Спосіб визначення вібропереміщення

Винахід стосується контрольно-вимірювальної техніки, і може бути використаний для дистанційних безконтактних вимірювань параметрів вібрацій, а саме переміщення, миттєвої швидкості, нахилу поверхні об'єктів та конструкції. Відомий спосіб визначення вібропереміщення та пристрій для його реалізації [1], який полягає в тому, що лазерне випромінювання поділяють на два пучки, перший з яких спрямовують на певну точку поверхні об'єкту, що досліджується, розсіяне об'єктом випромінювання фотодетектують разом з другим пучком, частота якого зміщена на частоту гетеродина, а з сигналу, що продетектований, виділяють складову на частоті гетеродина та міряють його миттєву фаз у, яка пропорційна величині вібропереміщення. Найбільш близьким по технічній суті до способу, що заявляється, є спосіб визначення вібропереміщення, який полягає в тому, що лазерне випромінювання поділяють на три пучки, перший пучок спрямовують на точку поверхні об'єкту, що досліджується, розсіяне об'єктом випромінювання фотодетектують разом з другим пучком, частота якого відстоїть на частоту гетеродина відносно частоти двох інших пучків, і виділяють сигнал на частоті гетеродина. Цей спосіб реалізовано в пристрої за патентом США [2]. Визначення вібропереміщення в прототипі досягається тим, що виміряють амплітуду фазової модуляції складової сигналу на частоті гетеродина, яка пропорційна амплітуді переміщення поверхні об'єкту. Недоліком прототипу є необхідність фазової демодуляції сигналу на частоті гетеродина. Фазовий детектор це складний електронний пристрій, який може надійно працювати тільки за умови, що смуга частот, яку займає фазомодулюваний сигнал, значно менша за частоту несучо ї (частота гетеродина). Але значне підвищення частоти гетеродина обмежується конструктивними можливостями елемента, що зміщує частоту одного з пучків та граничною частотою фотодетектора. Таким чином пристрій, що реалізує цей спосіб має складну конструкцію при обмеженій припустимій частоті вібрації об'єкта. В основу винаходу покладена задача розширення діапазону вібропереміщень, підвищення припустимих частот вібрації та спрощення способу визначення параметрі вібрації. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення вібропереміщення, який полягає в тому, що лазерне випромінювання поділяють на три пучки, перший пучок спрямовують на точку поверхні об'єкту, що досліджується, розсіяне об'єктом випромінювання фотодетектують разом з другим пучком, частота якого відстоїть на частоту гетеродина відносно частоти двох інших п учків, і виділяють сигнал на частоті гетеродина, згідно з винаходом, разом з випромінюванням, що розсіяне об'єктом, та другим пучком фотодетектують також випромінювання третього пучка, у огинаючій сигналу на частоті гетеродина рахують кількість імпульсів при русі об'єкта в одному напрямку та визначають вібропереміщення, враховуючи, що відстань між двома імпульсами відповідає переміщенню об'єкта на l / 2 де l - довжина хвилі лазерного випромінювання. Коливання об'єкта призводить до фазової модуляції відбитого лазерного пучка. Для визначення переміщення необхідна фазова демодуляція сигналу. Використання оптичного гетеродина з метою підвищення завадозахищеності та чутливості - відомий технічний прийом при детектуванні слабких оптичних сигналів. Саме цей підхід реалізований у прототипі. Але переваги цього методу досягаються тільки при значному перевищенні граничної частоти вібрації об'єкта частотою гетеродина, що значно звужує смугу частот, що вимірюються. До того ж наявність фазового детектора суттєво ускладнює конструкцію вимірювача вібрації. Інший метод визначення вібропереміщень - перетворення фазової модуляції в амплітудну, яку значно простіше виміряти [3]. Цей підхід реалізується, коли частота гетеродина дорівнює нулю, і по суті відповідає інтерференції двох пучків - розсіяного вібруючим об'єктом та гетеродина. Визначення вібропереміщення зводиться до підрахунку імпульсів і практично не має обмежень по частоті. Але чутли вість такого методу залежить від інтенсивності світла, що розсіяний об'єктом, і тому обмежена шумами. В способі, що пропонується, в порівнянні з прототипом використовується третій пучок при фотодетектуванні сигналу, що відбитий об'єктом. Це призводить до того, що переміщення об'єкта викликає не фазову, а амплітудн у модуляцію вихідного високочастотного сигналу. Таким чином забезпечує подвійний додатній ефект в порівнянні з прототипом. По-перше, розширюється припустима смуга частот вібрації та діапазон визначення вібропереміщень, оскільки відсутні обмеження притаманні фазовому детектуванню. По-друге, досягається спрощення способу вимірювання завдяки тому, що амплітудна демодуляція сигналу в порівнянні з фазовою може бути реалізована значно простішими засобами. На фігурі 1 зображена блок схема пристрою, що реалізує спосіб вимірювання параметрів вібрації. На фігурі 2 зображені епюри сигналу: епюра нормованого квадрата амплітуди [U(t)]2 та закон переміщення об'єкта cos(W t ) . На фігурі 3 зображені епюри сигналу на виході процесора при визначенні амплітуди вібропереміщення. Розглянемо спосіб, що пропонується, на прикладі лазерного віброметра, блок схема якого зображена на фіг.1. Лазерний віброметр складається з таких елементів. Лазерний випромінювач 1 оптично зв'язаний з інтерферометром Маха-Цандера, що складений з світлоподільних елементів 2, 5 і відбиваючих дзеркал 3, 4. У одному з плеч інтерферометра, наприклад, тому, що утворено елементами 3 та 5, розміщений частотосдвигаючий елемент 6. З світлоподільним елементом 5 оптично пов'язаний світлоподільний елемент 7, який утворює другий інтерферометр. Одне плече цього інтерферометра сформоване дзеркалом 8, а друге плече - поверхнею вібруючого об'єкта 9. Фотодетектор 10 оптично зв'язаний з світлоподільним елементом 5 прямим ходом пучка I1 і зворотнім ходом відбитого та розсіяного пучків І3 та І2. Слід зауважити, що суті винаходу відповідає і будь-яка інша схема розділення, формування та зведення пучків на фотодетекторі, що відома з інформаційних джерел, або може бути складена на підставі відомих правил. Для ефективного прояву переваг технічного рішення, що пропонується, слід дотримуватись співвідношення інтенсивностей пучків, які падають на фотодетектор 10: I1>I 2>I3 . Інше зауваження складається в тому, що суті винаходу відповідає також оптична схема, в якій частотосдвигаючий елемент 6 розміщений між елементами 2 та 4 першого інтерферометра, або всяка інша схема в якій частотосдвигаючий елемент розташований на шляху розповсюдження пучків I2 та І3 , або пучка І3, або будь яке інше розташування частотосдвигаючого, чи частотосдвигаючи х елементів, при якому між частотами пучків I1 та І3 існує зсув. З виходом фотодетектора 9 послідовно зв'язані фільтр високих частот 11, амплітудний детектор 12, формувач імпульсів 13 та процесор 14. Для підвищення завадозахищеності фільтр ВЧ 11 та амплітудний детектор 12 можуть бути замінені синхронним детектором. Призначення формувача імпульсів 13 - сформувати імпульси придатні для подальшої обробки. Формувач імпульсів може, наприклад, бути виконаний на базі підсилювача-обмежника, або взагалі бути відсутнім, якщо цього не потребують подальші схеми. Процесор 13 може бути складений на дискретних елементах у вигляді окремого електронного блоку, або виконаний у вигляді програмного алгоритму, що керує роботою комп'ютера. У всіх випадках процесор містить лічильник імпульсів, який керується сінхро-сигналом, що має частоту коливання об'єкту. Сінхро-сигналом може бути, наприклад, перша гармоніка сигналу фотодетектора. Джерелом цього сигналу може бути також окремий сенсор, або система, що примушує коливатися об'єкт. Спосіб вимірювання вібропереміщення реалізується наступним чином. Світло від лазерного джерела 1 спрямовується на інтерферометр Маха-Цандера у складі світоподільних елементів 2, 5 та дзеркал 3, 4. Пучок I1 в одному із плеч інтерферометра проходить крізь акустооптичний модулятор 6, в якому до оптичної частоти додається частота гетеродина fo і пройшовши світоподільний елемент 5 падає на фотодетектор 10. Випромінювання, що відбите дзеркалами 2, 4, надходить у другий інтерферометр, де на світлоподільному елементі 7 поділяється на пучки I2 і І3. П учок 12 спрямовується на точку поверхні об'єкту 9, а пучок І3 - за допомогою дзеркала 8 повертається назад. Відбите (розсіяне) випромінювання від точки 9 отримує фазовий зсув, що змінюється в часі завдяки коливанню об'єкта з частотою W : (1) Ф 2 (t ) = 2kx max × cos q × cos(Wt ) де - k = 2p / l - хвильовий вектор лазерного випромінювання, l - довжина хвилі випромінювання лазера, X max - амплітуда вібропереміщення. q - кут між напрямом пучка I2 та вектором переміщення об'єкта. Далі відбите випромінювання пучків I2 І3 проходить у зворотному напрямку крізь елемент 7 і відхиляється світлоподільним елементом 5 на фотодетектор 10, де змішуються з полем пучка пучок І3. Стр ум детектора 10, що є результат фо тодетектування полів трьох пучків, може бути записаний у вигляді: 2 I( t ) = a1 + a2 + a2 + 2a2a3 cos(Ф2 ( t ) - f 3 ) 2 3 (2) + 2a1a2 cos(2pf0t - Ф2 ( t )) + 2a1a3 cos(2pf t - f3 ) де a1 , a 2 та a3 відповідно амплітуди поля першого, другого та третього пучків на фотодетекторі, f 3 ( t ) - фаза третього пучка, що є в нашому випадку сталою величиною. Фільтр високої частоти 11 виділяє сигнал на частоті гетеродина, який описується формулою: (3) u( t ) = U(t ) × cos(2pf 0 t + f( t )) де U(t ) та f( t ) - відповідно амплітуда та фаза, що змінюються повільно. Амплітудний детектор 12 виділяє огинаючу U(t ) високочастотного сигналу (див. фіг.2.): 2 U( t ) = U 0 × 2a1a2 cos( 2kx max × cos q × cos( Wt ) + f 3 ) + a1 + a 2 (4) 2 де X max - амплітуда переміщення об'єкта. Підсилювач обмежник, який входить до складу формувача імпульсів 13, перетворює близький до гармонічного сигнал U(t ) в послідовність прямокутних імпульсів. Далі процесор 14 рахує кількість імпульсів n при русі об'єкта в одному напрямку та визначають вібропереміщення, враховуючи, що відстань між двома імпульсами відповідає переміщенню об'єкта на l / 2 . Визначення миттєвої швидкості досягається диференціюванням отриманої величини вібропереміщення. Для визначення амплітуди переміщення процесор 14 рахує кількість імпульсів n на кожен період коливання об'єкта, що дорівнює 2 × p / W , як це зображено на Фіг.3. Проекція х амплітуди переміщення X max на напрям розповсюдження світлового променя визначається за формулою: nl (5) x= 8 Порівняємо характеристики пристрою, що реалізують заявлений спосіб, з прототипом. Оцінимо діапазони частот та амплітуди вібропереміщень, які можуть бути виміряні обома способами. Нехай частота гетеродина дорівнює 40МГц, що є звичайною величиною, а довжина хвилі лазерного випромінювання l = 0,65 мкм. Вимірювання миттєвої швидкості прототипом здійснюється за допомогою слідкуючого фазового фільтра, або системи ФАПЧ. Смуга утримання частоти ФАПЧ Wy зазвичай не перевищує 2-3% від центральної частоти. Таким чином, фазова слідкуюча система прототипу має смугу утримання частот приблизно 1МГц. Як відомо [3], величина зрізу фільтра НЧ у зворотному ланцюгу системи ФАПЧ вибирається значно меншою ніж смуга утримання Wy >> W НЧ . Зріз фільтра НЧ і визначає максимальну частоту модуляції, тобто W НЧ » W . Таким чином максимальна частота вібрації об’єкта, що може бути виміряна прототипом W / 2p £ 100 кГц. З іншого боку смуга утримання частоти слідкуючого фазового фільтра обмежує максимальну девіацію допплерівської частоти fдоп на рівні 1МГц. Швидкість v пов'язана з допплерівським зсувом fдоп у прототипі 1 n = l × f Dop 2 формулою , то максимальна швидкість, що може бути виміряна, складає 0,32м/сек. Таким чином для коливань з частотою, наприклад, 1кГц, 10кГц та 100кГц (максимальна частота вібрації) амплітуда вібрації не може перевищувати межу відповідно 0,5мкм, 50мм та 5мкм. У способі, що пропонується, корисний сигнал визначається за допомогою амплітудного детектування, тому для визначення максимальної частоти W слід приймати до уваги тільки ефективну смугу продетектованого сигналу. Смуга фазомодульованого сигналу дорівнює [3] доданку частоти модуляції W / 2p і індексу фазової модуляції (у нашому випадку це 2kx), що співпадає з частотою допплерівського зсуву fдоп . Для частоти гетеродина 40МГц ширина смуги частот сигналу доже досягати значення 20МГц, тобто 2x (6) × W £ 20MHz l Інших обмежень на частоту модуляції немає. Але при підвищені частоти модуляції відповідно до формули (6) буде зменшуватись амплітуда коливань, що може бути виміряна. Так для коливань з частотою, наприклад, 1кГц, 10кГц, 100кГц та 1МГц амплітуда вібрації зможе досягати рівня відповідно 10см, 10мм, та 1мм та 100мкм. Таким чином, запропонований винахід порівняно з прототипом дозволяє розширити діапазон вібропереміщень, що вимірюються та підвищити припустимі частот вібрації. Джерела інформації: 1. А. С. Lewin, "Compact Laser Vibrometer For Industrial and Medical Application", Third International Conference on Vibration Measurements by Laser Techniques, Italy, SPIE vol.[3411-15], pp.61-67,1998. 2. Патент США №5394233 МКИ 6 G01C3/00, 1995. (прототип). 3. Радиотехнические цепи и сигналы. Под ред. К.А. Самойло, М., Радио и связь, 1982, с.387.