Устройство спектрального преобразователя вибрации

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2768500:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам преобразования вибрации. Устройство спектрального преобразователя вибрации содержит корпусной элемент и инерционную массу, выполненные в виде кварцевой мембраны с массивным жестким центром. Массивный жесткий центр выполнен внутри замкнутой полости мембраны. С внешней стороны на противоположных торцах мембраны закреплено оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга таким образом, что с одной стороны от волоконной решетки Брэгга оптическое волокно зафиксировано на одном торце мембраны, а с другой стороны - на другом торце, с возможностью передачи на участок оптического волокна, содержащий волоконную решетку Брэгга, вибрационного воздействия, вызывающего малые прогибы одного из торцов мембраны, обусловленные колебаниями ее жесткого центра. Техническим результатом является повышение точности спектрального преобразователя вибрации. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам преобразования вибрации.

Известно устройство для преобразования вибраций, в котором использована волоконная брэгговская решетка (ВБР), закрепленная на тонкой металлической пластинке, на одном конце зажатая между корпусными элементами массивной рамки. Для передачи деформации на пластинку на ее свободном конце закрепляют груз. Внешние измеряемые вибрации передаются на один конец тонкой пластинки, закрепленный в рамке, в то время как инерционная масса в виде подвешенного груза оказывает на второй конец пластинки деформирующее воздействие. Деформации пластинки и, соответственно, ВБР, закрепленной на ней вызывают изменения периода волоконной решетки, который в свою очередь определяет ее резонансный отклик. Andrea Cusano, Antonello Cutolo, Jacques Albert. Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation. Bentham eBooks (2011), ISBN: 978-1-60805-084-0, p. 149-150.

Данное устройство преобразования вибраций достаточно простое в реализации, однако его недостатком является невысокая точность преобразования. Наличие упругого элемента в виде металлической пластинки и закрепленного на ней груза не предполагает использования такого способа преобразования вибраций в ответственных приборах и средствах измерения, поскольку в металлических конструктивных элементах неизбежно возникают остаточные пластические деформации, приводящие к потере точности преобразования и дополнительным погрешностям, связанным с различием в температурных коэффициентах расширения кварцевого волокна и металлов.

Известно устройство и способ преобразования вибраций, включающий использование металлического корпуса и инерционной массы в виде шарика, закрепленного посредством металлического Г-образного рычага к одному из концов оптического волокна с ВБР. Второй конец волокна, при этом, закреплен на жестком основании корпуса. Шарик снизу поджат пружиной. Andrea Cusano, Antonello Cutolo, Jacques Albert. Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation. Bentham eBooks (2011), ISBN: 978-1-60805-084-0, p. 201-202.

Недостатком данного технического решения является невысокая точность преобразования вибраций в оптический сигнал, поскольку описанный способ преобразования предполагает использование пружины, поджимающей инерционную массу. Возникающие малые колебания пружины, ее остаточные деформации, а также явления гистерезиса в металлических рычажных элементах, не позволяют производить точных преобразований вибраций.

Известен спектральный преобразователь вибрации с повышенной точностью спектрального преобразования за счет использования конструктивных элементов специальной формы из неметаллического материала. Устройство содержит волоконную решетку Брэгга, а также инерционную массу и корпусной элемент, выполненные в виде кварцевой мембраны с массивным жестким центром. Мембрана закреплена на кварцевой пластине, волоконная решетка Брэгга закреплена между мембраной и пластиной. Патент Российской Федерации на полезную модель №186775, МПК G01L 7/08, G01L 11/02, 01.02.2019. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

В прототипе оптическое волокно закрепляют в осевом отверстии кварцевой мембраны и кварцевой пластины, которые соединяют между собой посредством диффузионной пайки. Такое техническое решение позволяет повысить точность спектрального преобразования вибрации. Однако необходимость соединения мембраны и пластины диффузионной пайкой требует сложных технологических операций, влияющих на повторяемость результатов, что ограничивает область применения способа.

В предложенном устройстве задача повышения точности спектрального преобразования решена за счет использования конструктивных элементов специальной формы из неметаллического материала, выполненных на основе аддитивных технологий.

Техническим результатом является повышение точности спектрального преобразователя вибрации.

Технический результат достигается тем, что устройство спектрального преобразователя вибрации содержит корпусной элемент и инерционную массу, выполненные в виде кварцевой мембраны с массивным жестким центром. Массивный жесткий центр выполнен внутри замкнутой полости мембраны. С внешней стороны на противоположных торцах мембраны закреплено оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга таким образом, что с одной стороны от волоконной решетки Брэгга оптическое волокно зафиксировано на одном торце мембраны, а с другой стороны - на другом торце, с возможностью передачи на участок оптического волокна, содержащий волоконную решетку Брэгга, вибрационного воздействия, вызывающего малые прогибы одного из торцов мембраны, обусловленные колебаниями ее жесткого центра.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлено устройство спектрального преобразователя вибрации, где:

1 - мембрана;

2 - жесткий центр мембраны (инерционная масса);

3 - оптическое волокно;

4 - волоконная решетка Брэгга;

5 - адгезионный материал.

Устройство спектрального преобразователя вибрации содержит инерционную массу, которая сформирована за одно целое с корпусным элементом в виде кварцевой мембраны 1. Инерционная масса выполнена в виде массивного жесткого центра 2 внутри замкнутой полости мембраны. С внешней стороны, на противоположных торцах мембраны, закреплено оптическое волокно 3 с волоконной решеткой Брэгга 4 таким образом, что с одной стороны от волоконной решетки Брэгга оптическое волокно зафиксировано на одном торце мембраны, а с другой стороны - на другом торце.

Спектральное преобразование вибрации осуществляется следующим образом.

Вибрационное воздействие М, вызывающее малые прогибы одного из торцов мембраны 1, обусловленные колебаниями ее жесткого центра 2, т.е. колебаниями инерционной массы относительно всей конструкции, передают на участок оптического волокна 3, содержащий волоконную решетку Брэгга 4. Деформации волоконной решетки Брэгга 4 вызывают изменения спектральных свойств излучения, прошедшего через оптическое волокно от излучателя к приемнику излучения (излучатель и приемник излучения на чертеже не показаны).

Преобразование вибраций с использованием корпусного элемента - мембраны и инерционной массы, выполненных в виде единой детали, обеспечивает не только выраженную физическую согласованность кварцевого оптического волокна и конструктивных элементов преобразователя вибрации, но и предотвращает возникновение остаточных деформаций в элементах конструкции, присущих металлам, что повышает точностные параметры преобразования.

Для изготовления мембраны с массивным жестким центром, выполненным внутри ее полости, используют аддитивную технологию, заключающуюся в послойной печати трехмерной детали, при которой выполняется селективное отверждение фотополимеризуемой суспензии с помощью управляемого компьютером лазерного луча. При таком формообразовании мембраны возможна реализация разных по конфигурации внутренних конструктивных элементов мембраны. Таким образом, данное техническое решение позволяет минимизировать количество конструктивных элементов преобразователя до одной детали - мембраны, уменьшив тем самым дополнительные погрешности, присущие каждому элементу в кинематической схеме устройств, что позволяет достичь заявленный технический результат в повышении точности спектрального преобразователя вибрации.

При реализации предложенного технического решения оптическое волокно 3 закрепляют в осевом отверстии мембраны 1 с возможностью выбора необходимой длины закрепления волоконной решетки Брэгга 4, т.е. промежутка между точками закрепления 5, который определяет деформируемую область волокна, влияющую на чувствительность преобразователя к вибрациям. Крутизна характеристики преобразования при этом будет зависеть от соотношения размеров всех конструктивных элементов мембраны, определяющих, в том числе, и длину закрепления волоконной решетки Брэгга. Такие геометрические параметры рассчитывают в зависимости от требуемого в каждом конкретном случае диапазона изменений величины вибрационного воздействия М.

Последующее закрепление кварцевой мембраны 1 в измерительных устройствах и системах может быть выполнено посредством корпусной оправы. В качестве адгезионного материала для закрепления оптического волокна в отверстии мембраны может применяться, например, цемент стеклокристаллический СЦНК 77-2.

В результате поиска, на основании источников патентной и технической информации, не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с изобретением. Предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение, обладающее новизной и изобретательским уровнем.

Устройство спектрального преобразователя вибрации, содержащее корпусной элемент и инерционную массу, выполненные в виде кварцевой мембраны с массивным жестким центром, отличающееся тем, что массивный жесткий центр выполнен внутри замкнутой полости мембраны; с внешней стороны на противоположных торцах мембраны закреплено оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга таким образом, что с одной стороны от волоконной решетки Брэгга оптическое волокно зафиксировано на одном торце мембраны, а с другой стороны - на другом торце, с возможностью передачи на участок оптического волокна, содержащий волоконную решетку Брэгга, вибрационного воздействия, вызывающего малые прогибы одного из торцов мембраны, обусловленные колебаниями ее жесткого центра.

Использование: для вибрационного контроля технического состояния мостовых конструкций. Сущность изобретения заключается в воздействии на мостовую конструкцию динамической нагрузки, измерении при этом параметров механической вибрации с помощью акселерометров в контрольных точках мостовых конструкций, согласно изобретению параметры динамической нагрузки, схему и массу, скорость приложения к мостовой конструкции принимают сопоставимыми с параметрами реально действующей временной нагрузки, а измерение параметров механической вибрации осуществляют акселерометрами-виброметрами, интеллектуальными, цифровыми с встроенными процессорами, которые путем интегрирования регистрируемых ускорений рассчитывают виброскорости и виброперемещения в контрольных точках, а в качестве основных критериев оценки технического состояния мостовой конструкции принимают отношения измеренных максимальных значений перемещений - амплитуд в направлениях осей трехмерной системы координат с началом в контрольной точке к расчетной величине перемещений от статического приложения нагрузки, равной по массе динамической нагрузке (Кх, Ку, Kz), а также измеренных динамических коэффициентов (1+μ)х, (1+μ)у, (1+μ)z, определенных как отношения измеренных максимальных значений перемещений - амплитуд колебаний к среднему измеренному значению в направлении соответствующих осей системы координат к расчетным динамическим коэффициентам, причем полученные значения (Кх, Ку, Kz) в интервале выше 1 соответствуют наличию зоны аномального механического напряжения, а значения (Кх, Ку, Kz)<1 - об ее отсутствии, так же, как отношения измеренных значений динамических коэффициентов к расчетным.

Способ определения состояния объектов при вибродиагностике // 2766845

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к способу определения состояния объектов при проведении испытаний аэрокосмической или иной техники на вибропрочность, и может быть использовано для определения повреждений силовых конструкций. При реализации способа конструкцию подвергают воздействию вибрации в заданном частотном диапазоне, при этом первоначально проводят стабилизацию конструкции воздействием широкополосной случайной вибрации низкого уровня.

Способ контроля технического состояния механизмов // 2765336

Изобретение относится к методам технического контроля механизмов и может быть использовано для контроля технического состояния механизмов по изменениям механических колебаний. При реализации способа в информативной точке поверхности, связанной с оборудованием, которое содержит эти механизмы, наносят контрастную метку круглой формы, формируют изображения этой метки и на основе анализа параметров вибрационного размытия этих изображений судят о техническом состоянии контролируемых механизмов.

Способ и система планирования профилактического обслуживания и ремонта технологического оборудования на основе акустической диагностики с применением нейронных сетей // 2764962

Использование: для планирования профилактического обслуживания и ремонта технологического оборудования на основе анализа шумовибрационной и ультразвуковой картины. Сущность изобретения заключается в том, что получают акустические данные технологического оборудования одновременно с помощью одного или более измерителей шума, одного или более измерителей ультразвука и одного или более измерителей вибраций; с помощью одного или более автоматизированных рабочих мест (АРМ) разметки паттернов обрабатывают полученные акустические данные с применением аугментации и корректировки полученной шумовибрационной и ультразвуковой картины, размечают скорректированный датасет акустических данных и получают размеченные акустические данные; передают размеченные акустические данные в один или более интеллектуальных модулей, причем интеллектуальный модуль в режиме реального времени осуществляет обработку полученных акустических данных и анализ обработанных акустических данных с помощью одной или более нейронных сетей, и на основе результатов проведенного анализа получают данные о планировании профилактического обслуживания и ремонта технологического оборудования; передают данные о планировании профилактического обслуживания и ремонта технологического оборудования на одно или более АРМ оператора для отображения.

Установка для испытания трубопровода на усталостную прочность // 2760354

Изобретение относится к конструированию стендов для испытания трубопроводов на усталостную прочность, содержащих специальные приспособления для закрепления трубопроводов на вибростенде, в частности трубопроводов турбомашин. Установка содержит средство балансировки и, по меньшей мере, один штуцер для закрепления конца трубопровода различного диаметра, опора выполнена в виде полого цилиндра с кольцевым фланцем, наружная боковая поверхность полого цилиндра выполнена в виде многогранника с четным количеством граней, при этом штуцер установлен, по меньшей мере, на одной из граней и соединен с последней посредством разъемного соединения, а на противоположной ей грани опоры закреплено средство балансировки или штуцер для уравновешивания системы, причем устройство упругих направляющих, передающее вибровозбуждения от вибратора, направлено вдоль оси опоры.

Способ испытаний изделий космической техники на виброакустическое воздействие // 2756143

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к виброакустическим испытаниям. Способ испытаний изделий космической техники на виброакустическое воздействие заключается в том, что в пространстве между испытуемым объектом и расположенным вокруг него излучателями звукового сигнала создается акустическое поле.

Устройство настройки, корректировки и формирования динамического состояния вибрационной технологической машины и способ для его реализации // 2755646

Группа изобретений относится к области машиностроения. Устройство настройки, коррекции и формирования динамического состояния вибрационной технологической машины содержит опорную поверхность, компрессор, вибратор, упругий элемент.

Низкочастотный вибростенд для калибровки пьезодатчиков // 2754238

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для калибровки пьезометрических датчиков, в частности для создания регулируемого воздействия на калибруемые пьезодатчики. Стенд включает массивное основание, систему из четырех направляющих стержней.

Способ испытаний бортовой аппаратуры космических аппаратов на вибрационные воздействия // 2753979

Изобретение относится к области испытаний аппаратуры на механические воздействия и может быть использовано при отработочных и приемных испытаниях аппаратуры для авиационной, ракетной и космической техники. Способ заключается в предварительном определении собственных частот аппаратуры и нагружении заранее заданным нормированным воздействием с последующей корректировкой задающего воздействия из условия непревышения допустимых режимов нагружения аппаратуры.

Способ вибрационной диагностики роторных систем // 2753151

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для диагностирования состояния технического оборудования. При реализации способа, включающем измерение параметров работы реальной роторной системы и сравнение получаемых параметров с этими же величинами, замеренными в первоначальном состоянии, данные регистрируют в двух направлениях: вертикальном и горизонтальном по отношению к оси вращения ротора.

Способ мониторинга в условиях вибрационных испытаний переменной нагруженности и усталостной повреждаемости конструкции беспилотных воздушных судов вертолетного типа // 2772086

Изобретение относится к области прочностных испытаний натурных конструкций, в частности к способу мониторинга в условиях вибрационных испытаний. Для проведения тарировки на основных силовых элементах конструкции монтируют тензодатчики. В центре тяжести конструкции монтируют виброизмерительные преобразователи. Через адаптер, соединяющий фланец подвижной руки промышленного робота с втулкой вала несущего винта, возбуждают гармонические линейные и угловые колебания с различными частотами и амплитудами и измеряют линейные и угловые перемещения конструкции в ее центре тяжести по показаниям виброизмерительных преобразователей и тензодатчиков. Устанавливают зависимость отношений амплитуд деформаций к амплитудам перемещений от частоты колебаний. При вибрационных испытаниях в конструкции возбуждают заданный режим вибрационного нагружения и измеряют линейные и угловые перемещения в центре тяжести. Используя полученные зависимости определяют амплитуды деформаций в основных силовых элементах, по которым вычисляют усталостную повреждаемость. Обеспечивается повышение достоверности определения нагруженности и усталостной повреждаемости конструкции, подверженной действию вибрационных нагрузок. 2 ил.