Спосіб вимірювання вібрації

Спосіб вимірювання вібрації, який полягає в тому, що лазерне випромінювання поділяють на два пучки, причому частоту одного з пучків зміщують на частоту гетеродина, один з пучків спрямовують на об'єкт, що досліджується, розсіяне об'єктом випромінювання фотодетектують разом з іншим пучком, виділяють сигнал на частоті гетеродина, виконують його частотну демодуляцію та отриманий сигнал помножують на сигнал корекції, пов'язаний з високочастотною складовою сигналу на частоті гетеродина, який відрізняється тим, що сигнал корекції формують відповідно до формули: Винахід стосується контрольно-вимірювальної техніки, і може бути використаний для дистанційних безконтактних вимірювань параметрів вібрацій, а саме миттєвої швидкості об'єктів та конструкції. Відомий спосіб вимірювання вібрації та пристрій для його реалізації [1], який полягає в тому, що лазерне випромінювання поділяють на два пучки, перший - зондувальний спрямовують на певну точку поверхні об'єкту, що досліджується, розсіяне об'єктом випромінювання фотодетектують разом з іншим пучком, частота якого зміщена на частоту ге теродина, а з сигналу, що детектований, виділяють складову на частоті гетеродина та виміряють його миттєву частоту. Недолік відомого способу та пристроїв, які реалізують названий спосіб -це завади та руйнування сигналу, що виникають при наявності паразитного віддзеркалення зондуювального променю від елементів віброметру, інших прозорих поверхонь та вікон [2], що розташовані між віброметром та об'єктом, а також від пилу, пороху, крапель вологі т. і. Найбільш близьким по технічній суті до способу, що заявляється, є спосіб вимірювання вібрації, який полягає в тому, що лазерне випромінювання поділяють на два пучки, частоту одного з них зміщують на частоту гетеродина, один з пучків спрямовують на об'єкт, що досліджується, розсіяне об'єктом випромінювання фотодетектують разом з іншим пучком, виділяють сигнал на частоті гетеродина, виконують його частотну демодуляцію та отриманий сигнал помножують на сигнал корекції, пов'язаний з амплітудою високочастотної складової сигналу на частоті гетеродина. Цей спосіб реалізовано в пристрої [3], в якому сигнал корекції формується за допомогою, так званої, процедури амплітудного детектування зі Ih (t ) × (Ihmax + Ih min) - Ih min × Ih max (13) 84937 (11) UA , де: Ih(t) - огинаюча високочастотної складової сигналу на частоті гетеродина; Ihmax(t), Ih min(t) - відповідно максимальне та мінімальне значення огинаючої високочастотної складової сигналу на частоті гетеродина. C2 (Ih max + Ih min) (19) ucorr ( t ) = 2 × 3 84937 зворотнім зв'язком (АДЗЗ) [4] (в оригіналі "Amplitude Locked Loop" -ALL), яка застосовується до сигналу на частоті гетеродину. Корекції сигналу миттєвої віброшвидкості за допомогою процедури АДЗЗ притаманні такі ж недоліки, як і іншім системам зі зворотнім зв'язком. А саме: недостатньо якісне корекція спотворень, обмежений частотний діапазон, неможливість реагувати на швидкі зміни амплітуди. Тому на виході віброметра, що реалізований за способом прототипу, присутні залишкові спотворення та шуми. В основу винаходу поставлено задачу зменшення спотворення вихідного сигнал віброшвидкості та підвищення якості його корекції за рахунок обробки сигналу, яка не використовує зворотного зв'язку. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання вібрації лазерне випромінювання поділяють на два пучки, частоту одного з пучків зміщують на частоту гетеродина, один з пучків спрямовують на об'єкт, що досліджується, розсіяне об'єктом випромінювання фотодетектують разом з іншим пучком, виділяють сигнал на частоті гетеродина, виконують його частотну демодуляцію та отриманий сигнал помножують на сигнал корекції, пов'язаний з високочастотною складовою сигналу на частоті гетеродина, згідно з винаходом, сигнал корекції формують відповідно до формули: ucorr(t ) = 2 × Ih (t ) × (Ih max + Ih min ) - Ih min ×Ih max (Ih max + Ih min ) (1) де: Ih(t) - огинаюча високочастотної складової сигналу на частоті гетеродина; Ihmax(t), Ihmin(t) - відповідно максимальне та мінімальне значення огинаючої високочастотної складової сигналу на частоті гетеродину. Вимірювання вібрації за допомогою лазерних допплерівських методів дозволяє отримувати сигнал миттєвої віброшвидкості. Спотворення цього сигналу має інтерференційну природу і виникає завдяки третьому променю –заваді, її вплив проявляється як у амплітудній модуляції високочастотної складової сигналу Ih(t) на частоті гетеродина, так і у модуляції частотнофазової складової, що, фактично, спричиняє спотворення вихідного сигналу віброметра та викликає похибку (часто значну) в вимірювання миттєвої швидкості. Особливістю є те, що математично амплітудна та фазовочастотна модуляції описуються близькими в певних межах законами. У винаході пропонується компенсувати модуляцію у фазово-частотній області, що спотворює вихідний сигнал швидкості, сигналом ucorr(t), що отриманий з амплітудної модуляції огинаючої Ih(t). Формування сигналу корекції ucorr(t) відбувається потоковим чином у реальному часі, що дозволяє зняти обмеження на швидкість корекції, яка існує в прототипі завдяки наявності системи зворотного зв'язку. На Фіг.1 зображена блок схема лазерного допплерівського віброметра, що реалізує спосіб вимірювання параметрів вібрації. На Фіг.2 зображена схема обробки сигналу лазерного допплерівського віброметра. 4 На Фіг.3 представлені епюри сигналів лазерного віброметра: огинаюча високочастотної складової сигналу на частоті гетеродина - Ih(t); сигнал корекції - ucor(t); спотворений, неспотворений та скоригований сигнали миттєвої швидкості - V(t), VG(t) та Vc or(t). На Фіг.4 епюри вихідних сигналів V(t), VG(t) та Vcor(t) зображені для порівняння у збільшеному вигляді На Фіг.5 представлений спектр "PLL Output Spectra" сигналу швидкості, що отриманий способом прототипу [3], у порівнянні зі спектром первинного - спотвореного сигналу "fn(t) Output Spectra". На Фіг.5 зображені спектри S(t) та Scor(t), що відповідають сигналам V(t) та Vcor(t). Спосіб, що пропонується, може бути реалізованим, на приклад, за допомогою у 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 частотозсувний елемент 6. Одне плече цього інтерферометра через дзеркало 3 та світлоподільний елемент 5 безпосередньо замкнено на фотодетектор 9, а друге сформоване поверхнею вібруючого об'єкта 8. Таким чином, фото детектор 9 оптично зв'язаний з світлоподільним елементом 5 прямим ходом пучка І0 і зворотнім ходом відбитого від об'єкту 8 п учка I1 (зондувальний промінь). На фотодетектор також потрапляє оптичний сигнал І2, який утворюється завдяки віддзеркалення зондувального променю I1 від елементів віброметру, інших прозорих поверхонь та вікон, що розташовані між віброметром та об'єктом, а також від пилу, пороху, крапель вологі т. і. Зауважимо, що спосіб, що є предметом винаходу, може також бути реалізований в оптичній схемі, в якій частотозсувний елемент 6 розміщений в іншому плечі інтерферометра, наприклад між елементами 2 та 4, або у всякому іншому віброметрі, в якому між частотами пучків I1 та І 0 існує зсув. З виходом фото детектора 9 послідовно зв'язані фільтр високих частот 10 (див Фіг.2), що налаштований на частоту гетеродина, з яким, в свою чергу зв'язані частотний 11, та амплітудний 12 детектори. Вихід амплітудного детектора підключений до першого входу множника 14 через схему формування сигналу корекції 13, а до його другого входу підключений вихід частотного детектора 11. Схема формування сигналу корекції 13 може бути складена на дискретних елементах у вигляді окремого електронного блоку, або виконана у вигляді програмного алгоритму, що керує роботою комп'ютера. Це стосується також і множника 14, який також може бути реалізований в рамках єдиного з схемою корекції алгоритму. Спосіб вимірювання вібропереміщення реалізується наступним чином. Світло від лазерного джерела 1 спрямовується на інтерферометр Ма ха 5 84937 Цандера у складі світлоподільних елементів 2, 5 та дзеркал 3,4. Пучок І0 в одному із плеч інтерферометра проходить крізь акустооптичний модулятор 6, в якому до оптичної частоти додається частота гетеродина f0, і потрапляє на фото детектор 9. Пучок I1 спрямовується на певну точку поверхні об'єкту 8. Відбите (розсіяне) випромінювання від об'єкту 8 отримує фазовий зсув, що змінюється в часі завдяки коливанню об'єкта з частотою W : F1(t ) = 2kxmax × cos q × cos(W t ), (2) де - k = 2p / l - хвильовий вектор лазерного випромінювання, l - довжина хвилі випромінювання лазера, хmах - амплітуда вібропереміщення. q - кут між напрямом пучка I1 та вектором переміщення об'єкта. Далі відбите випромінювання пучка I1 потрапляє в інтерферометр і відхиляється світлоподільним елементом 5 на фотодетектор 9. На фотодетектор також потрапляє хвиля-завада І2, яка утворюється при випадковому віддзеркаленні зондувального пучка I1 елементами віброметра, або його розсіянні зовнішніми об'єктами. Струм детекV( t ) = 6 тора9, що є результат фото де тектування трьох хвиль, може бути записаний у вигляді: I(t) = E2 + E2 + E2 + 2E2E1cos(F1(t ) - f2 ) + 0 1 2 + 2E1E0 cos(2pf0 t - F1(t )) + 2E0E2 cos(2pf0t - f2 ) (3) Ih ( t ) = 2E 0 × 2E2E1 cos(F1( t ) - f 2( t )) + E 2 + E2 1 2 (5) де Е0, Е1 та Е2 відповідно амплітуди поля першого, другого та третього пучків на фотодетекторі, f 2( t ) - фаза третього пучка. Фільтр 10 виділяє високочастотний компонент сигналу фотодетектора на частоті гетеродину: ih(t ) = Ih(t ) × cos(2pf0t - f(t )) (4) де амплітуда і фаза відповідно описуються співвідношеннями: é E sin(F1) + E2 sin(f2 ) ù f = arctanê 1 ú ë E 2 cos(f2 ) + E1cos(F1) û Частотний детектор (11) виділяє сигнал, що пропорційний миттєвій швидкості. У присутності завади він має вигляд: é ù 1 ( h 2 - 1) ú sin( W t ) × W × x ê1 + 2 + 1ú 2 ê 2h × cos( 2k × xmax × cos( Wt ) - f2 ) + h ë û де h = E1 / E2 На малюнку Фіг.3 зображені епюри амплітуди (Фіг.3А) та ви хідного сигналу віброметра у присутності завади (Б). На тій же епюрі Фіг.3Б пунктиром зображений неспотворений сигнал миттєвої швидкості VG (t ) = - W × xmax × sin(W t) (7) Амплітудний детектор (12) відслідковує зміну огинаючої Ih(t), а блок (13) формує сигнал корекції ucorr(t) (див. епюру на Фіг.3В): ucorr(t ) = 2 × Ih (t ) × (Ih max + Ih min ) - Ih min × Ih max (Ih max + Ih min ) Де Ihmax(t), Ih min(t) відповідно максимальне та мінімальне значення огинаючої високочастотної складової сигналу на частоті гетеродину Сигнали ucorr(t) та V(t) подаються на перемножувач (14), на виході якого маємо скоригований сигнал миттєвої швидкості Vcor(t) (епюра на Фіг.3Г). Епюри на Фіг.4 у збільшеному вигляді показують співвідношення між спотвореним завадою V(t) та скоригованими сигналом швидкості Vcor(t). Видно, що після корекції все ще залишається невелика паразитна модуляція вихідного сигналу. Слід зазначити, що видиме спотворення сигналу у вигляді хвилястості або піків проявляється, коли амплітуда коливань відповідає умовах хmax ³ l / 4 та довільній фазі f2 . У випадку, коли хmax < l / 4 деформація сигналу може набувати іншої форми в залежності від фази f2 . Це обмежує (6) ефективне використання способу діапазоном хmax ³ l/4. Порівняємо якість метода корекції, що реалізую заявлений спосіб, з прототипом. За основу візьмемо дані наведені в [3]: частота 300 Гц, l =0,65, 2.k.xmax =18, h =1,1. Застосування процедури амплітудного детектування зі зворотнім зв'язком у прототипу підвищує співвідношення сигнал/завада на 10 дБ (див. малюнок Фіг.5). На Фіг.6 для тих же параметрів наведені розрахунки спектрів спотвореного завадою сигналу (Sv - чорний колір) та сигналу скоригованого за допомогою метода, що пропонується (Scorr - сірий колір). Як можна бачити, рівень завади знижується в середньому на 36-40 дБ. Таким чином, застосування винаходу дозволяє в порівнянні з прототипом приблизно на 25-30 дБ підвищити співвідношення сигнал/завада і таким чином поліпшити якість вимірювання вібрації. Джерела інформації: 1. Патент США №5394233 МКИ 6 G01C3/00, 1995. 2. Яровой Л. К. Аналіз трьох хвилевої інтерференції в лазерному віброметрі. //Вісник Київського університету. Серія: фізико- математичні науки. 2005. - Випуск. 4, - С. 116-121. 3. Dussarrat О. J., Clark D. F. and Moir T. J. New demodulation process to reduce cochannel interference for a laser vibrometer sensing system. Vibration Measurements by Laser Techniques, Proc. SPIE, 3411, 2-13, 1998, (прототип). 4. Патент США №5341106 МКИ 6 H03D 1/18, 1991. 7 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 84937 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601