Устройство для бесконтактного измерения параметров вибрации

(51 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ И ГКНТ СССР ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(71) Научно-исследовательский институт измерительной техники(56) Авторское свидетельство СССР М 997003, кл. 6 01 Н 11/00, 1982.Авторское свидетельство СССР М 1370592, кл. 6 01 Р 25/00, 1988.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИИ (57) Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано для измерения бесконтактным радиоволновым методом параметров вибрации различных микроминиатюрных иэделий электронной техники. Целью изобретения является увеличение точности измерения на расстояниях, превышающих фокусное расстояние видоискателя, а также расширение функциональных возможностей за счет измерения расстояния от источника механических колебаний. Видоискатель 5 устанбвлен на антенне 4 на вращающемся основании со шкалой 6 отсчета углового смещения оптической оси. Устройство содержит фазовращатель 3, подключенный входом на второй выход направленного ответвителя 2; а выходом - на вход антенны 4, следящий фильтр 8, подключенный первым входом на выход амплитудного детектора 7, вторым входом на второй выход задающего генератора 10, первый выход которого подключен на второй вход блока 13 преобразования фаза- расстояние,и последовател ьно / соединенные усилитель мощности 11 и вибратор 12, первый вход регистратора 9 подключен к выходу следящего фильтра 8 блока 13 преобразования и первому входу (,/) "Фаза - расстояние", выход которого подключен на второй вход регистратора 9, подключенного выходом на вход задающего генератора 10, выход автогенератора 1 подключен на вход направленного ответвителя 2.2 ил,вваЪ5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано для измерения бесконтактным радиоволновым методом параметров вибрации различных изделий, в частности микроминиатюрных иэделий электронной техники,Известно, что с изменением расстояния между бесконтактным средством измерения и исследуемым изделием порогчувствительности, а следовательно, и диапазон измеряемых уровней вибрации могут изменяться,В известном устройстве увеличение точности и расширение диапазона уровней достигается за счет введения в блок памяти опорных значений сигналов вибросмещения и их последующего сопоставления с сигналами на и ромежуточн ых расстояниях.Однако обеспечение постоянной точности измерений ограничено классом измеряемых вибропроцессов с постоянными частотами возбуждения, вклад изменения уровней которых в амплитуду опорных сигналов на соответствующих расстояниях превышает вклад за счет изменения расстояния, либо при линейном характере таких зависимостей.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для бесконтактного измерения параметров вибрации, содержащее последовательно соединенные автогенератор, направленный ответвитель и амплитудный детектор,а также регистратор, вибратор, антенну и оптический видоискатель, оптическая ось которого пересекается с электрической осью рупорного излучателя антенны,Известное техническое решение позволяет в дальней зоне излучения антенны измерять параметры вибрации конструктивно-сложных объектов на частотах вынужденных и резонансных колебаний в широком диапазоне изменения их уровней, Расширение диапазона и увеличение локальной точности измерений достигается расширением порога чувствительности как за счет использования эффекта динамического затягивания частоты автогенератора,так и за счет пространственной юстировки устройства. Юстировку осуществляют посредством совмещения в месте расположения исследуемого элемента геометрической оси рупорного излучателя с оптической осью установленного на рупорном излучателе оптического видоискателя, фокусное расстояние которого выбирают равным расстоянию до исследуемого элемента.Если это расстояние меньше фокусного,изображение поверхности исследуемого элемента я вляется размытым. Наоборот, такое изображение является резким, если расстояние равно или больше фокусного. Визуально наблюдаемые и количественно регистрируемые по амплитуде и частоте колебания имеют отношение к тем элементам поверхности исследуемого элемента, на которые в момент измерений направлен центр перекрестия оптического видоискателя,Однако достижение минимальной суммарной погрешности измерений за счет проведения измерений на расстояниях, соответствующих фокусному расстоянию системы юстировки, и ри водит к ряду ограничений, препятствующих широкому использованию известного устройства. Огоаничения могут возникать, например, при проведении экспресс-анализа в процессе неразрушающего контроля динамических характеристик конструктивно-сложных изделий электронной техники на расстояниях измерений, отличных от фокусного. Измерения на расстояниях, превышающих конструктивна допустимое фокусное, приводят к необходимости измерений относительных значений уровней вибросмещений на опорных расстояниях и последующего перерасчета на эти расстояния при тех же частотах возбуждения калиброванных уровней вибросмещений, которые соответствуют фокусному расстоянию, Сложность учета нелинейного характера таких зависимостей приводит к тому, что суммарная погрешность измерений возрастает.Цель изобретения - увеличение точности изменений на расстояниях, превышающих фокусное расстояние видоискателя, а также расширение функциональных возможностей за счет измерения расстояния от источника механических колебаний.Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее последовательно соединенные автогенератор, направленный ответвитель и амплитудный детектор, а также регистратор, вибратор, антенну и оптический видоискатель, оптическая ось которого пересекается с электрической осью рупорного излучателя антенны, снабжено фазовращателем, последовательно соединенными следящим фильтром и блоком преобразования, последовательно соединенными задающим генератором и усилителем мощности, первый вход следящего фильтра соединен с выходом амплитудного детектора, второй вход - с вторым выходом задающего генератора, а выход - с первым входом регистратора, с вторым входом которого соединен выход блока преобразования, выход регистратора соединен с входом задающего генератора, первый выход которого соединен с вторым входом1740995 15 20 25 30 35 40 45 50 55 А = а 1 Р Яп 7 ог блока преобразования, выход усилителя мощности соединен с входом вибратора, вход фазовращателя соединен с выходом направленного ответвителя, а выход - с входом антенны, видоискатель установлен на антенне на вращающемся основании со шкалой отсчета углового смещения оптической оси,На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства измерений; на фиг. 2 10- использование устройства для измерения параметров вибрации и расстояния от изделия,На фиг, 2 приняты следующие обозначения: 1 р - расстояние между изделиями и антенной, соответствующее фокусному расстояниювидоискателя; Ьх - расстояние между изделием и антенной при превышении фокусного расстояния видоискателя; Ор и Ох - соответственно точки пересечения оптической оси видоискателя с геометрической осью антенны на расстоянии от изделия, равном или превышающем фокусное расстояние видоискателя; а р и а х - угловые смещения оптической оси видоискателя.Устройство (фиг, 1) включает в себя автогенератор 1, направленный ответвитель 2, фазовращатель 3, антенну 4, видоискатель 5, шкалу 6 отсчета углового смещения видоискателя, амплитудный детектор 7, следящий фильтр 8, регистратор 9, задающий генератор 10, усилитель 11 мощности, вибратор 12, блок 13 преобразования, выпрямитель 14, компаратор 15, логический элемент И 16, формирователь 17, счетчик 18 периодов фазы, преобразователь 19 частота - напряжение.Устройство работает следующим обраеСрНапряжение СВЧ-сигнала, излучаемое автогенератором 1, через направленный от-, ветвитель 2 и фазовращатель 3 поступает на вход приемно-излучающей антенны 4, геометрическую ось диаграммы направленности которой ориентируют на исследуемый элемент изделия 20. При воздействии на вход автогенератора 1 прямого и отраженного от изделия 20 сигналов возникают возмущения проводимости системы автодин -нагрузка. Эти возмущения сопровождаются статическим (а при возбукдений механических колебаний - динамическим) затягиванием частоты сигнала излучения. В результате возникает амплитудно-частотная модуляция напряжения сигнала излучения автодина, Низкочастотную огибающую этого сигнала выделяют на выходе амплитудного детектора 7 и для обеспечения большей избирательности и помехоустойчивости подают на вход следящего фильтра 8, С выхода следящего фильтра 8 напряжение сигнала, несущего информацию об изменении расстояния и параметрах вибрации изделия, подают на первые входы блока 13 преобразования и регистратора 9, Для выделения информации об изменении расстояния сопоставляют разность напряжений выходных сигналов с выпрямителя 14 и первого выхода формирователя 17 с напряжением порога срабатывания компаратора 15 и формируют сигналы высокого и низкого логических уровней. В случае появления на первом и втором входах схемы логического элемента И 16 одновременно сигналов высоких уровней соответственно с выхода компаратора 15 и с второго выхода формирователя 17 на входе счетчика 18 периодов фазы возникает напряжение запускающего импульса, При изменении расстояния от 1 р до 1 х число запускающих импульсов определяется числом периодов фазы ро сигнала несущей частоты. Синхронизация запуска счетчика 18 с моментами прохождения фазовых углов, соответствующих максимальным значениям напряжения сигнала детектора 7, осуществляется выходными сигналами формирователя 17. Для этого в блоке 17 формируются короткие выходные импульсы со сдвигом между каналами на время задержки срабатывания схемы блока 13 и с периодами следования напряжения сигнала задающего генератора 10. С выхода счетчика 18 через преобразователь 19 частота - напрякение измеряемый сигнал подают на вход регистратора 9. Возбуждение механических колебаний изделия 20 осуществляют задающим генератором 10 через усилитель 11 мощности на вход вибратора 12, Напряжение сигналов с втор то выхода задающего генератора 10 используют для синхронной с изменением частоты возбуждения перестройки частоты следящего фильтра 8. Управление изменением частоты возбуждения осуществляют напряжением выходного сигнала регистратора 9, которое подают на вход задающего генератора 10. На первом входе регистратооа 9 мгновенные значения напряжения измеояемых сигналов вибрации могут быть представлены в виде:1 =1 г +х(0) 3) К= 0,1,ственно диапазоеского затягивао,овогоугла Ь 0,1 х) = хх( 01 х 45 гд ышающих фокуго видоискатеувствительнос О 10, ) А величине напряжения сигналов О 2( х в относителье, калиброванстота си Гн д л а мо 1 = 1 р+ 1 х х(0); лС (2 Кх+1( 2 Ъо 2 +Яо 5 де 2 о 1 х где х (о) - амплитуда вибросмещения;Й - круговая частота вибрации;А (р г,йъ Ро, О, Е, Яо, 1) - коэффициент преобразования по вибросмещению;Ъ - фазовый набег сигнала несущей 5частоты ао в режиме статического затягивания;г, Ро, Р - соответственно коэффициентотражения и значения мощности сигналовна выходе автодина и отраженных от изделия;О и Е - соответственно коэффициент идиаграмма направленности антенны;,Яо - эффективная отражающая поверхность исследуемого элемента изделия; а - "5аппаратурный коэффициент.Учитывая, что в процессе проведенияизмерений параметры О Е, г Ро, ио,2Во=сопи,из соотношений (1) имеем: 20 где к=0,1,2Максимальные по уровню значения сигналов О 1(т) могут быть достигнуты на рассто яниях измерений между автодином и изделием, равных: где Ьсо и Ав 1(о) - соответ ны статического и динамич ния частоты излучения вро (1 г) - значение фаз расстоянии 1= - 1 р.Для расстояний, прев ное расстояние оптическо х 1 р в пределах порога ч устройства, имеем; где Ро (1 х) - значение фазового угла уо (1 г) при 1 х 1 г.Калибровку и измерения параметров вибрации х(0) и 9 соотношения (1) осуществляют, обеспечивая в соответствии с соотношениями (3) и (4) измерения и контроль расстоянияпо величине напряжения сигнала, измеряемого на втором входе регистратора 9: где а - постоянная величина, соответствующая коэффициенту преобразования по расстоянию,Контроль величины расстояния 1 х реализуют блоком 13 преобразования (отсчет "грубо"), которую уточняют фазовращателем 3 (Отсчет "точно" ), обеспечивая величину сигНЗЛа О 1(Т) -ф 01(1)щах. УСТдНОВИ 8 уСТРойСТВО на расстоянии 1=1 р от изделия и сориентировав оптическую ось юстировочной системы и диаграмму направленности антенны на исследуемый элемент(точка Ор на фиг. 2), с помощью фазовращателя 3 при заданных значениях уровней и частот возбуждения Осуществляют настройку измерительного тракта на напряжения сигналов на входах регистратора 9, соответствующих значениям: О 1(1)-фО 1 пах(т) И О 2 1, 2 о) - О 2 ( Ро( 1 Х)1и определяют калиброванные значения Х(0,р) и Ак(1 г) при Я = Йк, При тех же условиях возбуждения, удаляя устройство от изделия на расстояние х 1 и обеспечивая напряжение сигналов О 1(е) на максимальных уровнях, устанавливают соответствие измеряемых значений с калиброванными; ро) .определяют расстояние ных значениях расстояния ного в целых длинах волн ча= 4+ Гзп ар 50 55 Полагая, что х (О) о, в соответст 2 Свии с фиг, 2 имеем: 6)ах =агстд (1+ " )соз агИз соотношений (б) на основании измеренных значений 1 х и известных параметров 10 Е и а р юстировочной системы определяют угловое смещение оптической оси ах, которое устанавливают по шкале 6. Элемент изделия, на который в результате выполненных операций будет направлен центр пере крестия оптического видоискателя 5 (точка Ох на фиг. 2), соответствует исследуемому. В результате непрерывного контроля расстояния и высокого уровня порога чувствительности предлагаемое устройство по 20 сравнению с известным позволяет проводить калибровку и измерения параметров вибрации с высокой локальной точностью и чувствительностью на расстояниях, превышающих фокусное расстояние видоискате ля системы юстиррвки; одновременно с измерением параметров вибрации измерять и контролировать расстояние между автодином и изделием; проводить высококачественный экспресс-анализ при нераз рушающем контроле параметров вибрации различных конструктивно-сложных изделий электронной техники,При испытаниях изделий с резонансными частотами в диапазоне частот вибрации 35 10 - 3000 Гц и использовании в качестве автогенератора ГМПД миллиметрового диапазона длин волн погрешности измерений вибросмещения не хуже + 1 О в диапазоне40 уровней 20 - 10 мм, расстояния до + 10мкм в пределах 110-750 мм.Формула изобретения Устройство для бесконтактного измерения параметров вибрации, содержащее последовательно соединенные автогенератор, направленный ответвитель и амплитудный детектор, регистратор, вибратор, антенну с рупорным излучателем и оптический видоискатель, оптическая ось которого пересекается с электрической осью рупорного излучателя антенны, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности измерений на расстояниях, превышающих фокусное расстояние видоискателя, а также расширения функциональных возможностей за счет измерения расстояния от источника механических колебаний, оно снабжено фазовращателем, последовательно соединенными следящим фильтром и блоком преобразования, последовательно соединенными задающим генератором усилителем мощности, первый вход следящего фильтра соединен с выходом амплитудного детектора, второй вход - с вторым выходом задающего генератора, а выход - с первым входом регистратора, с вторым выходом которого соединен выход блока преобразования, выход регистратора соединен с входом задающего генератора, первый вход которого соединен с вторым входом блока преобразования, выход усилителя мощности соединен с входом вибратора, вход фазовращателя соединен с выходом направленного ответвителя, а выход - с входом антенны, видоискатель установлен на антенне на вращающемся основании со шкалой отсчета углового смещения оптической оси.12 1740995 Составитель Ю,Шуровдактор Л,Веселовская Техред М.Моргентал Корректор М.Пожо ри ГКН ССС роизводственно-издательский комбинатПатент", г, ужгород, ул, Гагарина, 101 каз 2079 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по 113035, Москва, Ж