Способ щурова измерения скорости механических колебаний объекта

 

Изобретение относится к виброметрии, преимущественно к бесконтактным радиоволновым методам измерения параметров вибрации при испытаниях различных обьектов на вибропрочность и виброустойчивость , Цель изобретения - повышение точности за счет увеличения чувствительности к виброскорости. Измерения осуществляют, в режиме затягивания частоты, измеряют мгновенные значения напряжения сигналов динамического затягивания, а также огибающих модулируемых сигналов при наличии и отсутствии затягивания и определяют амплитуду виброскорости по формуле v{G -Дал (0) /2 Oh /с |(1+(U1 (0) /U (0)f , гдеАол (0) - амплитудное значение динамического затягивания частоты; ah - частота сигнала излучения; Ui(Q) и U(0) - амплитудные значения огибающих напряжения модулируемых сигналов соответственно при наличии и отсутствии затягивания частоты; с - скорость света. 2 ил. (Л С

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 В 15!00

ГосудАРственный кОмитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (21) 4767654/28 с(22) 1 1.12.89 (46) 29.02.92. Бюл. М 8 . (71) Научно-исследовательский институт измеритель юй техники (72) Ю.П. Щуров (53) 621.372(088.8) (56) Приборы и системы для измерения вибраций, шума и удара/Справочник под ред.

Клюева В.В. M.: Машиностроение, т.2,,с.2627, 47-49.

Журнал "Электронная техника", сер, 8, вып. 2 (72), 1979, с.47-49. (54) СПОСОБ ЩУРОВА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЯЕБАНИЙ

ОБЬЕКТА (57). Изобретение относится к виброметрии, преимущественно к бесконтактным радиоволновым методам измерения параметров вибрзции при испытаниях различных объекИзобретение относится к виброметрии и может быть использовано для бесконтактного измерения радиоволновым методом параметров вибрации различных объектов при их испытаниях на вибропрочность и виброустойчивость.

Известно, что для измерения параметров вибрации скорость механических колебаний испытываемых объектов определяют бесконтактным радиовол новым способом на основе использования эффекта Доплера.

При использовании известного способа движущийся объект облучают зондирующим СВЧ-сигналом, измеряют частоту отраженного сигнала и сравнивают ее изменения с частотой с частотой опорного сигнала. При совпадении вектора колеба-. ний объекта с направлением излучения величину амплитудного значения скорости

<19> SU <,и 1716321 А1 тов на вибропрочность и виброустойчи.вость. Цель изобретения — повышение точности за счет увеличения чувствительности к виброскорости. Измерения осуществляют. в режиме затягивания частоты, измеряют мгновенные значения напряжения сигналов динамического затягивания, а также огибающих модулируемых сигналов при наличии плитуду виброскоро

A g)l I (g)l (а) гдеЛа (О) — амплитудное значение динамического затягивания частоты; в — частота сигнала излучения; U<(0) и U(0)— амплитудные значения огибающих напряжения модулируемых сигналов соответственно при наличии и отсутствии затягивания частоты; с — скорость света. 2 ил. вибрации определяют умножением доплеровского смещения частоты на длину волны излучения. При фиксированной длине волны опорного СВЧ-сигнала точность измерений будет определяться величиной доплеровского смещения, т.е. скоростью объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является СВЧ-способ измерения скорости механических колебаний, который заключается в том, что движущийся объект облучают зондирующим СВЧ-сигналом и осуществляют прием амплитудно-модулированного сигнала, по которому судят о скорости. Скорость будет равна измеренному значению вибросмещения, умноженному на частоту возбуждения, равную измеренному значению частоты резонансных колебаний. На резонансных час1716321 татах исследуемого объекта происходит резкое увеличение амплитуды вибросмещения, возрастает глубина модуляции, а следовательно, и амплитуда низкочастотной огибающей СВЧ-сигнала, которую выделяют посредством амплитудного детектирования. Для обеспечения заданной точности измерений исследуемый элемент объекта размещают в непосредственной близости от чувствительного элемента в максимуме градиента СВЧ-поля. На таких расстояниях возникает параметрическая связь между объектом и чувствительным элементом, в качестве которого используют объемный резонатор с встроенной штыревой антенной.

Резонансные уровни вибросмещения вызывают возмущения напряженности СВЧ-поля и периодическую расстройку резонатора. которая приводит к амплитудной модуляции СВЧ-мощности. После детектирования .по огибающей сигнала несущей частоты определяют величину вибросмещения на резонансных частотах объекта. Выполнив операцию дифференцирования, можно определить величину виброскорости. Проведение измерений в ближней зоне антенны сопровождается критичностью порога параметрической связи, а следовательно, и флюктуациями уровня выходных сигналов вибросмещения и виброскорости. Возникает необходимость во введении различного характера развязок между прямым и отраженным сигналами, генератором и чувствительным элементом, а также подстройки чувствительности на максимальное значение.

Известный способ за счет низкого уровня порога чувствительности на нерезонансных частотах и его флюктуаций на резонансных частотах не позволяет с достаточно высокими значениями точностей измерять вибросмещение и определять косвенным методом виброскорость.

Целью изобретения является повышение точности измерения скорости.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, заключающемуся в том, что движущийся объект облучают зондирующим СВЧ-сигналом и осуществляют прием амплитудно-модулированного отраженного сигнала, по которому судят о 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 виброскорости по формуле,(О) ЛЩ1 0

2 с

5 где Ьы1(0} — амплитудное значение динамического затягивания частоты; ао — частота сигнала излучения;

01(0) и U(0) - амплитудные значения огибающих напряжений модулируемых сигналов соответственно при наличии и отсутствии затягивания частоты; с — скорость света, На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 — зависимости величины динамического затягивания сигнала несущей частоты и скорости механических колебаний при различных ча20 стотах вибрации и поддержании на постоянном уровне ускорения по столу вибратора с испытываемым объектом.

На фиг. 2 обозначены:

35 где Л ии(0) — величина динамического затягивания частоты излучения автогенератора; ч(о) — скорость механических колебаний; пц — уровень ускорения;Л. — круговая

40 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, переключателя 2, вентиля 3, пер50 вого направленного ответвителя 4, второго направленного ответвителя 5, антенны 6, амплитудного детектора 7, частотного детектора 8, блока 9 преобразования и регистратора 10.

Блок 9 преобразования может состоять из последовательно соединенных первого делителя, квадратора, сумматора, извлекателя квадратного корня, умножителя и второго делителя, 1716321

20

30

45

Лp (t) = m з!пйт, (3) Переключателем 2 обеспечивают режим измерений: рабочий и калибровки, В связи в автодинным принципом построения на фиг, 1 стрелками показаны направления функциональных связей только между блоками с передачей энергии сигналов в одном направлении.

Устройство работает следующим образом, Сигнал излучения автогенератора 1 в 10 виде узкого луча с помощью рупорной антенны 6 направляют нэ совершающий колебания испытываемый обьект 11. В рабочем режиме посредством переключателя 2 коммутируют. мощность сигнала излучения на вход антенны 6 непосредственным подключением автогенератора 1 на вход первого направленного ответвителя 4, На нелинейной проводимости автогенератора 1 происходит взаимодействие излучаемого и промодулированного по фазе отраженного сигналов, сопровождаемое затягиванием и синхронизацией сигнала несущей частоты, Автогенератор 1 переходит в режим чувствительного элемента вибрации. С второго выхода первого нап равлен ного ответвителя

4 промодулированный по амплитуде и частоте сигнал подают на вход второго направленного ответвителя 5, к первому и второму выходам которого подключены амплитудный 7 и частотный 8 детекторы. На выходе амплитудного детектора 7 выделяют огибающую напряжения сигнала несущей частоты U>(0), на выходе частотного детектора 8 — напряжение сигнала динамического затягивания несущей частоты. Напряжения выходных сигналов амплитудного и частотного детекторов и частоты излучения автогенера-. тора 1 подают на первый, второй и третий входы блока 9 преобразования, где посредством определяемых при калибровке весовых коэффициентов и текущих значений напряжения сигналов динамического затягивания частоты реализуют алгоритм измерения скорости v(0), С выхода. блока 9 преобразования напряжения сигналов скорости механических колебаний подают на . вход регистратора 10, В режиме калибровки посредством переключэтеля 2 эвтогенератор коммутируют на вход первого направленного ответвителя

4 через вентиль 3. Автогенератор 1 переходит в режим развязки входной проводимости от возмущений со стороны отраженных от объекта t1 сигналов. Мгновенные значения уровней выходных сигналов частотного детектора 8 будут стремиться к нулевым, Чувствительным элементом вибрации вместо автогенерэтора 1 становится амплитудный детектор 7, на нелинейном сопротивлении которого будет происходить суммирование прямого и отраженного от объекта 11 сигналов и выделение напряжений огибающих. При фиксированных значениях частоты вибрации и расстояния между антенной 6 и объектом 11 осуществляют измерения значений напряжений сигналов:

U !(О) = U(0) при Ьв (0) = 0 и cu = eo, a также 01(0) 0(0) при Лв1 Ф 0 и определяют калиброванную величину коэффициента преобразования автодина.

П редп сложим, что исп ыты ваемый объект 11 подвергается механическим колебаниям, изменяющимся, например, по закону

x(t) = х(0) cosnt, где х(0) — амплитуда вибросмещения. Тогда за счет разности хода прямого и отраженного сигналов возникает фазовый сдвиг л„(0) 22â Qo ХС02. (!) При переходе на режим динамического затягивания возникает смещенная амплитудно-частотная модуляция. Мгновенные значения несущей частоты и мощности сигналов излучения эвтогенераторэ 1 будут изменяться в соответствии соотношениями: где Лcoo — величина статического затягивания частоты;

Po — мощность сигнала излучения;

r — коэффициент отражения сигнала излучения по мощности;Лв1 (t) и Р (t) — соответственно мгновенные значения изменений частоты и мощности за счет динамического затягивания частоты напряжения сигнала излучения.

В режиме Л (0 ) = 0 возникает фазовый сдвиг

Ьсо 0 где m= — индекс частотной модуляции.

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

1716321

5 где р и а — значения фазовых набегов сигнала соответственно при

Ар {0) = О и Л в1(0) - О и при Ла1(0) 0.

Иэ соотношений (1)-(4) видно, что при наличии механических колебаний объекта

11 амплитудные значения напряжений выходных сигналов детекторов изменяются с частотой вибрации и равны: 15 для амплитудного детектора 7 соответственно при наличии и отсутствии затягивания частоты

Ф

25 для частотного детектора 8

35 где А и  — коэффициенты преобразований сигналов соответственно амплитудным и частотным детекторами;

Q — добротность резонатора;

К вЂ” крутизна характеристики; 40

g - коэффициент, зависящий от чувствительности детектора.

Из соотношений (1), (3) — (5) для амплитудного значения величины скорости вибрации имеем 45 ч(О)—

Из соотношения (7) следует, что предлагаемый способ позволяет on ределять скорость механических колебаний методом прямых измерений амплитуды динамического затягивания частоты напряжения сигнала излучения автогенератора. 3а счет использования механизма динамического затягивания частоты суммарная относительная погрешность измерений будет onpepeaaxtc значительно более высоким уровнем чувствительности и измеряемым с высокой точностью параметром Ла1(0), на который переносится информация о виброскорости исследуемого объекта.

Предлагаемый способ измерений по сравнению с известным позволяет проводить измерения скорости механических колебаний методом прямых измерений и обеспечивает более высокую чувствительность преобразования скорости вибрации в величину динамического затягивания частоты сигнала излучения и более высокую точность измерений скорости механических колебаний микроминиатюрных элементов на резонансных и нерезонансных частотах возбуждения, Кроме того, он позволяет проводить измерения в ближайшей и дальней зонах излучения и обеспечивает сочетание простоты конструктивного исполнения устройства прямого измерения скорости с возможностью широкого использования серийно выпускаемых генераторов и элементов СВЧ-трактов.

Формула изобретения

Способ измерения скорости механических колебаний объекта, заключающийся в том, что движущийся обьект 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 ч(0) виброскорости по формуле

v (О)— й4 с где Лв1(0) — амплитудное значение динамического затягивания частоты; во — частота сигнала излучения;

U<(0) и 0(0) — амплитудные значения огибающих напряжений модулируемых сигналов соответственно при наличии и отсутствии затягивания частоты; с — скорость света, 1716321

3 52

27е

Составитель Ю.Щуров

Редактор A.Ëåæíèíà Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Заказ 604 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-36, Раушская наб, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101