Спосіб вимірювання параметрів руху і вібрації

Реферат: Спосіб вимірювання параметрів руху і вібрації, що включає опромінення контрольованого об'єкта електромагнітним сигналом надвисокої частоти, утворення квадратурних сигналів внаслідок інтерференції відбитого від об'єкта сигналу з опорним сигналом у хвилевідній секції з двома зондами, розташованими один від одного на відстані однієї восьмої довжини хвилі електромагнітного випромінювання у хвилеводі та з'єднаними з напівпровідниковими детекторами, і визначення переміщення об'єкта х в момент вимірювання відносно його положення в початковий момент часу t0 за формулами. Квадратурні сигнали cos ( tn ) і sin ( t n ) , які входять в вирази для визначення переміщення, знаходять зі струмів напівпровідникових детекторів та визначеного за цими струмами ефективного коефіцієнта відбиття. UA 80300 U (12) UA 80300 U UA 80300 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, зокрема до засобів вимірювання параметрів вібрації. Для побудови вимірювачів параметрів руху, зокрема вібрацій досить привабливим є застосування радіохвилевих методів. Це зумовлене цілою низкою причин, найбільш вагомими з яких є безінерційність і відсутність механічного контакту з контрольованим об'єктом. Одним з поширених радіохвилевих методів є інтерференційний метод [Викторов В.А. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов / В.А. Викторов, Б.В. Лункин, А.С Совлуков. М.: Энергоатомиздат, 1989.-208 с.]. В основі цього методу лежить визначення параметрів руху за зсувом фази між електромагнітною хвилею, відбитою від контрольованого об'єкта, і зондуючою електромагнітною хвилею. Цей зсув фаз можна визначити з двох квадратурних сигналів. Па цей час звичайним способом формування таких сигналів є застосування спеціальних пристроїв, до числа яких входить подільник потужності та аналоговий або цифровий квадратурний змішувач [Kim S. A displacement measurement technique using millimeterwave interferometry / S. Kim, C. Nguyen // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2003. V. 51, No 6. P. 1724-1728; Kim S. On the development of a multifunction millimeter-wave sensor for displacement sensing and low-velocity measurement / S. Kim, C. Nguyen // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.-2004. -- V. 52, No 11. - P. 2503-2512]. Однак це призводить до ускладнення конструкції; крім того, при цьому треба вживати заходи для мінімізації нелінійності фазової характеристики квадратурного змішувача, зумовленої розбалансом фаз та амплітуд. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним за прототип, є спосіб вимірювання параметрів руху і вібрації [Патент на корисну модель 63184 Україна, МПК G01H 9/00. Спосіб вимірювання параметрів руху і вібрації / Пилипенко О. В., Горєв М. Б., Доронін О. В., Коджеспірова І. Ф., Привалов Є. М.; заявник і патентовласник Інститут технічної механіки НАНУ і НКАУ. - u 2011 05816; заявл. 10.05.2011; опубл. 26.09.2011, Бюл. № 18. -- 7 с.], в якому об'єкт, що вібрує, зондується електромагнітними хвилями діапазону надвисоких частот (НВЧ). Відбитий від об'єкта сигнал інтерферує із зондуючим сигналом в хвилевідній секції, що містить два зонди, розташовані на відстані однієї восьмої довжини хвилі електромагнітного випромінювання в хвилеводі один від одного. З цими зондами з'єднані напівпровідникові детектори, зі струмів яких виділяються два квадратурні сигнали, і переміщення об'єкта знаходиться з цих квадратурних сигналів за алгоритмом, наведеним в [Сильвиа М. Т. Обратная фильтрация геофизических временных рядов при разведке на нефть и газ / М. Т. Сильвиа, Э. А. Робинсон. - М.: Недра, 1983.-447 с.]. Перед виділенням квадратурних сигналів зі струмів напівпровідникових детекторів з цих струмів визначається коефіцієнт відбиття об'єкта, оскільки цей коефіцієнт входить до виразів, за якими обчислюються квадратурні сигнали. Однак формула, що виражає коефіцієнт відбиття через виміряні струми напівпровідникових детекторів, є чинною тільки для коефіцієнтів відбиття, які не перевищують 1/ 2 . Це обмежує область застосовності цього способу, тому що при невеликих відстанях між об'єктом та антеною коефіцієнт відбиття може бути близьким до одиниці. Технічною задачею, на вирішення якої направлена корисна модель, є створення способу, що дозволяє вимірювати параметри руху при довільному коефіцієнті відбиття. У відповідності зі сказаним вище, технічний результат, що досягається при здійсненні корисної моделі, полягає в розширенні області застосовності такого способу. Спосіб, що пропонується в цій корисній моделі, базується на такій фізичній основі. Коефіцієнт відбиття об'єкта r задовольняє біквадратному рівнянню (Jr1  1) 2  (Jr 2  1) 2 r  (Jr1  Jr 2 )r   0, 2 де J r 1 - струм напівпровідникового детектора, з'єднаного з дальшим від об'єкта зондом, 4 50 2 який нормовано на його значення в режимі біжучої хвилі; Jr 2 - струм напівпровідникового детектора, з'єднаного з ближчим до об'єкта зондом, який нормовано на його значення в режимі біжучої хвилі. Аналіз коренів цього рівняння показує, що хоча воно дозволяє визначити коефіцієнт відбиття однозначно тільки за умови, що він не перевищує 1/ 2 , в загальному випадку, тобто при довільному коефіцієнті відбиття, переміщення можна знаходити з використанням ефективного коефіцієнта відбиття ref , що визначається як менший додатний корінь цього 55 рівняння. На фіг. 1 наведено залежність максимальної похибки у визначенні переміщення 1 UA 80300 U x max , що виникає при цьому, від дійсного коефіцієнта відбиття r (тут і надалі коефіцієнт відбиття об'єкта r буде іменуватися дійсним коефіцієнтом відбиття, щоб відрізнити його від визначеного вище ефективного коефіцієнта відбиття ref ) для 1/ 2  r  1 (при r  1/ 2 ефективний коефіцієнт відбиття ref співпадає з дійсним коефіцієнтом відбиття r ). Як видно з 5 10 15 20 25 фіг. 1, максимальне значення похибки x max досягається при r  1 і становить близько 4,4 % від довжини хвилі електромагнітного випромінювання генератора у вільному просторі  в . Отже, при проведенні вимірювань у міліметровому діапазоні довжин хвиль похибка не перевищуватиме кількох десятих міліметра. Слід зазначити, що похибка 4,4 % - це максимально можлива похибка, яка виникає тільки тоді, коли дійсний коефіцієнт відбиття дорівнює одиниці, початкова точка вимірювань відповідає одному з двох екстремумів функції похибки фази, а поточна точка вимірювань відповідає іншому екстремуму; у всіх інших випадках похибка буде меншою. В способі, що пропонується в цій корисній моделі, як і у прототипі, переміщення об'єкта x в момент вимірювання t n , n  0,12,..., відносно його положення в початковий момент часу t 0 , визначається за формулами  sin ( t n ) , sin ( t n )  0, cos ( t n )  0, arctg cos ( t n )   sin ( t n )  ( t n )  arctg  , sin ( t n )  0, cos ( t n )  0 чи sin ( t n )  0, cos ( t n )  0, cos ( t n )   sin ( t n )  2, sin ( t n )  0, cos ( t n )  0 arctg  cos ( t n )  0, n  0   ( t n )  ( t n1 )  ( t n )  ( t n1 ), ( t n )  ( t n1 )  , n  1 2,..., ,  , ( t n1 )  ( t n )  ( t n1 )  2 sgn( t n )  ( t n1 ), ( t n )  ( t n1 )  , n  1 2,..,   x( t n )  в ( t n ),n  0,12,..., 4 де  - нерозгорнута фаза;  - розгорнута фаза;  в - довжина хвилі електромагнітного випромінювання генератора у вільному просторі. Однак, на відміну від прототипу, квадратурні сигнали cos ( t n ) і sin ( t n ) знаходяться зі струмів напівпровідникових детекторів J r 1 і Jr 2 та знайденого за ними ефективного коефіцієнта відбиття ref як ref (t n )2  1  Jr1( t n ) r ( t )2  1  Jr 2 ( t n ) , sin ( t n )  ef n , cos (t n )  2ref (t n ) 2ref ( t n ) де ефективний коефіцієнт відбиття ref при довільному дійсному коефіцієнті відбиття r визначається як менший додатний корінь біквадратного рівняння r 4  (Jr1  Jr 2 )r 2  30 35 (Jr1  1) 2  (Jr 2  1) 2  0, 2 якому задовольняє дійсний коефіцієнт відбиття r . Зі сказаного вище випливає, що суттєві ознаки цієї корисної моделі полягають в тому, що при довільному значенні дійсного коефіцієнта відбиття об'єкта з біквадратного рівняння, якому задовольняє дійсний коефіцієнт відбиття, знаходиться ефективний коефіцієнт відбиття як менший додатний корінь цього рівняння і квадратурні сигнали (sin, cos ) , які потрібні для обчислення переміщення об'єкта, визначаються зі струмів напівпровідникових детекторів та знайденого за цими струмами ефективного коефіцієнта відбиття. 2 UA 80300 U Сукупність цих суттєвих ознак забезпечує досягнення зазначеного технічного результату, а саме розширення області застосовності способу. Це зумовлене тим, що ця корисна модель дозволяє вимірювати переміщення об'єкта при довільному дійсному коефіцієнті відбиття, на той час коли спосіб, що запропоновано у прототипі, може використовуватися тільки для дійсних 5 10 коефіцієнтів відбиття, що не перевищують 1/ 2 . Таким чином, зазначений технічний результат (розширення області застосовності) досягається тим, що в способі вимірювання параметрів руху і вібрації, що включає опромінення контрольованого об'єкта електромагнітним сигналом надвисокої частоти, утворення квадратурних сигналів внаслідок інтерференції відбитого від об'єкта сигналу з опорним сигналом у хвилевідній секції з двома зондами, розташованими один від одного на відстані однієї восьмої довжини хвилі електромагнітного випромінювання у хвилеводі та з'єднаними з напівпровідниковими детекторами, і визначення переміщення об'єкта x в момент вимірювання відносно його положення в початковий момент часу t 0 за формулами  sin ( t n ) , sin ( t n )  0, cos ( t n )  0, arctg cos ( t n )   sin ( t n )  ( t n )  arctg  , sin ( t n )  0, cos ( t n )  0 чи sin ( t n )  0, cos ( t n )  0, cos ( t n )   sin ( t n )  2, sin ( t n )  0, cos ( t n )  0 arctg  cos ( t n )  15 20 25 0, n  0   ( t n )  ( t n1 )  ( t n )  ( t n1 ), ( t n )  ( t n1 )  , n  1 2,..., ,  , ( t n1 )  ( t n )  ( t n1 )  2 sgn( t n )  ( t n1 ), ( t n )  ( t n1 )  , n  1 2,..,   x( t n )  в ( t n ),n  0,12,..., 4 де  - нерозгорнута фаза;  - розгорнута фаза; t 0 , t 1, t 2 ,..., t n ,..., - моменти вимірювань; n  0,12,..., - номер вимірювання; ,  в - довжина хвилі електромагнітного випромінювання генератора у вільному просторі; згідно з пропонованою корисною моделлю, квадратурні сигнали cos ( t n ) і sin ( t n ) , які входять в вирази для визначення переміщення, знаходяться зі струмів напівпровідникових детекторів та визначеного за цими струмами ефективного коефіцієнта відбиття як cos (t n )  30 ref (t n )2  1  Jr1( t n ) r ( t )2  1  Jr 2 ( t n ) , sin ( t n )  ef n , 2ref (t n ) 2ref ( t n ) де J r 1 - струм напівпровідникового детектора, з'єднаного з дальшим від об'єкта зондом, нормований на його значення в режимі біжучої хвилі; Jr 2 - струм напівпровідникового детектора, з'єднаного з ближчим до об'єкта зондом, нормований на його значення в режимі біжучої хвилі; ref - ефективний коефіцієнт відбиття об'єкта, що при довільному дійсному коефіцієнті відбиття об'єкта r визначається як менший додатний корінь біквадратного рівняння (Jr1  1) 2  (Jr 2  1) 2 r  (Jr1  Jr 2 )r   0, 2 4 35 2 якому задовольняє дійсний коефіцієнт відбиття г. Для підтвердження можливості здійснення цієї корисної моделі було проведено експеримент з визначення відносного переміщення відбиваючої поверхні (металевий квадрат розміром 70 × 70 мм) за виміряними струмами напівпровідникових детекторів. Вимірювання 3 UA 80300 U 5 10 15 20 25 30 проводилися за допомогою лабораторного стенду, що складався з хвилевідної вимірювальної лінії з встановленими в ній двома зондами і з'єднаними із зондами напівпровідниковими детекторами; рупорної антени, розташованій на кінці хвилевідної лінії; НВЧ - генератора; циркулятора з поглинальним навантаженням, встановленого між НВЧ-генератором і хвилевідною лінією; аналого-цифрового перетворювача і кривошипно-шатунного механізму з електроприводом, що приводив відбиваючу поверхню у зворотно-поступальний рух співвісно з напрямком розповсюдження електромагнітної хвилі генератора по рупору. Розмах коливань відбиваючої поверхні становив 10,0 см при мінімальній відстані між відбиваючою поверхнею та рупорною антеною 5,0 см. Довжина хвилі електромагнітного випромінювання у вільному просторі дорівнювала 3,09 см, тобто розмах коливань відбиваючої поверхні перевищував довжину хвилі електромагнітного випромінювання у декілька разів. Струми напівпровідникових детекторів реєструвалися за допомогою аналого-цифрового перетворювача. На фіг. 2 наведено часову залежність виміряного ефективного коефіцієнта відбиття ref . Як видно з фіг. 2, максимальне значення ref складає близько 0,76, тобто перевищує 1/ 2  0,707 . Оскільки ref є меншим додатним коренем біквадратного рівняння, якому задовольняє дійсний коефіцієнт відбиття r , то для нього виконується нерівність ref  r , і тому максимальне значення дійсного коефіцієнта відбиття r теж перевищує 1/ 2 , тобто в цьому випадку дійсний коефіцієнт відбиття виходить за межі області застосовності прототипу. Запропонований же спосіб працює і в цих умовах. Це видно з фіг. 3, на якій наведена часова залежність відносного переміщення відбиваючої поверхні х. Суцільною лінією показано фактичне відносне переміщення, розраховане за параметрами кривошипно-шатунного механізму та частотою обертання електродвигуна, штриховою лінією показано відносне переміщення, визначене запропонованим способом з виміряних струмів напівпровідникових детекторів та знайденого за цими струмами ефективного коефіцієнта відбиття. Як можна бачити, штрихова лінія майже не відрізняється від суцільної. Для даних, наведених па фіг. 3, максимальна похибка визначення розмаху коливань становить 0,1 мм (0,1 %). Таким чином, розглянутий виїде практичний приклад підтверджує технічний результат, що досягається використанням цієї корисної моделі — розширення області застосовності. Суть корисної моделі пояснюють креслення. На фіг. 1 наведено залежність максимальної похибки у визначенні переміщення x max , що виникає при запропонованому способі, від дійсного коефіцієнта відбиття r для 1/ 2  r  1 . На фіг. 2 наведено часову залежність виміряного ефективного коефіцієнта відбиття ref . 35 На фіг. 3 наведено часову залежність фактичного відносного переміщення відбиваючої поверхні, що здійснює зворотно-поступальний рух (суцільна лінія), і відносного переміщення, визначеного запропонованим способом з виміряних струмів напівпровідникових детекторів і знайденого за цими струмами ефективного коефіцієнта відбиття. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 Спосіб вимірювання параметрів руху і вібрації, що включає опромінення контрольованого об'єкта електромагнітним сигналом надвисокої частоти, утворення квадратурних сигналів внаслідок інтерференції відбитого від об'єкта сигналу з опорним сигналом у хвилевідній секції з двома зондами, розташованими один від одного на відстані однієї восьмої довжини хвилі електромагнітного випромінювання у хвилеводі та з'єднаними з напівпровідниковими детекторами, і визначення переміщення об'єкта х в момент вимірювання відносно його положення в початковий момент часу t0 за формулами  sin ( t n ) , sin ( t n )  0, cos ( t n )  0, arctg cos ( t n )   sin ( t n )  ( t n )  arctg  , sin ( t n )  0, cos ( t n )  0 чи sin ( t n )  0, cos ( t n )  0, cos ( t n )   sin ( t n )  2, sin ( t n )  0, cos ( t n )  0 arctg  cos ( t n )  4 UA 80300 U 5 10 0, n  0   ( t n )  ( tn 1 )  ( t n )  ( t n 1 ), ( t n )  ( t n 1 )  , n  1,2,...,  , ( tn 1 )  ( t n )  ( t n 1 )  2 sgn( t n )  ( t n 1 ), ( t n )  ( tn 1 )  , n  1 2,..,   x( tn )  в ( tn ), n  0,12,..., 4 де  - нерозгорнута фаза;  - розгорнута фаза; t 0 , t1, t 2,..., tn,..., - моменти вимірювань; n  0,12,..., - номер вимірювання; ,  в - довжина хвилі електромагнітного випромінювання генератора у вільному просторі, який відрізняється тим, що квадратурні сигнали cos ( tn ) і sin ( t n ) , які входять в вирази для визначення переміщення, знаходять зі струмів напівпровідникових детекторів та визначеного за цими струмами ефективного коефіцієнта відбиття як cos (tn )  15 ref (tn )2  1  Jr1( tn ) r (t )2  1  Jr 2 ( tn ) , sin ( tn )  ef n , 2ref ( tn ) 2ref ( tn ) де J r1 - струм напівпровідникового детектора, з'єднаного з дальшим від об'єкта зондом, який нормовано на його значення в режимі біжучої хвилі; Jr 2 - струм напівпровідникового детектора, з'єднаного з ближчим до об'єкта зондом, який нормовано на його значення в режимі біжучої хвилі; ref - ефективний коефіцієнт відбиття об'єкта, що при довільному дійсному коефіцієнті відбиття об'єкта r визначається як менший додатний корінь біквадратного рівняння (Jr1  1)2  (Jr 2  1)2 r  (Jr1  Jr 2 )r   0, 2 4 2 якому задовольняє дійсний коефіцієнт відбиття r. 5 UA 80300 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП ―Український інститут промислової власності‖, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6