Способ измерения амплитуды вибрации объекта

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ ВИБРАЦИИ ОБЪЕКТА(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(72) Авторы Волковец Александр Иванович Гусинский Александр Владимирович Кострикин Анатолий Михайлович Руденко Дмитрий Филиппович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(56)2310099 , 1997.5035 1, 2003.1585692 1, 1990.672500, 1979.1293497 1, 1987. РУДЕНКО Д.Ф. и др. СВЧ бесконтактный измеритель динамического состояния объектовМеждународная научная конференция по военнотехническим проблемам, проблемам обороны и безопасности, использованию технологий двойного применения. - Минск, 2005. - С. 103-104. РУДЕНКО Д.Ф. и др. Радиоволновой измеритель параметров вибрации 15-я Международная Крымская конференция СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. - Севастополь,2005. - С. 829-830.(57) Способ измерения амплитуды вибрации объекта, характеризующийся тем, что исследуемый объект посредством антенны зондируют СВЧ-сигналом фиксированной частоты в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, принимают отраженный от исследуемого объекта сигнал 1 вида 11201 В,где 1 - амплитуда отраженного сигнала 0 - частота зондирующего сигнала 1 - фазовый сдвиг отраженного сигнала в СВЧ измерительном тракте на выходе комплексного балансного смесителя 13974 1 2011.02.28 В 2 - изменение фазы отраженного сигнала под влиянием вибрации исследуемого объекта ВМ - амплитудное значение изменения фазы отраженного сигнала под влиянием вибрации исследуемого объекта- частота вибрации,смешивают в комплексном балансном смесителе отраженный сигнал с опорным сигналом,в качестве которого берут часть зондирующего сигнала, и получают после фильтрации и усиления на выходе комплексного балансного смесителя квадратурные сигналы 1 и 2 вида 1 11 2 (12 )В 2 121 2(12 )В,2 где А 2 - амплитуда опорного сигнала 2 - фазовый сдвиг между опорным сигналом на входе комплексного балансного смесителя и исходным зондирующим сигналом,преобразуют сигналы 1 и 2 в цифровую форму в виде набора мгновенных значений 1 и 2 посредством быстродействующего двухканального аналого-цифрового преобразователя, частоту опроса которого выбирают много большей максимального значения частоты вибрации исследуемого объекта, для каждой пары полученных значений 1 и 2 вычисляют мгновенные значения фазового сдвигапо выражению( )(12 )В 2, 1 из полученных значенийопределяюти , вычисляют значение ВМ по выражению ВМ ,40 где- скорость света. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения амплитуд вибраций в теплоэнергетике, газовой промышленности,машиностроении, авиастроении и других областях. Известен бесконтактный способ измерения вибрации, основанный на использовании оптических систем 1, заключающийся в том, что формируют опорные и отраженные от исследуемого объекта пучки когерентного излучения получают поле интерференции путем их пространственного совмещения смещают частоту излучения в опорном плече интерферометра на величину, меньшую в/2, где в - круговая частота вибрации объекта измерения путем модуляции оптической разности хода лучей интерферометра с частотой,намного меньшей в, получают сигнал, пропорциональный яркости поля интерференции выделяют из него гармоническую составляющую на частоте, равной частоте модуляции, и по ее величине судят об измеряемой амплитуде вибрации. Однако для данного способа характерны сложность, громоздкость, высокая стоимость оборудования, жесткие требования к качеству и температуре поверхности исследуемого объекта, к состоянию атмосферы (влажность, отсутствие запыленности и т.п.). Известен бесконтактный радиоволновой способ, реализованный в устройстве для измерения амплитуд вибраций 2, согласно которому зондируют с помощью антенны ис 2 13974 1 2011.02.28 следуемый объект СВЧ-сигналом фиксированной частоты, принимают отраженный от объекта измерения сигнал, смешивают зондирующий и отраженный сигналы в измерительной линии, в результате чего образуются стоячие волны. Смещение исследуемого объекта относительно антенны приводит к смещению стоячих волн в измерительной линии (появляется переменная составляющая сигнала). Амплитуда переменной составляющей сигнала будет приблизительно пропорциональна амплитуде вибраций. Для обеспечения требуемой чувствительности измерений необходимо соблюдать следующие условия фиксированные расстояния от антенны до СВЧ-детектора (обеспечивается с помощью ползунка измерительной линии) и от антенны до исследуемого объекта (обеспечивается путем перемещения антенны). Известен бесконтактный радиоволновой способ, реализованный в устройстве для измерения амплитуд вибраций 3, согласно которому зондируют с помощью антенны исследуемый объект СВЧ-сигналом фиксированной частоты, принимает отраженный от объекта измерения сигнал вида 11201,где 1 - амплитуда отраженного сигнала 0 - частота зондирующего сигнала 1 - фазовый сдвиг отраженного сигнала в СВЧ измерительном тракте(2) - изменение фазы отраженного сигнала под влиянием вибрации исследуемого объекта- амплитудное значение изменения фазы отраженного сигнала под влиянием вибрации исследуемого объекта- частота вибрации,смешивают в двойном Т-образном мосте или четырехплечем циркуляторе отраженный сигнал и часть зондирующего сигнала (опорный сигнал) вида 21(201),при этом равенство по амплитуде и противофазность отраженного и опорного сигналов обеспечиваются путем регулировки аттенюатора и подвижного короткозамыкающего поршня, включенного в плечо Т-образного моста, или местом расположения специального штыря в волноводе между антенной и плечом циркулятора и глубиной его погружения в волновод для случая, когда амплитуда вибрации гораздо меньше длины волны зондирующего сигнала, т.е.достаточно мало, результирующий сигнал, подаваемый на СВЧдетектор, имеет вид 312- 1(201),и амплитуда выходного сигнала СВЧ-детектора будет пропорциональна амплитуде виб), где С - скорость света. раций(4 0 Приведенные бесконтактные радиоволновые способы измерений свободны от недостатков, свойственных способам с использованием оптических систем. Однако недостатками и этих способов являются, во-первых, недостаточная чувствительность измерений, обусловленная ограниченным динамическим диапазоном СВЧ-детектора, во-вторых, сложность и трудоемкость калибровочных процедур, которые должны проводиться с использованием исследуемого объекта, и, вследствие этого, невозможность автоматизации процесса измерения(из-за необходимости позиционирования отдельных элементов измерителя и самого измерителя относительно исследуемого объекта при использовании измерительной линии или наличия регулирующих элементов при использовании Т-образного моста или четырехплечего циркулятора), в-третьих, ограничение верхнего значения измеряемой амплитуды вибраций из-за необходимости выполнения условия малости значения . Наиболее близким к предлагаемому изобретению является бесконтактный радиоволновой способ измерения амплитуд вибраций, реализованный в радаре для обнаружения 3 13974 1 2011.02.28 вибрации 4, заключающийся в том, что зондируют с помощью основной антенны исследуемый объект СВЧ-сигналом фиксированной частоты, принимают от исследуемого объекта отраженный СВЧ-сигнал вида 11201,смешивают в комплексном балансном смесителе отраженный сигнал и часть зондирующего сигнала (опорный сигнал) и получают после фильтрации и усиления на выходе комплексного балансного смесителя квадратурные сигналы вида 1 1 1 2 (12 )2 12 1 2 (12 ) ,2 где 2 - амплитуда опорного сигнала 2 - фазовый сдвиг между опорным сигналом на входе комплексного балансного смесителя и исходным зондирующим сигналом калибровочная процедура включает в себя снятие множества значений сигналов 1,2, и после их усреднения (при этом среднее значениестремится к нулю) рассчитываются значения А 1 и (1 - 2) с учетом этих рассчитанных значений с помощью регулируемых СВЧ-аттенюатора и фазовращателя воспроизводят дополнительный зондирующий СВЧ-сигнал, который после отражения от поверхности дополнительной антенны имеют амплитуду А 1 и фазовый сдвиг (1 - 2)1 - 2 т.к. этот сигнал складывается с отраженным сигналом, то на выходе комплексного балансного смесителя будут квадратурные сигналы вида 11 1 202 1 12 1 21 22 2 амплитуда выходного сигнала 2 будет пропорциональна амплитуде вибраций. 4 0 Однако данный способ, несмотря на обеспечение высокой чувствительности измерения благодаря использованию комплексного балансного смесителя, имеет ряд недостатков во-первых, сложность и трудоемкость калибровочной процедуры, которая должна проводиться на месте установки измерителя амплитуды вибраций, и, вследствие этого,невозможность автоматизации процесса измерения (из-за необходимости использования регулирующей системы - регулируемых Ч-аттенюатора и фазовращателя) во-вторых,ограничение верхнего значения измеряемой амплитуды вибраций из-за необходимости выполнения условия малости значения . Задача изобретения - автоматизация процесса измерения и увеличение верхнего значения измеряемой амплитуды вибраций. Задача достигается тем, что известный бесконтактный радиоволновой способ измерения амплитуд вибраций, согласно которому зондируют с помощью антенны исследуемый объект СВЧ-сигналом фиксированной частоты, принимают от исследуемого объекта отраженный сигнал вида 11201,где А 1 - амплитуда отраженного сигнала 0 - частота зондирующего сигнала 1 - фазовый сдвиг отраженного сигнала в СВЧ измерительном тракте (на выходе комплексного балансного смесителя) 2 - изменение фазы отраженного сигнала под влиянием вибрации исследуемого объекта 4 13974 1 2011.02.28- амплитудное значение изменения фазы отраженного сигнала под влиянием вибрации исследуемого объекта- частота вибрации,смешивают в комплексном балансном смесителе отраженный сигнал с опорным сигналом,в качестве которого берут часть зондирующего сигнала, и получают после фильтрации и усиления на выходе комплексного баланса смесителя квадратурные сигналы 1 и 2 вида 1 1 1 2 (12 )2 12 1 2 (12 ) ,2 где 2 - амплитуда опорного сигнала 2 - фазовый сдвиг между опорным сигналом на входе комплексного балансного смесителя и исходным зондирующим сигналом,преобразуют сигналы 1 и 2 в цифровую форму в виде набора мгновенных значений 1 и 2 посредством быстродействующего двухканального аналого-цифрового преобразователя, частоту опроса которого выбирают много большей максимального значения частоты вибрации исследуемого объекта, для каждой пары полученных значений 1 и 2 вычисляют мгновенные значения фазового сдвигапо выражению( )(12 )2,1 из полученного набора мгновенных значенийопределяюти , вычисляются значенияпо выражению,4 0 где С - скорость света. Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается наличием преобразования квадратурных сигналов в цифровую форму с помощью быстродействующего двухканального аналого-цифрового преобразователя, что позволяет рассчитать амплитудное значение фазы отраженного сигнала под влиянием вибрации исследуемого объекта без необходимости формирования компенсирующего СВЧ-сигнала,т.е. без использования регулирующих СВЧ-устройств (аттенюатора, фазовращателя), а это исключает калибровочную процедуру в процессе измерения и автоматизирует этот процесс. Факторы, влияющие на точность измерений, а именно неточность сдвига в плечах комплексного балансного смесителя на /2 неодинаковые амплитудные коэффициенты передачи в каналах комплексного балансного смесителя недостаточная направленность направленного ответвителя, что приводит к появлению постоянных составляющих на выходе комплексного балансного смесителя,могут быть учтены и исключены при калибровке измерителя амплитудных вибраций в лабораторных условиях в процессе наладки последнего (а не на месте его установки), что автоматизирует процесс измерения. Кроме того, так как информация осодержится в фазе, а не в амплитуде, нет необходимости выполнения условия малости значенияи,следовательно, нет ограничения верхнего значения измеряемой амплитуды вибраций. При этом, так как зондирующий сигнал является сигналом в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, обеспечивается достаточно существенное изменение фа 5 13974 1 2011.02.28 зы отраженного СВЧ-сигнала под влиянием вибрации отраженного сигнала и тем самым достигается высокая чувствительность измерений. Предлагаемый способ иллюстрируется чертежом, представленным на фигуре. На фигуре представлена структурная схема измерителя амплитуд вибраций, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ. Измеритель, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ, содержит СВЧ-генератор (Г) 1, выход которого соединен с входом делителя мощности (ДМ) 2,причем первый выход этого делителя через первичный канал направленного ответвителя(НО) 3, ориентированного на отраженный от исследуемого объекта (ИО) 5 сигнал, подключен к рупорной антенне (А) 4, а второй выход делителя соединен со вторым входом комплексного балансного смесителя (БС) 6, первый вход которого подключен к выходу вторичного канала направленного ответвителя (НО) 3 цифровой выход аналого-цифрового преобразователя(АЦП) 7 соединен с интерфейсом персонального компьютера (ПК) 8 выходы квадратурных сигналов промежуточной частоты комплексного балансного смесителя (БС) 6 подключены к первому и второму входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7. Заявляемый способ в данном измерителе может быть реализован следующим образом. СВЧ-генератор формирует зондирующий сигнал, который через делитель мощности(ДМ) 2 и первичный канал направленного ответвителя (НО) 3 подается на рупорную антенну (А) 4, которая одновременно является приемной и передающей. Отраженный от исследуемого объекта (ИО) 5 сигнал через вторичный канал направленного ответвителя (НО) 3(направленный ответвитель (НО) 3 ориентирован на отраженный сигнал) поступает на первый вход комплексного балансного смесителя (БС) 6. На второй вход смесителя (БС) 6 через делитель мощности (ДМ) 2 поступает часть зондирующего сигнала - опорный сигнал. В смесителе (БС) 6 осуществляет интерференция отраженного и опорного сигналов, выделение квадратурных сигналов, несущих информацию о фазе сигнала, их фильтрация и усиление. Двухканальный быстродействующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, на входы которого поступают квадратурные сигналы, обеспечивает их преобразование в цифровую форму и передачу в персональный компьютер (ПК) 8. В персональном компьютере(ПК) 8 производится математическая обработка сигналов, вычисление и индикация измеряемой амплитуды вибрации. Измеритель, основанный на предложенном способе, реализован в НИЛ 1.9 Научноисследовательская лаборатория аппаратуры и устройств СВЧ Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. Рабочая частота зондирующего сигнала 36,2500,250 ГГц, выходная мощность не менее 10 мВт, рабочий диапазон частоты вибрации от 0 Гц до 31250 Гц, диапазон измеряемых амплитуд вибраций от 1 мкм до 10 мм (разбит на поддиапазоны), основная погрешность измерения не более 3 . Источники информации 1. Способ измерения амплитуд вибраций Патент 2217706 С 2, МПК 01 Н 9/00,1998. 2. Устройство для измерения амплитуд вибраций. Патент 17806 1, МПК 01 Н 9/00,2001. 3. Викторов В.А., Лукин Б.В., Совлуков А.Ф. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - . Энергоатомиздат, 1989. - 208 с. 4. Радар для обнаружения вибрации Патент Соединенного Королевства Великобритании, 2310099 , 1996. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.