Устройство для бесконтактного измерения параметров вибрации

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИИ(72) Автор Щербатюк Владимир Андреевич(57) Устройство для бесконтактного измерения параметров вибрации, содержащее автогенератор, управляемый напряжением, элемент развязки, приемо-передающую антенну,направленную на исследуемый объект, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, регистрирующее устройство, отличающееся тем, что содержит фазовый детектор и линию задержки, при этом выход автогенератора через линию задержки и элемент развязки соединен с входом приемо-передающей антенны, а через фазовый детектор - с входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, а также входом регистрирующего устройства, выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с управляющим входом автогенератора, а второй вход фазового детектора соединен с выходом элемента развязки. 5035 1 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения бесконтактным радиоволновым методом параметров вибраций различных объектов, таких как детали конструкций механизмов (например, отдельных участков планера самолета), подвески автомобиля, элементов электронных устройств во время испытаний,для определения предела прочности строительных конструкций, неразрушающего контроля. Известно устройство для бесконтактного измерения параметров вибраций, включающее автогенератор, управляемый напряжением, элемент развязки, приемо-передающую антенну с рупорным облучателем, направленную на исследуемый объект, усилитель,регистрирующее устройство. Кроме того, устройство содержит видоискатель, задающий генератор, амплитудный детектор, вибратор, фазовращатель, следящий фильтр, блок преобразования, выпрямитель, компаратор, формирователь, счетчик 1. Известное устройство позволяет измерять параметры вибраций в зоне излучения антенны конструктивно сложных объектов, однако имеет много функциональных узлов,требует проведения большого количества предварительных измерений, сложной настройки перед проведением измерений. Это обусловливает сложность и трудоемкость измерений, сложность самого измерителя, требующего большого аппаратурного обеспечения, и относительно сложного математического аппарата обработки результатов измерений. Использование в устройстве автогенератора в автодинном режиме и амплитудного детектора делает устройство более чувствительным к различного рода помехам и не позволяет применить его для исследования объектов значительных размеров, например узлов автомобилей. Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, области его применения, упрощение процесса измерений за счет отсутствия настраиваемых элементов, а также упрощение аппаратурной части устройства. Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее автогенератор,управляемый напряжением, элемент развязки, приемо-передающую антенну, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, регистрирующее устройство, введены фазовый детектор и линия задержки, при этом автогенератор через линию задержки и элемент развязки соединен с входом антенны и через фазовый детектор - с входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и с входом регистрирующего устройства, выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с управляющим входом автогенератора, причем входфазового детектора соединен с выходом элемента развязки. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства измерений, на фиг. 2 форма сигнала на выходе фазового детектора при механическом воздействии на исследуемый объект (вибрациях исследуемого объекта). Измеритель содержит автогенератор 1, управляемый напряжением, линию 2 задержки,элемент 3 развязки, приемо-передающую антенну 4, связанную с исследуемым объектом 5,фазовый детектор 6, усилитель 7 с регулируемым коэффициентом усиления, регистрирующее устройство 8. В качестве элемента развязки предпочтительно использовать циркулятор либо направленный ответвитель и вентиль, они позволяют максимально ослабить затягивание частоты автогенератора и тем самым уменьшить погрешность измерений. Устройство работает следующим образом. С выхода автогенератора 1 высокочастотный сигнал поступает на линию задержки 2, с выхода которой - на вход элемента 3 развязки. С входа-выхода элемента развязки 3 сигнал поступает на приемо-передающую антенну 4, которая облучает исследуемый объект 5. Отраженный от исследуемого объекта 5 сигнал принимается антенной 4 и поступает на вход-выход элемента 3 развязки, с выхода которого поступает на входфазового детектора 6. На входфазового детектора 6 поступает опорный сигнал с выхода автогенератора 1. В зависимости от соотношения фаз 2 5035 1 между сигналами на входахифазового детектора 6 на выходе последнего появляется сигнал, который через усилитель 7 подается на вход управления частотой автогенератора 1. Регистрирующее устройство 8 (например, осциллограф) позволяет контролировать форму сигнала на выходе фазового детектора 6 и производить измерение его параметров. При вибрациях исследуемого объекта 5 изменяется время прохождения сигнала по цепи автогенератор 1 - линия задержки 2 - элемент развязки 3 - приемо-передающая антенна 4 - исследуемый объект 5 - приемо-передающая антенна 4 - элемент развязки 3 - фазовый детектор 6 и, таким образом, изменяется соотношение фаз между сигналами на входахифазового детектора 6. Сигнал с выхода фазового детектора 6 изменяет частоту автогенератора 1 так, чтобы разность фаз на входахифазового детектора 6 оставалась неизменной. Таким образом, при условии линейной зависимости частоты автогенератора 1 от напряжения на его управляющем входе изменение формы сигнала на выходе фазового детектора 6 будет соответствовать изменению нормальной составляющей перемещения исследуемого объекта 5 относительно антенны 4, при этом необходимый диапазон перестройки частоты автогенератора 1 определяется величиной нормальной составляющей максимально возможного перемещения исследуемого объекта 5. Выражение для изменения периода колебаний на выходе автогенератора 1 будет иметь следующий вид 22 где - изменение периода генерируемых генератором колебаний- количество полных периодов колебаний автогенератора 1, укладывающееся во время прохождения сигналом пути автогенератор 1 - линия задержки 2 - элемент развязки 3 приемо-передающая антенна 4 - исследуемый объект 5 приемо-передающая антенна 4 элемент развязки 3 - входфазового детектора 6- период колебаний напряжения на выходе автогенератора 1- время прохождения сигналом расстояния антенна 4 - исследуемый объект 5 - антенна 4. Изменение частоты генерируемых автогенератором 1 колебаний приводит к изменению фазы сигнала на обоих входах фазового детектора 6. Но так как в промежуток времени 1, за которое сигнал проходит по цепи автогенератор 1 - линия задержки 2 - элемент развязки 3 - приемо-передающая антенна 4 - исследуемый объект 5 - приемо-передающая антенна 4 - элемент развязки 3 - фазовый детектор 6, укладывается больше целых периодов колебаний, чем в промежуток времени 2 прохождения сигналом цепи автогенератор 1 фазовый детектор 6, то изменение частоты генератора будет влиять на фазу сигнала на входефазового детектора 6 враз сильнее, чем на входе . В данном случае 1/2. Очевидно, что, выбрав линию задержки 2 с соответствующими параметрами, можно установить диапазон необходимой перестройки частоты автогенератора 1 достаточно небольшим и находящимся на линейном участке регулировочной характеристики. На основании вышеизложенного можно сказать, что огибающая сигнала на выходе фазового детектора 6 будет соответствовать закону вибраций исследуемого объекта 5 в направлении, перпендикулярном направлению излучения антенны 4. Калибровка регистрирующего устройства 8 может быть осуществлена перемещением объекта 5 относительно антенны 4 или антенны 4 относительно объекта 5 на заранее известное расстояние. О параметрах вибраций (нормальной составляющей перемещения и частоте) судят по частоте и форме сигнала на выходе фазового детектора (фиг. 2). Изменением ориентации антенны можно измерять амплитуду сигнала, получаемого за счет перемещения исследуемого объекта в заданном временном интервале. Измерения проводят следующим образом. Для измерения частоты вибраций ориентируют антенну на исследуемый объект и считывают показания регистрирующего устройства. Для измерения скорости и ускорения объекта необходимо, установив антенну, провести калибровку регистрирующего устройства согласно описанной выше методике и провести необходимые измерения. 3 5035 1 Зная массу исследуемого объекта (или его фрагмента) и амплитуду перемещения на выбранном временном интервале, можно определить возникающие при этом силы и величину возникающих внутренних напряжений. Зная, например, время ударного воздействия, величину изменения скорости (изменение наклона касательной ) за это время и величину перемещения объекта , можно вычислить величину возникающих на объект (или фрагмент объекта) сил. Это позволяет с помощью предлагаемого устройства определять величины нагрузок на вибрирующий объект или отдельные его элементы, что можно использовать, например, при расчетах прочности строительных конструкций. Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом значительно проще и имеет меньшее аппаратурное обеспечение и за счет этого более простую процедуру калибровки и измерения. Оно позволяет определять параметры вибрации любых объектов независимо от их габаритов и конструктивных особенностей, а также проводить измерение таких параметров, как величину нагрузки на исследуемый объект. Источники информации 1.170995 1, 1992. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.