Обзор методов измерения вибрации

Существует две группы методов измерения параметров
вибраций: контактные, подразумевающие механическую связь
датчика с исследуемым объектом, и бесконтактные, т.е. не
связанные с объектом механической связью.
Рассмотрим вначале контактные методы. Наиболее простыми
являются методы регистрации вибраций с помощью
пьезоэлектрических датчиков. Они позволяют проводить
измерения с высокой точностью в диапазоне низких частот и
относительно больших амплитуд вибрации, но вследствии своей
высокой инерционности, приводящей к искажению формы сигнала
делает невозможным измерение вибраций высокой частоты и малой
амплитуды. Кроме того, если масса исследуемого объекта, а
следовательно и его инерционность не велика, то такой датчик
может существенно влиять на характер вибрации, что вносит
дополнительную ошибку в измерения.
Эти недостатки позволяет устранить метод открытого
резонатора, описанный в [1]. Суть метода заключается в
измерении параметров СВЧ резонатора, изменяющихся вследствие
вибрации исследуемого объекта. Резонатор имеет два зеркала,
причем одно из них фиксировано , а другое механически связано
с исследуемым объектом. Регистрация перемещений при малых
амплитудах вибраций производится амплитудным методом по
изменению выходной мощности в случае проходной схемы включения
резонатора или отраженной мощности, в случае применения
оконечного включения. Этот метод измерения требует постоянства
мощности, подводимой к резонатору и высокой стабильности
частоты возбуждения.
В случае больших амплитуд вибраций регистрируется
.
смещение резонансной частоты, что можно сделать с очень
высокой точностью. Для повышения добротности и уменьшения
дифракционных потерь используют сферические зеркала.
Разрешающая способность данного метода 3 мкм. Метод
обладает малой инерционностью по сравнению с описанным выше,
но его применение рекоменуется, если масса зеркала
принципиально меньше массы исследуемого объекта.
Однако механическая связь датчика с исследуемым объектом
далеко не всегда допустима, поэтому последние годы основное
внимание уделяется разработке бесконтактных методов измерения
параметров вибраций. Кроме того, их общим достоинством
является отсутствие воздействия на исследуемый объект и
пренебрежительно малая инерционность.
Все бесконтактные методы основаны на зондировании объекта
звуковыми и электромагнитными волнами.
Одной из последних разработок является метод
ультразвуковой фазометрии, описанный в [2]. Он заключается в
измерении текущего значения разности фаз опорного сигнала
ультразвуковой частоты и сигнала, отраженного от исследуемого
объекта. В качестве чувствительных элементов используется
пьезоэлектрическая керамика.
На частоте ультразвука 240 кГц. чувствительность
измерения виброперемещения 10 мкм. в диапазоне от 10 до
5*10 мкм., расстояние до объекта до 1.5 м. На частоте
32 кГц. чувствительность 30 мкм., расстояние до объекта до
2 м. С ростом частоты зондирующего сигнала чувствительность
растет.
В качестве достоинств метода можно отметить дешевизну и
компактность аппаратуры, малое время измерения, отсутствие
ограничения снизу на частотный диапазон, высокую точность
.
измерения низкочастотных вибраций. Недостатками являются
сильное затухание ультразвука в воздухе, зависимость от
состояния атмосферы, уменьшение точности измерения с ростом
частоты вибрации.
Большое распространение получили методы, основанные на
зондировании объекта видимым светом. Описание и сравнение
основных оптических методов приведено в [3].
Все оптические методы подразделяются на две группы. К
первой относятся методы, основанные на регистрации эффекта
Допплера. Простейшим из них является гомодинный метод, который
позволяет измерять амплитуды и фазы гармонических вибраций, но
с его помощью невозможно исследовать негармонические и большие
по амплитуде вибрации. Эти недостатки можно устранить
используя гетеродинные методы. Но они требуют калибровки и,
кроме того, измерительная аппаратура сильно усложняется.
Существенным недостатком перечисленных выше методов
являются высокие требования к качеству поверхности
исследуемого объекта. Но они теряют свое значение при
использовании голографических методов, которые и образуют
вторую группу.
Голографические методы обладают высокой разрешающей
способностью ( до 0.05 ), но они требуют сложного и
дорогостоющего оборудования. Кроме того, время измерений очень
велико.
Общими недостатками оптических методов являются
сложность, громоздскость и высокая стоимость оборудования,
большое энергопотребление, высокие требования к качеству
поверхности исследуемого объекта, высокие требования к
состоянию атмосферы ( определенная влажность, отсутствие
запыленности и т.п. ). Кроме того, лазерное излучение
.
оказывает вредное влияние на зрение обслуживающего персонала
и требует дополнительных мер предосторожности и защиты.
Часть этих недостатков можно устранить применяя методы,
основанные на использовании СВЧ излучения [4]. Они
подразделяются на интерференционные и резонаторные. В основе
интерференционных методов лежит зондирование исследуемого
объекта волнами ВЧ и СВЧ диапазонов, прием и анализ отраженных
( рассеянных ) объектом волн. Между излучателем и исследуемым
объектом в результате интерференции образуется стоячая волна.
Вибрация объекта приводит к амплитудной и фазовой модуляции
отраженной волны и к образованию сигнала биений. У выделенного
сигнала переменного тока амплитуда пропорциональна
виброперемещению, а частота соответствует частоте вибрации
объекта.
Один из вариантов интерференционного метода описан в [5].
Установка состоит из СВЧ генератора 1 на отражательном
клистроне ( рис.1 ), который модулируется прямоугольными
___ ___ _______ 5 6 7 ||
| 1 |----| 3 |----| 4 |---||--- | 2 | | ___ ____ ____ ~~~ ---| 9 |---| 10 |---|
11 |
~~~ ~~~~ ~~~~ Рис. 1. Установка для измерения параметров вибраций
~~~~~~~~
интерференционным методом.
импульсами, вырабатываемыми генератором 2, вентиля для отсечки
отраженной волны 3, измерительной линии 4, приемно-передающей
антенны 5 с диэлектрической линзой 6, исследуемого объекта 7,
кристаллического детектора 8, усилителя переменного тока 9,
детектора низкой частоты 10 и индикаторного устройства 11.
Данная установка обеспечивает высокую точность измерений
.
при значительном удалении от исследуемого объекта, обладает
малой инерционностью, не зависит от температуры. Но она
требует точной градуировки.
Резонаторные методы основаны на размещении вибрирующего
объекта в поле СВЧ резонатора ( вне или, хотя бы частично
внутри его ), вследствие чего изменяются характеристики
резонатора. На рис.2 приведена схема измерителя вибраций на
двойном Т-образном мосте.
Сигнал с СВЧ генератора 1 через двойной Т-образный мост 2
поступает на приемно-передающую антенну 3 и регулируемую
нагрузку 4. Отразившись от исследуемого объекта 5, сигнал
через двойной Т-образный мост поступает на кристаллический
детектор 6, на который одновременно приходит сигнал,
отраженный от согласованной нагрузки. Продетектированный
сигнал усиливается усилителем 7 после чего поступает на
индикаторное устройство 8. Любое смещение исследуемого объекта
вызывает разбаланс двойного Т-образного моста, что приводит к
появлению сигнала на индикаторном устройстве. Минимальное
регистрируемое виброперемещение зависит от собственных шумов
генератора, его мощности и стабильности, а также от
механической стабильности устройства.
Бесконтактное измерение параметров вибраций резонаторным
.
методом возможно и при включении приемно-передающей антенны в
частотнозадающую цепь СВЧ генератора, т.е. при работе в
автогенераторном режиме. Такие системы называются автодинными
генераторами или просто автодинами.
В [5] приведен пример автодинного измерителя вибраций на
отражательном клистроне
Он состоит из
клистроне.
отражательного клистрона 1, волноводной системы 3,
короткозамыкающего поршня 2, диэлектрической антенны 4 и
исследуемого объекта 5. Вследствие вибрации объекта изменяется
режим генерации, появляется приращение постоянной составляющей
тока в цепи резонатора клистрона, а на резисторе R появляется
приращение напряжения.
Разрешающая способность данной установки до 1 мкм.
Недостаток заключается в том, что клистрон требует больших
питающих напряжений, что приводит к увеличению размеров
аппаратуры и большому энергопотреблению. Но этого можно
избежать, если в качестве СВЧ генератора использовать
твердотельные СВЧ диоды ( ДГ, ЛПД, ИПД, ТД и т.д. ).

Powered by Drupal - Design by artinet