Способ измерения амплитуды и частоты вибрации

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ И ЧАСТОТЫ ВИБРАЦИИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Козлов Владимир Леонидович Стецик Виктор Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(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 1 и 2, при этом амплитуду вибрацииопределяют по формуле 11 , 21 где 1 - длина волны лазерного излучения в момент первого скачкообразного изменения доплеровской частоты,а частоту вибрацииопределяют по формуле 10240 1 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 1 и 2, 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 . 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 ,который выделяется в результате оптического гетеродинирования на фотоприемнике 5 и имеет значение 3 где- длина волны излучения лазера,- мгновенная скорость контролируемой точки вибрирующей поверхности,- угол между направлением вибрации и направлением ла 2 10240 1 2008.02.28 зерного луча. Если направлять луч лазера перпендикулярно вибрирующей поверхности,то. Мгновенное значение скорости контролируемой точки поверхности в случае гармонического изменения амплитуды вибрации можно определить следующим образом Если амплитуда вибрацииравняется целому числу длин полуволн ,/2(фиг. 2 а, 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 появитсяимпульсов доплеровского сигнала. В случае, если амплитуда вибрациине равна целому числу длин полуволн, т.е.,(фиг. 2 б), на выходе гетеродинного фотоприемника за один период 2 2 вибрации появится все равноимпульсов доплеровского сигнала. Числоувеличится на единицу только в случае, еслипревысит /2. Следовательно, зависимость доплеровской частоты от амплитуды будет иметь ступенчатый характер с шагом /2 и моменты перескока доплеровской частотыбудут свидетельствовать о том, что амплитуда вибрацииравняется 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 1 и 2, которые будут равны(2 )(2 ) , 12 1(5) 2 2 где 1, 2 - длины волн излучения лазера в момент первого и второго перескока доплеровской частоты соответственно. Если при длине волны 1 укладываетсядлин полуволн, то при длине волны 2 укладывается (1) длин полуволн. Разделив (4) на (5), получаем число длин полуволн , укладывающееся на амплитуде вибрации 1(7) 221 2 22 При получении значения частоты вибрацииучитывалось, что среднее значение(2 ) за целое число периодов будет равно 2/. Описанный алгоритм определенияиреализуется в вычислительном блоке 6. Так как при измерениях фиксируются моменты,в которые амплитуда вибрацииравняется 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 0,65 мкм,то для точного измерения амплитуды вибрации 1 мм потребуется перестройка длины волны лазера на 0,2 нм, для измерения амплитуды вибрации 0,1 мм потребуется перестройка длины волны на 2 нм, а для вибрации 0,02 мм потребуется пере 3 10240 1 2008.02.28 стройка на 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- 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 01 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. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.