Спосіб вимірювання миттєвої віброшвидкості

Спосіб вимірювання миттєвої віброшвидкості, який полягає в тому, що лазерне випромінювання поділяють на три пучки, перший пучок спрямову ють на точку поверхні об'єкта, що досліджується, розсіяне об'єктом випромінювання фотодетектують разом з другим та третім пучком, частота якого відстоїть на частоту гетеродина відносно частоти двох інших пучків, і виділяють сигнал з кутовою модуляцією в смузі частоти гетеродина, який відрізняється тим, що отримують миттєву частоту f цього сигналу і знаходять миттєву швидкість вібрації відповідно до співвідношення   f  1 , де k - хвильовий вектор зондуv( t )   k  Винахід стосується контрольно-вимірювальної техніки і може бути використаний для дистанційних безконтактних вимірювань параметрів вібрацій, а саме миттєвої швидкості, переміщення об'єктів та конструкцій. 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'єкта, що досліджується, розсіяне об'єктом випромінювання фотодетектують разом з іншим пучком, частота якого зміщена на частоту гетеродина, а з сигналу, що детектований, виділяють складову на частоті гетеродина та вимірюють його миттєву частоту. Недолік цього способу - обмежена чутливість до вимірювання коливань з малою амплітудою. Найбільш близьким по технічній суті до способу, що заявляється, є спосіб вимірювання миттєвої віброшвидкості [2], який полягає в тому, що лазерне випромінювання поділяють на три пучки, перший пучок спрямовують на точку поверхні об'єкта, що досліджується, розсіяне об'єктом випромінювання фотодетектують разом з другим та третім пучком, частота якого відстоїть на частоту гетеродина відносно частоти двох інших пучків, і виділя ють сигнал на частоті гетеродина та вимірюють його миттєву частоту, що є пропорційною миттєвій швидкості. Головний недолік прототипу - є обмеження по чутливості до коливань з малою амплітудою. В основу винаходу поставлена задача підвищення чутливості до вимірювання вібрацій з малими амплітудами. Задача вирішується тим, що в способі вимірювання миттєвої віброшвидкості, який полягає в тому, що лазерне випромінювання поділяють на три пучки, перший пучок спрямовують на точку поверхні об'єкта, що досліджується, розсіяне об'єктом випромінювання фотодетектують разом з другим та третім пучком, частота якого відстоїть на частоту гетеродина відносно частоти двох інших пучків, і виділяють сигнал з кутовою модуляцією в смузі частоти гетеродина, згідно з винаходом отримують миттєву частоту f цього сигналу, і знаходять миттєву швидкість вібрації відповідно до   f  1  співвідношення v( t )  , де k - хвильовий k  вектор зондувального випромінювання лазера, E1 / E 2   - співвідношення амплітуд першого та вального випромінювання лазера, E1 / E 2   співвідношення амплітуд першого та другого пучків, а різниця фаз між ними складає 90  () , де (19) UA (11) 94564 (13) C2 ()  2 . 3 другого пучків, а різниця фаз між ними складає 90  () , де ()  2 . В способі, що пропонується, так само як і в прототипі використовується при фотодетектуванні третій пучок оптичного сигналу, який відбитий об'єктом. Але на відмінність від прототипу аналізується не амплітудна, а частотна (як в класичному віброметрі [1, 3 ,4]) модуляція високочастотного компонента струму фотодетектора. При певному співвідношенні амплітуди та фази (дивись далі) цього додаткового пучка відносно зондувального, параметри якого залишаються незмінними, відбувається значне підвищення рівня частотно демодульованого сигналу, пов'язаного з миттєвою частотою, який пропорційний миттєвій віброшвидкості процесу. Слід ще раз підкреслити, що підсилення стосується саме частотного, а не амплітудного компонента сигналу, який є результатом фотозмішування пучків, причому без яких би то не було змін електронних режимів частотної демодуляції, або інших процесів електронної обробки. Це апаратне підсилення демодульованого сигналу стосується тільки коливань з малою амплітудою, а саме таких, амплітуда яких менше, ніж половина довжини хвилі  зондувального випромінювання. Що ж стосується прототипу, то він навпаки вимірює тільки коливання з амплітудою, яка перевищує /4 . Іншою суттєвою відмінною ознакою є наближення різниці першого та другого пучків до  . Саме в цьому випадку частота сигналу в смузі гетеродина буде критично зростати, в той час як амплітуда наближатися до нуля. Тому, якщо застосовувати цю ознаку до прототипу, то його чутливість буде навпаки погіршуватись. Таким чином в способі, який заявляється, відмітні ознаки використовуються не за прямим призначеним, а вся сукупність ознак має надсумарний ефект, котрий приводить до неочікуваного результату, а саме, підсилення амплітуди частотнодемодульованого сигналу. На фіг. 1 зображена блок-схема пристрою, що реалізує спосіб вимірювання параметрів вібрації. На фіг. 2 зображені епюри вихідного сигналу для різних рівнів величини   E1 / E2 . На фіг. 3 зображені залежності чутливості () , а також величини нелінійних спотворень () , як функція параметра  . На фіг. 4 зображені епюри вихідного сигналу для різних значень та розстройки () . 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 МахаЦандера, що складений з світлоподільних елементів 2, 5 і відбиваючих дзеркал 3, 4. У одному з плечей інтерферометра, наприклад у тому, що утворено елементами 3 та 5, розміщений частотнозсувний елемент 6. З світлоподiльним елементом 5 оптично пов'язана свiтлоподільна призма (або напівпрозоре дзеркало) 7, яка є вхідним елементом іншого інтерферометра. Одне 94564 4 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 I 1 і зворотним ходом відбитого та розсіяного пучків І3 та І2. Світлоподільний елемент 7 прямим та зворотним рухом пучка І3 пов'язаний з фазомодулюючим елементом 11 та керований фільтром нейтральної щільності 12. Конструкція фазомодулюючого елемента 11 може бути довільною, основне його призначення - змінювати оптичний шлях пучка, залишаючи інші характеристики незмінними. Найпростіша конструкція - це керований напругою п'єзоелемент з дзеркалом. При малих переміщеннях п'єзоелемента поперечним зміщенням променя можна знехтувати. Можливі також і більш складні та досконалі модулятори фази. Такі ж умови накладаються на фільтр нейтральної щільності 12: він повинен впливати тільки на амплітуду (інтенсивність) променя, що проходить крізь нього. Наприклад, рідкокришталева комірка, що розташована в схрещених поляризаторах, змінює інтенсивність світла при зміні напруги. Оскільки промінь проходить комірку двічі, то кінцевий стан поляризації не змінюється. Між елементами 11 та 12 також встановлений світлоподільний елемент 13 та пов'язаний з ним фотодетектор 14, а світлоподільний елемент 15 встановлений після світлоподільного елемента 7 на оптичній осі променя І2. Елемент 15 зв'язаний зворотним рухом пучка І2 з фотодетектором 16. Слід зауважити, що суті винаходу відповідає і будь-яка інша схема розділення, формування та зведення пучків на фотодетекторі 10, що відома з інформаційних джерел, або може бути складена на підставі відомих правил. Те ж саме стосується і схем відбору частини випромінювання з пучків І3 та І2 на фотодетектори 14 та 16. Інше зауваження стосується того, що суті винаходу відповідає також оптична схема, в якій частотнозсувний елемент 6 розміщений між елементами 2 та 5, або всяка інша схема, в якій частотнозсувний елемент розташований на шляху розповсюдження пучків I2 та І3, або пучка І3, або будь-яке інше розташування частотнозсувного, чи частонтозсувних елементів, при якому між частотами пучків I3 та I2 існує зсув. Наприклад, частотнозсувний елемент 6 - комірка Брегга, може бути поєднаний з світлоподільним елементом 7. При цьому нульовий дифракційний порядок породжує пучок I2, перший дифракційний порядок відповідно формує пучок І3 . Слід однак брати до уваги, що в цьому випадку пучки I3 та I2 двічi проходять комірку Брегга і пучок І2 отримує подвійний частотний зсув відповідно до попереднього варіанта конструкції. Між елементом 7 та поверхнею об'єкта 9 може бути також розташована додаткова оптична система, призначення якої, наприклад, сформувати пучок для віддаленого зондування, або навпаки сфокусувати на наближеній до віброметра поверхні. Ці та подібні за призначенням оптичні системи не впливають на зміст та об'єм заявлених ознак винаходу. 5 З виходом фотодетектора 10 послідовно зв'язані фільтр високих частот 17, частотний дискримінатор 18. Частотний дискримінатор 18 може бути зібраний по будь-якій відомій схемі, наприклад [5]. Вихідний підсилювач 19, коефіцієнт підсилення якого залежить від співвідношення амплітуд оптичних сигналів   E1 / E2 , пов'язаний з виходом частотного дискримінатора 18 та підсилювача 20. Диференційний підсилювач 20 зі змінним коефіцієнтом підсилення замикає ланцюг керування пропускною здатністю фільтра нейтральної щільності 12. Вузол 21 призначений для керування фазомодулюючим елементом 11. Його конкретне втілення залежить від конструкції фазомодулюючого елемента 11 та стабілізації робочої точки. В загальному випадку вузол 21 - це джерело напруги, що керується з виходу інтегратора 22, зв'язаного в свою чергу з виходом частотного дискримінатора 18. Конкретна схема допплерівського демодулятора може включати інші елементи та вузли, такі як проміжні підсилювачі, обмежувачі, АРП, генератори проміжної частоти, змішувачі, фільтри і т.і. Спосіб вимірювання миттєвої віброшвидкості реалізується наступним чином. Світло від лазерного джерела 1 спрямовується на інтерферометр Маха-Цандера у складі світлоподільних елементів 2, 5 та дзеркал 3, 4. Пучок I1 в одному із плечей інтерферометра проходить крізь акустооптичний модулятор 6, в якому до оптичної частоти додається частота гетеродина f0 і, пройшовши світлоподільний елемент 5, потрапляє на фотодетектор 10. Випромінювання, що відхилене елементом 2, потрапляє у другий інтерферометр де на світлоподільному елементі 7 поділяється на пучки І2 і I3. Пучок І2 спрямовується на точку поверхні об'єкта 9, а пучок І3 - за допомогою дзеркала 8 повертається назад. Його фаза та амплітуда можуть налаштовуватися відповідно до ланцюгів керування. Відбите (розсіяне) випромінювання від точки 9 отримує фазовий зсув, що змінюється в часі завдяки коливанню об'єкта з частотою  :  2 ( t )  2k max  cos   cos(t )  2 (1) де: - k  2 /  - хвильовий вектор лазерного випромінювання;  - довжина хвилі випромінювання лазера; x max - амплітуда вібропереміщення;  - кут між напрямом пучка І2 та вектором переміщення об'єкта (далі будемо вважати, що cos()  1. 2 - постійний фазовий зсув. Далі відбиті випромінювання пучків І2 І3 проходять у зворотному напрямку крізь елемент 7 і відхиляються світлоподільним елементом 5 на фотодетектор 10, де змішуються з полем пучка I1. Струм детектора 10, що є результатом фотодетектування полів трьох пучків, має аналітичний вигляд: 94564 6 2 2 I( t )  E1  E2  E3  2E3E2 cos( 2 ( t )  3 )  2  2E2E1 cos(2f0 t   2 ( t ))   2E1E3 cos(2f0 t  3 ) (2) де: E1 , E 2 та E 3 - відповідно амплітуди поля першого, другого та третього пучків на фотодетекторі; 3 ( t ) - фаза третього пучка. Фільтр високої частоти 17 виділяє сигнал на частоті гетеродина, який описується формулою: u( t )  U( t )  cos(2f0 t  ( t )) (3) де U( t ) та ( t ) - відповідно амплітуда та фаза, що змінюються повільно. Що до фази ( t ) , то вона має загальний вигляд:  E sin(  2 )  E2 sin( 3 )    arctan  1   E2 cos(3 )  E1 cos( 2 )  (4) При гармонічному коливанні поверхні 9, коли фаза  2 ( t ) має вигляд (1), сигнал на виході дискримінатора 18 дорівнює: uDop ( t )      xmaxk    (2  1)  1   2  1  cos(2k  xmax  cos(t )  3  2 ))    1    sin( t ) (5) де   E1 / E2 . При умові     ( 3  2 )  0 , для малих амплітуд віброперемiщення xmax   / 2 формулу (5) можна спростити:  uDop ( t )  2  maxk  sin( t )  , aбо  1  uDop ( t )  2k  ( t )   1 (6) v max амплітуда віброшвидкості, a v( t )   v max sin( t ) - миттєва швидкість. Остаточно для миттєвої віброшвидкості отримуємо співвідношення: uDop ( t )   1 v( t )  2k  (7) Або враховуючи, що сигнал uDop ( t ) виходу частотного дискримінатора 18 пропорційний миттєвій 1 d частоті f ( t )  ( t ) сигналу u( t ) , співвідно2 dt шення (7) можна записати ще як:   f  1 v( t )   k  (8) де коефіцієнт пропорційності між uDop ( t ) та 2  f ( t ) прийнятий рівним одиниці. Підсилювач 19 масштабує сигнал uDop з виходу частотного дискримінатора відповідно з заданим значенням величини  , для отримання миттєвого значення швидкості вібрації v( t ) . Для стабілізації відношення амплітуд пучків I2 та I3 на заданому рівні  призначений диференційний підсилювач 20. При зміні амплітуди пучка I2, 7 що може траплятися під час вимірювань, відповідно змінюється і напруга на виході підсилювача 20. Ця напруга керує щільністю фільтра 12 в такий спосіб, що її підвищення вище певного рівня, котрий пов'язаний з величиною  , спричиняє   E1 / E2 поблизу заданого рівня  . Ланцюг елементів 22, 21, 11 формує зворотний зв'язок по різниці фаз I2 та I3. Він налаштований для стабілізації різниці (3  2 ) поблизу  , тобто система слідкує, щоб оптичні хвилі в І2 та І3 були в протифазі. Порівняння характеристики пристрою, що реалізує заявлений спосіб, з прототипом не є зовсім коректним, оскільки прототип призначений для вимірювання коливань, амплітуда яких свідомо більша ніж  / 4 . В той час як відомі аналоги [3, 4] дозволяють вимірювати вібрації з значно меншою амплітудою. Всі ці "класичні" віброметри відрізняються як від пристрою, що реалізує заявлений спосіб, так і від прототипу відсутністю третього пучка, тобто E2  0 або    . З формули (5) легко отримати, що при цих умовах сигнал на виході частотного дискримінатора для віброметрів з двома пучками описується співвідношенням: u'Dop2 ( t )  2    xmaxk  sin( t ) (9) На кресленні фіг. 2 наведені епюри результатів моделювання сигналів на виході частотного дискримінатора у віброметрі, що реалізує запропонований спосіб (трихвильова схема - ТХ), для таких параметрів: амплітуда коливань x1 = 0,62 пт, частота лазера  =0,63 мкм, частота вібрації   2 кГц *2 та (3  1)   для двох значень  = 1,1 та  = 1,2. Для порівняння, на кресленні також зображений сигнал на виході частотного демодулятора класичного, двопроменевого, віброметра. У такого віброметра    або інакше E2  0 . Як можна бачити, форми всіх сигналів подібні одна до одної, але амплітуди сигналів в ТХ схемі значно більші, ніж амплітуда сигналу класичного віброметра за інших рівних умов. Конкретно, при  = 1,1 сигнал віброметра з трьома пучками більш ніж в десять разів перевищує сигнал класичного ЛДВ. Далі запишемо (8) у формі, яка показує апаратну чутливість сигналу віброметра до зміни миттєвої швидкості: duDop   2k dv  1 (10) Аналогічно чутливість класичного двопроменевого віброметра складає: duDop dv (11) Тоді за допомогою співвідношення ()  d(uDop ) / d(uDop2 ) можна порівняти чутливості віброметра з ТХ схемою та класичного віброметра. В результаті отримаємо: ()  (  1) (12) Креслення фіг. 3 зображує залежність функції , , () від аргумента   101... 11 . Наприклад, при 94564 8  = 1,1 збільшення чутливості дорівнює  = 11, при  = 1,05  = 21, а при  = 1,01 чутливість віброметра в схемі ТХ зростає в 100 разів. В той же час, при зростанні такого апаратного "підсилення" відбувається деформація вихідного сигналу, як це показано на кресленні фіг. 2. Оцінити спотворення сигналу можна, розрахувавши відношення () третьої та першої гармонік сигналу (оскільки (t ) - функція парна і друга гармоніка дорівнює нулю). Результат розрахунку, який також представлений на фіг. 4 перервними лініями, показує, що нелінійні спотворення зростають з ростом підсилення. Але в той же час величина нелінійних спотворень зменшується при зменшенні амплітуди коливань. Таким чином, "підсилення" слабких коливань відбувається майже без спотворень в порівнянні з таким же "підсиленням" сигналів з більшою амплітудою. Наведений розрахунок свідчить, що   100 при   1,02, а величина нелінійних спотворень становить  = 0,7 для амплітуди X1 =6,2 пт і тільки  = 0,08 для X1 =0,62 пт. Для уникнення значної похибки, пов'язаної з деформацією сигналу, що була описана вище, слід вибирати параметри схеми відповідно до співвідношення   1  2 6  k  xmax (13) Наприклад, при амплітуді коливання x1  0,01 ,  = 0,63 ткт слід вибирати  > 1,3. Це дає можливість підсилити чутливість для  = 1,3 в  = 4,3 рази (див формулу (12)), при деформації сигналу < 10 %. Інша умова ефективного застосування трихвильового фотозмішування - це додержання різниці фаз між пучками, що інтерферують, рівною  . Відхилення різниці фаз від 180° призводить до несиметричної деформації вихідного сигналу та зменшення його амплітуди. Наприклад, на кресленні фіг. 4 при  = 1,1 відхилення фази на 5,1 % (9 градусів) приводить до видимої деформації форми та зменшення амплітуди вдвічі. А при зменшенні фазової розстройки до 1 % (1,8 градусів) відхилення амплітуди від її максимального значення є не більше ніж 10 %. Таким чином стабілізацію фази на рівні 2° можна вважати прийнятною для широкого кола задач. Для стабілізації фази найбільш доцільно використовувати зовнішні засоби. Якщо ж фазова різниця  змінюється неконтрольовано під час вимірювань, певним чином запобігти похибкам може ланцюг 22, 21, 11, див. Фіг. 1. Але його застосування буде обмежувати смугу детектованих частот. Таким чином, запропонований винахід порівняно з прототипом та аналогами дозволяє підвищити чутливість до вимірювання віброшвидкостей об'єктів, що досліджуються. При проведенні патентних досліджень з рівня техніки не виявлені рішення, ідентичні даному винаходу, звідси випливає, що заявлений винахід відповідає умові патентоздатності "новизна". Джерела інформації: 9 94564 6 1. Патент США №5394233 МПК G01СЗ/00, В9/02, 1995. 2. Патент України №84937 МПК G01В9/02. Яровой Л. К. "Спосіб вимірювання вібрації", заяв. 29.12.2006. чинний від 10.12.2008, друк. 10.12.2008. Бюл.№ 23 - 4с: іл.. 10 6 3. Патент США №4554836 МПК G01В9/02, 1985. 6 4. Патент США №5495767 МПК G01В9/02, 1996. 5. Справочник по учебному проектированию приемно-усилительных устройств/под ред. М. К. Белкина. – К.: Вища школа, 1988. - 472 с. 11 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 94564 Підписне 12 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601