Способ измеренения вибраций и устройство для его осуществления
Использование: изобретение относится к области .измерительной техники и может быть использовано для измерения виброперемещений бесконтактным способом. Сущность: вблизи от контролируемой поверхности 6 располагают осветительный световод 3, связанный с источником света 2, первый и второй неравноудаленные от контролируемой поверхности приемные световоды 4 и 5, связанные с первым и вторым фотоприемниками 7 и 8 соответственно. Измеряют сигналы Ui и Ua первого и второго фотоприемников 7 и 8 соответственно. Находят величину S U2 - Ut, которая формируется на выходе блока 11 вычитания. Фильтром 16 нижних частот выделяют постоянную составляющую сигнала Si - Sicp. по знаку величины Sicp, который определяют по нуль-органу 17 или блоку световой индикации 14, судят о том. - е ел с
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 Н 17/00
ГОсудАРстВеннОе пАтентнОе
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4890037/28 (22) 11.12.90 (46) 28.02.93, Бюл. М 8 (71) Самарский авиационный институт им.акад. С.П.Королева (72) Н.Е.Конюхов, Н.И.Лиманова, А.P.ØèUjкин, В.М.Гречишников и А.В.Данилов (56) 1. Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. М.:
Энергоавтомиздат, 1989, с. 94 -95.
2. А.с. М 1223030 СССР, кл. 0 01 В
11/02. Оптический датчик перемещений
/В.А.Медников, В.А,Олейников и др.//—
Открытия, Изобретения. 1986. М 13.
3. Зак E.À. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. М,:
Энергоатомиздат, 1989, с. 93 (прототип).
4. А.с. Q 1112228 СССР, кл. G 01 В
21/00. Оптический датчик перемещений ! Н:).Й.Гудков, Е.А,Зак и др,// Открытия Изобретения. 1984, М 33, „„. Ж„„1798632 А1 (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИЙ И
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится к области. измерительной техники и может быть использовано для измерения виброперемещений бесконтактным способом, Сущность; вблизи от контролируемой поверхности
6 располагают осветительный световод 3, связанный с источником света 2, первый и второй неравноудаленные от контролируемой поверхности приемные световоды 4 и 5, связанные с первым и вторым фотоприемниками 7 и 8 соответственно. Измеряют сигналы
U> и 14 первого и второго фотоприемников
7 и 8 соответственно, Находят величину S =
Uz - U >, которая формируется на выходе блока 11 вычитания. Фильтром 16 нижних частот выделяют постоянную составляющую сигнала S> - S> 1798632 15 30 35 следует увеличить или уменьшить установочный зазор..Добиваются получения равенства Sicp = О, которое свидетельствует о том, что требуемая величина зазора установлена. Находят величину Sz = U> + Uz, которая формируется на выходе блока 9 сложения, на входы которого поступают напряжения Ut u Uz. На третий вход блока 9 сложения подается напряжение от источника 19 опорного напряжения. Выделяют постоянно составляющую величины Sp — $ ср с Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения виброперемещений бесконтактным способом; Целью изобретения является увеличение точности измерения. Поставленная цель доСтигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что через осветительный световод освещает контролируемую поверхность, принимают отраженный от контролируемой поверхности световой поток двумя приемными световодами, неравноудаленными от контролируемой поверхности, измеряют мощности Е> и Е2 отраженного светового потока соответственно на выходах первого и второго приемных световодов, определяют вибрацию контролируемой поверхности, согласно изобретению, путем контроля расстояния между световодами и контролируемой поверхностью определяют сигнал S>, равный разности величин Е2 и Е1, Выделяют постоянную составляющую $1ср сигнала Sz, определяют знак постоянной составляюЩЕй $1ср, С. УЧЕТОМ ЗНаКа S)cp ИтЕРаЦИОННО изменяют расстояние между световодами и контролируемой поверхностью до выполнения условия $1 р - О, определяют сумму Sz величин Е1 и Ег, выделяют постоянную составляющую $2cp сигнала $2, итерационно изменяют мощность падающего на контролируемую поверхность света до выполнения условия Szcp - const, выделяют переменную составляющую $1„сигнала S1, по которой судят о вибрации контролируемой поверхности. Устройство для измерения вибраций, содержащее последовательно соединенные управляемый стабилизатор тока, источник света и осветительный светов од, приемный 40 световод, связанный с фотоприемником, блок дифференцированию и регистратор, вход которого подключен ко второму входу блока дифференцирования, согласно иэобретению, снабжено последовательно соепомощью интегратора 10. Сигнал интегратора 10 является управляющим для управляемого стабилизатора 1 тока, с помощью которого изменяют величину мощности источника 2 света. Величина Spcp поддерживается таким образом неизменной. С помощью фильтра 15 высоких частот выделяют переменную составляющую S> — $1. по которой судят о виброперемещениях контролируемой поверхности. 4 ил. 1 з.п, ф-лы. диненными вторым приемным световодом, вторым фотоприемником, блоком сложения и интегратором, выход которого подключен к входу управляемого стабилизатора тока, источником опорного напряжения, подключенным к второму входу блока сложения, нуль-органом и компаратором; подключенным к первому выходу блока дифференцирования, блоком световой индикации, подключенным к выходу компаратора, и блоком. вычитания, вход которого подключен к входу блока дифференцирования, причем выход первого фотоприемника подключен к первому входу блока вычитания и к третьему входу блока сложения, выход второго фотоприемника подключен также ко второму входу блока-вычитания, а торцы приемных световодов неравноудалены от контролируемой поверхности. На фиг, 1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит последовательно соединенные управляемый стабилизатор 1 тока, источник 2 света и осветительный световод3. Устройство содержит также первый и второй приемные световоды 4 и 5, неравноудаленные от контролируемой поверхности 6 и связанные соответственно с ними первый и второй фотоприемники 7 и 8, Устройство содержит также последовательно соединенные блок 9 сложения, первый вход которого подключен к выходу фотоприемника 8, и интегратор 10, последовательно соединенные блок 11 вычитания, блок 12 дифференцирования, компаратор 13, подключенный к первому выходу блока 12 дифференцирования, и блок 14 световой индикации. Блок 12 дифференцирования содержит фильтр 15 верхних частот и фильтр 16 нижних частот. Входы фильтров 15 и 16 соединены вместе и образуют вход блока дифференцирования. Выход фильтра 16 нижних частот является первым выходом блока 12 дифференцирования, к которому также подключен нуль-орган 17. Выход 1798632 20 25 д31 д2 д2 S1= 02- 01 фильтра 15 верхних частот является вторым выходом блока дифференцирования. к которому подключен регистратор 18, В устройстве имеется также источник 19 опорного напряжения, подключенный ко второму входу блока 9 сложения, к третьему входу которого подключен фотоприемник 7. Первый и второй входы блока 11 вычитания подключены к фотоприемнику 7 и 8 соответственно, а.выход интегратора 10 соединен с входом уп равляемого стабилизатора 1 тока. Способ осуществляется следующим образом. Осветительный, первый и второй приемный световоды 3, 4 и 5 соответственно располагаются вблизи от контролируемой поверхности 6. Для определенности возьмем случай, когда второй приемный световод 5 рэсполо>кен ближе к контролируемой поверхности 6, чем первый световод 4 и осветительный световод 3, расположенные на одном расстоянии от поверхности 6, что соответствует ситуации, изображенной на фиг. 1. Для увеличения поперечного сечения световодов они могут выполняться в виде пакетов световодов. С помощью осветительного световода 3 и источника света 2 освещают контролируемую поверхность 6. Отраженный свет попадает в первый и второй световоды (соответственно лучи I u II на фиг, 1), что приводит к появлению сигналов U1 и 02 на выходах первого и второго фотоприемников 7 и 8 соответственно, которые пропорциональны Е1 и Е2. При изменении величины зазора Z величина U1 изменяется в соответствии с известной (1) зависимостью U1(Z), изображенной на фиг. 1 (пунктиром обозначен недоступный из-ээ наличия второго выступающегО приемного световода участок зависимости). При малых значениях Z (см. фиг. 3) сигнал 02 будет меньше 01, так как второй приемный световод будет находиться в "собственной тени".. При дальнейшем увеличении Z величина Uz будет увеличиваться, э в дальнейшем превысит 01, так кэк второй световод расположен ближе к отражающей поверхности. Соответствующая зависимость Uz(2) также изображена на фиг. 2, В целом зависимость U2(Z) будет сдвинута относительно 01(Z) в еторону больших значений Z, аналогично тому, как это осуществлялось в (11, только в описываемом способе это смещение достигается путем перемещения второгр приемного световода 5 в направлении, перпендикулярном к контролируемой поверхности 6, ИСпОльэуя вЕличины U1 и Uz, фОрмируют сигнал 55 и, как следует из фиг. 4, нэ которой изображена зависимость S1(Z). при 2 < Zo величина Я1 < О, а при Z > Zo S1 > О, где Zo — абсцисса точки пересечения зависимостей 01(2) и 02(2). Измерение виброперемещений производят при установочном зазоре Z = Zo, для чего при S1 < О зазор увеличивают, а при S1 > 0 зазор уменьшают до получения равенства S1cp = О, (2) гДе S1cp — постоЯннаЯ составлЯюЩаЯ сигнала S1. Сигнал S1 можно получить в статике, не изменяя зазор, а знак сигнала S1 позволяет судить о направлении изменения Z. При изменении мощности P источника света или при изменении коэффициента К отражения света от поверхности происходит одинаковое "растяжение" или "сжатие" зависимостей 02(2) и U1(Z) вдоль оси OU на фиг. 2, но при этом абсцисса точки пересечения этих двух зависимостей не изменится. Таким образом, на точность установки величины зазора Zo не влияет изменение величин РиК. При вибрации (отклонении Z от Zo) величины Uz и U1 получают приращения, разные по знаку, то есть величина S1 модулируется, однако постоянные составляющие величины Uz, U1 и S1cp не изменяются, поэтому выбирают установочный зазор из условия (1), что позволяет устанавливать и контролировать величину зазора и при вибрирующем изделии, Под действием дестабилизирующих факторов (изменение КПД источника света при изменении температуры или старении, запыление отражающей свет поверхности) могут изменяться величины P и К, что вызовет, как отмечалось выше, одинаковое "сжатие" или "растяжение" зависимостей Uz(Z) и U1(Z) по оси OU, Считая фотоприемники линейными устройствами, влияние P и К нэ величины Uz и 01 можно выразить в виде 01 = f1(Z) Р К, (3) U2 = Й2(2) . Р К, (4) где f1(Z), fz(Z) — функции, описывающие характер зависимости 01 и 0z от Z. ЧувствительнОсть S1 к вибрации (наклон S1(Z) на фиг. 4) с учетом (3), (4) и (1) равна р дб(z) (2> @ д2 д2 1798632 S2 = U2+ U1. (6) 10 20 (8) 30 55 и будет зависеть от P и К. Для исключения влияния P и К на велиaS1 чину — формируем сигнал S2 в виде: aZ и, изменяя величину Р, добиваемся, чтобы постоянная составляющая величины S2. -52ср была неизменна, т.е. S2cp const (7) При этом с учетом (6), (3) и (4) получим S2cp =(U2 U1)cp =(f1(Z)+ f2(Z))cp Р K ConSt, где (f1(Z)+ f2(Z))cp среднее значение величины 11(2) + f2(z). Так как величина (f1(Z) + f2(Z))cp при неизменном установочном зазоре есть величина постоянная, то, изменяя P до получения равенства (8), мы тем самым стабилизируем величину P К (P К = const). т,е. поддерживаем постоянной чувствительность S1 к вибрации (см. (5)), Таким образом, выполняя условия (2) и (7), мы тем самым обеспечиваем измерение вибрации при постоянном зазоре и стабилизируем чувствительность способа к вибрации. После описанных выше операций измеряют вибрацию, для чего из сигнала S1 выделяют . переменную состзвля ощую S1, по амплитуде которой судят о величине колебаний контролируемой поверхности. Если первый приемный световод 4 Gyдет расположен ближе к контролируемой поверхности, чем второй приемный световод 5, то при Z < Zo величина S» О, а при Z> > Zo S1 < О, в остальном функционирование способа не йзменится. Устройство, реализующее способ, работает следующим образом. цветоводы 3, 4 и 5 размещаются в непосредственной близости от контролируемой поверхности 6, которая освещается источником света 2 через. световод 3. Отраженный свет через световоды 4 и 5 попадает в фотоприемники 7 и 8 соответственно. При этом на выходах фотоприемников 7 и 8 формируются сигналы 01 и U2 сОответственно, зависимость которых . от Z будет различна и иметь вид, как это объяснялось выше, изображенный на фиг. 2.. Иа выходе блока 11 вычитания формируется сигнал S1 02- U1, поступающий на вход блока 12 дифференцирования, который как и в прототипе (4), имеет двз выхода и содержит фильтр 15 верхних частот (ФКЧ 15) и фильтр 16 нижних частот (ФВЧ 16). Таким образом, из сигнала S1 выделяется переменная составляющая — S1 (на выходе ФВЧ 15) и постоянная составляющая Slñð нз 5 выходе ФКЧ 16, которая поступает на нульорган 17 (стрелочный индикатор с нулевой отметкой посередине шкалы) и компаратор 13, Оператор, наблюдая показания нуль-органа 17, изменяет Z в нужную сторону (см, способ). Компарзтор 13 выполнен по схеме двухпорогового компаратора, разность между уровнями срабатывания которого определяется необходимой точностью выполнения равенства S1cp = О. При выполнении равенства Slcp = О за счет изменения Z срабатывает компзратор 13 и включается блок 14 световой индикации (нзпример, светодиод зеленого свечения). Таким образом, оператор, изменяя 7 (о необходимом нзправлении оператор судит по блоку 17), добивается загорания блока 14 световой индикации, что свидетельствует об установке нужного зазора. Выбирая пороги срабатывания компараторз 13 достаточно мало отличзющимися от нуля, можно добиться ВЫПОЛНЕНИЯ раВЕНСтюа $1ср = О С НЕОбХОдИмой точностью. В дальнейшем изменяют зазор только в. том случае, если блок 14 перестанет светиться. Чувствительность устройства к вибрзции поддерживается постоянной следующим образам, Нз входы блока 9 сложения поступают сигналы Ul и U2 с фотоприемнлКо8 7 и 8, а с выхода источника 19 опорного напряжения поступает на вход блока 19 сложенил сигнал Up<, причем полярность сигнала 4 выбирают противоположной полярности слгнзлов 01 и U2. На выходе блокз 9 сложения формируется сигнал U1+ + U2+ Uon, котоРый постУпает на вход интегратора 10. Нз выходе интегратора 10 сигнал будет изменяться, и ри этом будет изменяться ток питания источника 2 света, который задается управляемым источником 1 тока. За счет изменения мощности источника 2 света изменяются пропорционально величины U1 ио2, Мощность источника света будет меняться до тех пор, пока на входе интегратора l0 не установится нулевой сигнал, т.е. U1 + U2 + Uoo = О. Так как Сам интегратор 1Ä0 обладает большей инерционностью, то бн будет сглаживать пульсации величин 01 и 02, поэтому при установившемся токе через источник 2 света будет выполнлтьсЯ Равенство (U1 + 02)cp + Up@ = О, т.е, S2cp = -Uon = const, поэтомУ. Условие (7) будет выполняться, тем самым в устройстве поддерживается постоянной чувствительность к вибрации, 1798632 15 25 35 45 55 Таким образом, после установки оператором нужного зазора и спустя время, определяемое инерционностью интегратора 10, устройство полностью работоспособно, а на вход регистратора 18 поступает переменная составляющая сигнала 51 — Si, амплитуда которой строго пропорциональна амплитуде колебаний поверхности 6. В качестве фотоприемников 7 и 8 могут быть использованы устройства, описанные в (5), схемы других блоков описаны, например, в (6). В качестве регистратора 18 может быть использован вольтметр (данные о вибрации не запоминаются), магнитофон или самописец. Для получения максимально высоких метрологических характеристик, в том числе высокой линейности, конструктивные размеры и величину AZ следует выбирать таким образом, чтобы точка пересечения зависимостей f2(Z) и f1(Z) находилась на линейных участках этих зависимостей; и абсолютные величины наклонова51 c7S2 были равны. Последнее условие удобно выполнять, изменяя коэффициенты преобразования фотоприемников 7 и 8, Величину Ооп следует выбирать таким образом, чтобы при установленном зазоре и номинальном коэффициенте отражения от поверхности 6 величина тока через источник 2 света составляла 50 — 80% от максимально допустимой, Желательно предусмотреть ограничение максимального тока, отдаваемого блоком 1 в источник 2 света, что исключит случайное выгорание источника 2 света, Сдвиг зависимостей f2(Z) и F1(Z) относительно друг друга можнО реализовать аналогично (1) или путем задания величины A Z. Точная установка нужного зазора (причем возможна установка зазора при вибрирующей контролируемой поверхности), контроль величины установочного зазора непосредственно при измерении вибрации, увеличение чувствительности способа к вибрации (вибрацию "чувствуют" оба фотоприемника по сравнению с (3), в котором один иэ фотоприемников не "чувствует" вибрацию) приводит к увеличению точности измерения вибрации, Кроме этого, снижено слияние фоновой засветки фотоприемников . на точность установки зазора, так как в процессе формирования сигнала S1, по которому устанавливают зазор, происходит вычитание сигналов, наводимых фоновой засветкой. Данный способ позволяет легко автоматизировать установку нужного зазора при автоматизации виброизмерений, так, наличие четкой зависимости S1 от зазора (при ZC < Zp S1 < О, при Z > Zp S2 > О) позволяет испольэовать автоматические устройства (на основе электронных регуляторов и электромагнита) для установки и поддерживания нужной величины установочного зазора. Формула изобретения 1. Способ измерения вибраций, эаключающийся в том, что через осветительный световод освещают контролируемую поверхности, принимают отраженный от контролируемой поверхности световой поток двумя приемными световодами, неравноудаленными от контролируемой поверхности, измеряют мощности Е1и Е2 отраженного светового потока соответственно на выходах первого и второго приемных световодов, определяют вибрацию контролируемой поверхности, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения, путем контроля расстояния между световодами и контролируемой поверхностью, определяют сигнал S1, равный разности величин Е2 и Е1, выделяют постоянную составляющую S1cp сигнала S2, определяют знак постоянной составлЯющей Я1,р, с Учетом знака Я1ср итеРационно изменяют расстояние между световодами и контролируемой поверхности до выполнения условия S1cp = О, определяют сумму S2 величин Е2 и Е1, выделяют постоянную составляющую S2
ДО ВЬ ПОЛНЕНИЯ УСЛОВИЯ 32,р = COAST, ВЫДЕляют переменную составляющую S» сигнала S1, по которой судят о вибрации контролируемой поверхности. 2. Устройство для измерения вибраций, содержащее последовательно соединенные управляемый стабилизатор тока, источник света и осветительный световод, приемный световод, связанный с фотоприемником, блок дифференцирования и регистратор, вход которого подключен к второму выходу блока дифференцирования, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью увеличения точности измерения и контроля расстояния между световодами и контролируемой поверхностью непосредственно в процессе измерения, оно снабжено последовательно соединенными вторым приемным световодом, вторым фотоприемником, блоком сложения и интегратором. выход которого подключен к входу управляемого стабилизатора тока, источником опорного напряжения, подключенным к второму входу блока сложения, нуль-органом и компаратором, подключенным к первому выходу блока дифференцирования, блоком световой индика12 1798632 Составитель Н.Лиманова Техред М.Моргентал Корректор T.Âýøêoâè÷ Редактор Заказ 765 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул,Гагарина, 101 ции, подключенным к выходу компаратора, и блоком вычитания, выход которого подключен к входу блока дифференцирования, причем выход первого фотоприемника подключен к первому входу блока вычитания и к третьему входу блока сложения. выход вторбго фотоприемника подключен такжЕ к второму входу блока вычитания, а торцы приемных световодов неравноудалены от конт5 ролируемой поверхности.
