени и виброскорости. Возника- ет необходимость во введении различного характера разв зок между пр мым и отраженным сигналами, генератором и чувствительным элементом, а также подстройки чувствительности на максимальное значе- ние.

Известный способ за счет низкого уровн порога чувствительности на нерезонансных частотах и его флюктуации на резонансных частотах не позвол ете доста- точно высокими значени ми точностей измер ть вибросмещение и определ ть косвенным методом виброскорость1.

Целью изобретени вл етс повышение точности измерени скорости.

Поставленна цель достигаетс тем, что согласно способу, заключающемус в том, что движущийс объект облучают зондирующим СВЧ-сигналом и осуществл ют прием амплитудно-модулированного отраженного сигнала, по которому суд т о скорости, зондирующий сигнал модулируют в режиме зат гивани частоты, измер ют значени амплитуд динамического зат гивани частоты и напр жений огибающих модулируемых сигналов при наличии и отсутствии зат гивани и определ ют амплитуду виброскорости по формуле

Aft )i(0)

wo

j/1+

Ui(OJ и Со)

где (0) - амплитудное значение динамического зат гивани- частоты;

Шо - частота сигнала излучени ;

Ui(0) и U(0}- амплитудные значени огибающих напр жений модулируемых сигналов соответственно при наличии и отсутствии зат гивани частоты;

с - скорость света.

На фиг. 1 представлена функциональна схема устройства дл осуществлени предлагаемого способа; на фиг. 2 - зависимости величины динамического зат гивани сигнала несущей частоты и скорости механических колебаний при различных частотах вибрации и поддержании на посто нном уровне ускорени по столу вибратора с. испытываемым объектом.

На фиг. 2 обозначены:

)/21Г(§Г);.:

9

а - п - 5д ;

Z-V(0)(), Г- пд 2О$ .

где (0) - величина динамического зат гивани частоты излучени автогенератора; v(o) - скорость механических колебаний; ng - уровень ускорени ;. кругова частота вибрации.

На фиг. 2 также показаны: 3 - предельный уровень скорости, развиваемой вибростендом типа Т802; 4 - предел измерений по ширине спектра при использовании анализатора типа С4-27; 5 - предел чувствительности частотного детектора, реализующего способ измерений.

Устройство (фиг. 1} состоит из автогенератора 1, переключател 2, вентил 3, первого направленного ответвител 4, второго направленного ответвител 5, антенны 6, амплитудного детектора 7, частотного детектора 8, блока 9 преобразовани и регистратора 10.

Блок 9 преобразовани может состо ть из последовательно соединенных первого делител , квадратора, сумматора, извлека- тел квадратного корн , умножител и второго делител .

Переключателем 2 обеспечивают режим измерений: рабочий и калибровки.

В св зи в автодинным принципом построени на фиг, 1 стрелками показаны направлени функциональных св зей только между блоками с передачей энергии сигналов в одном направлении.

Устройство работает следующим образом .

Сигнал излучени автогенератора 1 в виде узкого луча с помощью рупорной антенны 6 направл ют на совершающий колебани испытываемый объект 11. В рабочем режиме посредством переключател 2 коммутируют , мощность сигнала излучени на вход антенны 6 непосредственным подключением автогенератора 1 на вход первого направленного ответвител 4. На нелинейной проводимости автогенератора 1 происходит взаимодействие излучаемого и промодулированного по фазе отраженного сигналов, сопров.ождаемое зат гиванием и синхронизацией сигнала несущей частоты. Автогенератор 1 переходит в режим чувствительного элемента вибрации. С второго выхода первого направленного ответвител 4 промодулированный по амплитуде и частоте сигнал подают на вход второго направленного ответвител 5, к первому и второму выходам которого подключены амплитудный 7 и частотный 8 детекторы. На выходе амплитудного детектора 7 выдел ют огибающую напр жени сигнала несущей частоты Ui(0), на выходе частотного детектора 8 - напр жение сигнала динамического зат гивани несущей частоты. Напр жени выходных сигналов амплитудного и частотного детекторов и частоты излучени автогенератора 1 подают на первый, второй и третий входы блока 9 преобразовани , где посредством определ емых при калибровке весовых коэффициентов и текущих значений напр жени сигналов динамического зат гивани частоты реализуют алгоритм измерени скорости v(0). С выхода.блока 9 преобразовани напр жени сигналов скорости механических колебаний подают на вход регистратора 10.

В режиме калибровки посредством переключател 2 автогенератор коммутируют на вход первого направленного ответвител 4 через вентиль 3. Автогенератор 1 переходит в режим разв зки входной проводимости от возмущений со стороны отраженных от объекта 11 сигналов. Мгновенные значени уровней выходных сигналов частотного детектора 8 будут стремитьс к нулевым. Чувствительным элементом вибрации вместо автогенератора 1 становитс амплитуд- ный детектор 7, на нелинейном

сопротивлении которого будет происходить суммирование пр мого и отраженного от объекта 1.1 сигналов и выделение напр жений огибающих. При фиксированных значе- ни х частоты вибрации и рассто ни между антенной б и объектом 11 осуществл ют измерени значений напр жений сигналов:

U i(0) U(0) при Д (0) 0 и оГ two, а также Ui(0) U(0) при Дол Ф 0 и определ ют калиброванную величину коэффициента преобразовани автодина.

Предположим, что испытываемый объект 11 подвергаетс механическим колеба- ни м, измен ющимс , например, по закону x(t) х(0) cosnt, где х(0) - амплитуда вибросмещени . Тогда за счет разности хода пр мого и отраженного сигналов возникает фазовый сдвиг

дт (0}.ш

При переходе на режим динамического зат гивани возникает смещенна амплитудно-частотна модул ци . Мгновенные значени несущей частоты и мощности сигналов излучени автогенератора 1 будут измен тьс в соответствии соотношени ми:

co(t)w0ta

.. &СОо UCO,(t)

+

(Ос

W«

35

P(i)

(2)

АО), (01 ДСОойР,Н) .

s -rnr-«t} -о-«1

СО

где -величина статического зат гивани частоты;

Ро - мощность сигнала излучени ;

г - коэффициент отражени сигнала излучени Jno мощнос™;ДйЛ (t) и Pf(t) - соответственно мгновенные значени изменений частоты и мощности за счет динамического .зат гивани частоты напр жени сигнала излучени .

В режиме Д«(0) 0 возникает фазовый сдвиг

A95i(t) m sinQt,

(3)

5

где m

A ffli(0)

Т2

индекс частотной модул ции .

На основании соотношений (1) и (3) результирующий фазовый сдвиг

qKt)cp0(( ( i°/

р-тИШ1.

I Alf(O)/

где р0 и а - значени фазовых набегов сигнала соответственно при

(0) 0 и Дйл(0) 0 и при Дал(0)0.

Из соотношений (1)-(4) видно, что при наличии механических колебаний объекта 11 амплитудные значени напр жений выходных сигналов детекторов измен ютс с частотой вибрации и равны:15

дл амплитудного детектора 7 соответственно при наличии и отсутствии зат гивани частоты

U,(o)-A&cpt(o) при йСР,(оИО-,1 | U (o) ) при йсо,(о) о, ) (5)j

дл частотного детектора 8

UgCohBbCOaohB-gQ- P

U(o) f 0 при дсо,(о) о}

Щ

-- 35

где А и В - коэффициенты преобразований сигналов соответственно амплитудным и частотным детекторами;

Q - добротность резонатора;

К - крутизна характеристики;40

f|- коэффициент, завис щий от чувствительности детектора.

Из соотношений (1), (3)-(5) дл 1 амплитудного значени величины скорости вибрации имеем45

До (О)

с

ft |Г uicojf

if1 +L U(U) -Г

(7)

Из соотношени (7) следует, что предлагаемый способ позвол ет определ ть скорость механических колебаний методом пр мых измерений амплитуды динамиче-

ского зат гивани частоты напр жени сиг нала излучени автогенератора. За счет использовани механизма динамического

-

10

15

20

25

30

35

40

зат гивани частоты суммарна относительна погрешность измерений будет определ тьс значительно более высоким уровнем чувствительности и измер емым с высокой точностью параметром Дсгл(О) , на который переноситс информаци о виброскорости исследуемого объекта.

Предлагаемый способ измерений по сравнению с известным позвол ет проводить измерени скорости механических колебаний методом пр мых измерений и обеспечивает более высокую чувствительность преобразовани скорости вибрации в величину динамического зат гивани частоты сигнала излучени и более высокую точность измерений скорости механических колебаний микроминиатюрных элементов на резонансных и нерезонансных частотах возбуждени . Кроме того, он позвол ет проводить измерени в ближайшей и дальней зонах излучени и обеспечивает сочетание простоты конструктивного исполнени устройства пр мого измерени скорости с воз- можностью широкого использовани серийно выпускаемых генераторов и элементов СВЧ-трактов.

Форму л а изобретен и Способ измерени скорости механических колебаний объекта, заключающийс в том, что движущийс объект облучают зондирующим СВЧ-сигналом и осуществл ют прием амплитудно-модулированного отраженного сигнала, по которому суд т о скорости , отличающийс тем, что, с целью повышени точности измерени скорости, зондирующий сигнал модулируют в режиме зат гивани частоты, измер ют значени амплитуд динамического зат гивани частоты и напр жений огибающих модулируемых сигналов при наличии и отсутствии зат гивани и определ ют амплитуду v(0) виброскорости по формуле

Дон (0)

ufe

if

1+1

U1(0.) i2

тптгг

Г

50

55

где Дйл(0) - амплитудное значение динамического зат гивани частоты;

(Оо - частота сигнала излучени ;

U 1(0}и U(0)- амплитудные значени огибающих напр жений модулируемых сигналов соответственно при наличии и отсутствии зат гивани частоты;

с - скорость света.

II

W@J

10 8

6

4

Ю 8

6 4

Claims

Формула изобретения

Способ измерения скорости механических колебаний объекта, заключающийся в том, что движущийся объект облучают зондирующим СВЧ-сигналом и осуществляют прием амплитудно-модулированного отраженного сигнала, по которому судят о скорости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения скорости, зондирующий сигнал модулируют в режиме затягивания частоты, измеряют значения амплитуд динамического затягивания частоты и напряжений огибающих модулируемых сигналов при наличии и отсутствии затягивания и определяют амплитуду ν(0) виброскорости по формуле

Δωι (0 ) где Δωι(0) - амплитудное значение динамического затягивания частоты;

<Уо ~ частота сигнала излучения;

lh(0) и U(0)-амплитудные значения огибающих напряжений модулируемых сигналов соответственно при наличии и отсутствии затягивания частоты;

с - скорость света.

v(0) =

Фиг.2.