close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10240

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.02.28
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01H 9/00
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ И ЧАСТОТЫ ВИБРАЦИИ
(21) Номер заявки: a 20060451
(22) 2006.05.12
(43) 2006.10.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Авторы: Козлов Владимир Леонидович; Стецик Виктор Михайлович
(BY)
BY 10240 C1 2008.02.28
BY (11) 10240
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) Вышемирский А.В., Софинский Б.А. Измерительная техника. - 1983. - № 10. С. 33-34.
SU 1753271 A1, 1992.
GB 2368636 A, 2002.
US 4554836, 1985.
US 4723448, 1988.
(57)
Способ измерения амплитуды и частоты вибрации, при котором направляют лазерное
излучение на вибрирующую поверхность, осуществляют фотогетеродинный прием отраженного излучения и получают доплеровский сигнал на выходе фотоприемника, отличающийся тем, что изменяют длину волны лазерного излучения и фиксируют два
скачкообразных изменения доплеровской частоты fd1 и fd2, при этом амплитуду вибрации
L определяют по формуле:
f d1
L =
λ1 ,
f d2 − f d1
где λ1 - длина волны лазерного излучения в момент первого скачкообразного изменения
доплеровской частоты,
а частоту вибрации F определяют по формуле:
π
F =
(fd2 − f d1 ) .
2
Фиг. 1
BY 10240 C1 2008.02.28
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения амплитуды и частоты вибрации отражающих поверхностей.
Известен измеритель вибрации [1], содержащий генератор СВЧ, детектор с подключенным к нему индикатором и антенну. Недостатком этого устройства является невысокая
точность измерений, обусловленная относительно большой длиной волны СВЧ-излучения, а также, вследствие широкой диаграммы направленности СВЧ-излучателя, система
не позволяет измерять параметры вибрации отдельных мелких частей контролируемого
объекта.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения амплитуды вибрации на основе эффекта Доплера [2], заключающийся в направлении лазерного
излучения к вибрирующей поверхности и фотогетеродинном приеме отраженного излучения. В результате оптического гетероденирования на выходе фотоприемника присутствует сигнал, имеющий доплеровский сдвиг частоты, обусловленный вибрацией объекта.
Однако такая система имеет усложненный процесс измерения частоты вибрации. Недостатком [2] также является невысокая точность измерения амплитуды вибрации.
Задача изобретения - повышение точности измерений и упрощение процесса измерений. Решение поставленной задачи особенно важно для дистанционного исследования
вибрационных нагрузок различных конструкций и аппаратов при экстремальных воздействиях, авиационных двигателей и т.п.
Поставленная задача решается путем того, что в известном способе [2] изменяют длину волны зондирующего лазерного излучения и фиксируют два скачкообразных изменения доплеровской частоты fd1 и fd2, по значениям которых определяется амплитуда и
частота вибрации.
Свойства, появляющиеся у заявляемого объекта, следующие:
повышение точности измерения, обусловленное тем, что в предлагаемом способе погрешность измерений будет значительно меньше, чем половина длины волны, и будет определяться точностью определения длины волны зондирующего излучения. В известной
системе погрешность составляет половину длины волны;
уменьшение времени измерений и упрощение процесса измерений достигаются благодаря автоматизации процесса выделения из доплеровского сигнала параметров, характеризующих амплитуду и частоту вибрации исследуемого объекта. В известной системе
это можно осуществить оператору с помощью визуального наблюдения доплеровского
сигнала на экране осциллографа, что значительно усложняет процесс измерений и увеличивает время анализа.
На фиг. 1 представлена функциональная схема, реализующая предлагаемый способ, а
на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.
Система содержит: блок управления длиной волны лазера 1, источник лазерного излучения 2, светоделитель 3, вибрирующая поверхность 4, гетеродинный фотоприемник 5,
вычислительный блок 6.
Система работает следующим образом. Лазер 2 излучает оптическое излучение частотой f. Часть излучения отделяется светоделителем 3 и подается на гетеродинный фотоприемник 5 в качестве опорного сигнала для оптического гетеродинирования. Другая часть
излучения лазера направляется к вибрирующей поверхности. В результате эффекта Доплера отраженное от вибрирующей поверхности излучение приобретает сдвиг частоты fd,
который выделяется в результате оптического гетеродинирования на фотоприемнике 5 и
имеет значение [3]:
ν
f d = 2 cos(α ) ,
(1)
λ
где λ - длина волны излучения лазера, ν - мгновенная скорость контролируемой точки
вибрирующей поверхности, α - угол между направлением вибрации и направлением ла2
BY 10240 C1 2008.02.28
зерного луча. Если направлять луч лазера перпендикулярно вибрирующей поверхности,
то cos(α) = l. Мгновенное значение скорости контролируемой точки поверхности в случае
гармонического изменения амплитуды вибрации можно определить следующим образом:
L
ν = sin (2πFt ) = LF sin (2πFt ) ,
(2)
tα
где L - амплитуда вибрации, tα - период вибрации, F = l/tα - частота вибрации, t - время.
Следовательно, доплеровская частота fd будет равна:
LF sin (2πFt )
fd = 2
.
(3)
λ
Если амплитуда вибрации L равняется целому числу длин полуволн n, L = n⋅λ/2
(фиг. 2а, где т.А - точка остановки вибрирующей поверхности и изменение направления
движения на противоположное), то в результате оптического гетеродинирования на выходе фотоприемника за один период вибрации появится n импульсов доплеровского сигнала.
В случае, если амплитуда вибрации L не равна целому числу длин полуволн, т.е.
λ
λ
L = n + ∆L, ∆L < (фиг. 2б), на выходе гетеродинного фотоприемника за один период
2
2
вибрации появится все равно n импульсов доплеровского сигнала. Число n увеличится на
единицу только в случае, если ∆L превысит λ/2. Следовательно, зависимость доплеровской частоты от амплитуды будет иметь ступенчатый характер с шагом λ/2 и моменты перескока доплеровской частоты fd будут свидетельствовать о том, что амплитуда вибрации
L равняется целому числу длин полуволн зондирующего излучения.
В режиме измерений блок управления излучением лазера 1 изменяет длину волны излучения лазера 2 таким образом, чтобы зафиксировать два скачкообразных изменения доплеровской частоты fd1 и fd2, которые будут равны:
nλ F sin (2πFt )
= nF sin (2πFt ) ,
f d1 = 2 1
(4)
2λ1
(n + 1)λ 2 F sin (2πFt ) = (n + 1)F sin (2πFt ) ,
fd2 = 2
(5)
2λ 2
где λ1, λ2 - длины волн излучения лазера в момент первого и второго перескока доплеровской частоты соответственно. Если при длине волны λ1 укладывается n длин полуволн, то
при длине волны λ2 укладывается (n + 1) длин полуволн. Разделив (4) на (5), получаем
число длин полуволн n, укладывающееся на амплитуде вибрации L:
f d1
n=
.
(6)
f d 2 − f d1
Из (4) - (6) амплитуда L и частота вибрации F определяются как
λ
π f d1 π
f d1 λ1
L=n 1 =
,
F=
= (f d 2 − f d1 ) .
(7)
2 f d 2 − f d1 2
2 n
2
При получении значения частоты вибрации F учитывалось, что среднее значение
sin (2πFt ) за целое число периодов будет равно 2/π. Описанный алгоритм определения L и
F реализуется в вычислительном блоке 6. Так как при измерениях фиксируются моменты,
в которые амплитуда вибрации L равняется целому числу длин полуволн зондирующего
излучения, то погрешность измерений будет значительно меньше половины длины волны
излучения лазера.
Если в качестве источника излучения использовать лазер на длине волны λ = 0,65 мкм,
то для точного измерения амплитуды вибрации L = 1 мм потребуется перестройка длины
волны лазера на ∆λ = 0,2 нм, для измерения амплитуды вибрации L = 0,1 мм потребуется
перестройка длины волны на ∆λ = 2 нм, а для вибрации L = 0,02 мм потребуется пере3
BY 10240 C1 2008.02.28
стройка на ∆λ = 10 нм. Таким требованиям по перестройке длины волны излучения удовлетворяют современные полупроводниковые лазеры, в которых изменение длины волны
генерации осуществляется путем изменения тока инжекции и температуры р-n перехода.
Таким образом, использование перестройки длины волны зондирующего лазерного
излучения и фиксация моментов скачкообразного изменения доплеровской частоты позволяет повысить точность измерения амплитуды вибрации и упростить процесс измерений.
Источники информации:
1. Заявка РФ 94026857, МПК G 01H 9/00, 1996.
2. Вышемирский А.В., Софийский Б.А. Интерферометр с автоматическим счетом интерференционных полос для измерения амплитуд колебаний диффузно отражающих поверхностей. - Измерительная техника. - 1983. - № 10. - С. 33-34.
3. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики: Пер. с япон. - Л.: Энергоиздат, 1990. С.168-170.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
104 Кб
Теги
by10240, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа