Способ измеренения вибраций и устройство для его осуществления

(51)5 6 01 Н 17/00 ГОсудАРстВеннОе пАтентнОеВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВИДЕТЕЛЬСТ ВТОРСКО ре- М.: ии 1 В ний Изо 6 д ЬЭ(56) 1, Зак Е.А. Волоконно-оптические иобразователи с внешней модуляцией.Энергоавтомиздат, 1989, с. 94 -95,2, А.с. М 1223030 СССР, кл. 0 011/02. Оптический датчик перемеще/В.А.Медников, В,А,Олейников и др./Открытия, Изобретения, 1986. М 13.3, Зак Е.А. Волоконно-оптическиеобразователи с внешней модуляцией,Энергоэтомиздат, 1989, с. 93 (прототип)4. А.с. Ь 1112228 СССР, кл, 0 021/00. Оптический датчик перемеще/Ю.Й.Гудков, Е,А,Зак и др,// Открытиябретения. 1984, М 33,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Использование: изобретение относится к области, измерительной техники и может быть использовано для измерения виброперемещений бесконтактным способом, Сущность; вблизи от контролируемой поверхности 6 располагают осветительный световод 3, связанный с источником света 2, первый и второй неравноудаленные от контролируемой поверхности приемные световоды 4 и 5, связанные с первым и вторым фотоприемниками 7 и 8 соответственно, Измеряют сигналы 01 и 02 первого и второго фотоприемников 7 и 8 соответственно, Находят величину 3 = 02 - 01, которая формируется на выходе блока 11 вычитания. Фильтром 16 нижних частот выделяют постоянную составляющую сигнала 31 - 51,Р, по знаку величины Я 1 Р, который определяют по нуль-органу 17 или блоку световой индикации 14, судят о том,1798632 10 15 20 30 35 следует увеличить или уменьшить установочный зазорДобиваются получения равенства Я 1 ср = О, которое свидетельствует о том, что требуемая величина зазора установлена. Находят величину Я 2 = 01 + 02, которая формируется на выходе блока 9 сложения, на входы которого поступают напряжения 01 и 02. На третий вход блока 9 сложения подается напряжение от источника 19 опорного напряжения. Выделяют постоянно составляющую величины Я 2- Я 2 ср с Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения виброперемещений бесконтактным способом;Целью изобретения является увеличение точности измерения.Поставленная цель доСтигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что через осветительный световод освещает контролируемую поверхность, принимают отраженный от контролируемой поверхности световой поток двумя приемными световодами, неравноудаленными от контролируемой поверхности, измеряют мощности Е 1 и Е 2 отраженного светового потока соответственно на выходах первого и второго приемных световодов, определяют вибрацию контролируемой поверхности, согласно изобретение, путем контроля расстояния между световодами и контролируемой поверхностью определяют сигнал Я 1, равный разности величин Е 2 и Е 1, выделяют постоянную составляющую Я 1 ср сигнала Я 2, определяют знак постоянной составляющей Я 1 ср, с. Учетом знака Я 1 ср итеРационно изменяют расстояние между световодами и контролируемой поверхностью до выполнения условия Я 1 р - О, определяют сумму Я 2 величин Е 1 и Е 2, выделяют постоянную составляющую Ягор сигнала Я 2, итерационно изменяют мощность падающего на контролируемую поверхность света до выполнения условия Я 2 ср - сопз 1, выделяют переменную сОставляющую Я 1 сигнала Я 1,по которой судят о вибрации контролируемой поверхности. Устройство для измерения вибраций,содержащее последовательно соединенные управляемый стабилизатор тока, источник света и осветительный светов од, приемный 40 световод, связанный с фотоприемником,блок дифференцировани и регистратор,вход которого подключен ко второму входу блока дифференцирования, согласно иэобретению, снабжено последовательно соепомощью интегратора 10. Сигнал интегратора 10 является управляющим для управляемого стабилизатора 1 тока, с помощью которого изменяют величину мощности источника 2 света. Величина Я 2 ср поддерживается таким образом неизменной. С помощью фильтра 15 высоких частот выделяют переменную составляющую Я 1- Я 1. по которой судят о виброперемещениях контролируемой поверхности. 4 ил. 1 з.п, ф-лы. диненными вторым приемным световодом, вторым фотоприемником, блоком сложения и интегратором, выход которого подключен к входу управляемого стабилизатора тока, источником опорного напряжения, подключенным к второму входу блока сложения, нуль-органом и компаратором; подключенным к первому выходу блока дифференцирования, блоком световой индикации, подключенным к выходу компаратора, и блоком. вычитания, вход которого подключен к входу блока дифференцирования, причем выход первого фотоприемника подключен к первому входу блока вычитания и к третьему входу блока сложения, выход второго Фотоприемника подключен также ко второму входу блока-вычитания, а торцы приемных световодов неравноудалены от контролируемой поверхности.На Фиг, 1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит последовательно соединенные управляемый стабилизатор 1 тока, источник 2 света и осветительный световод 3, Устройство содержит также первый и второй приемные световоды 4 и 5, неравноудаленнце от контролируемой поверхности 6 и связанные соответственно с ними первый и второй фотоприемники 7 и 8, Устройство содержит также последовательно соединенные блок 9 сложения, первый вход которого подключен к выходу фотоприемника 8, и интегратор 10, последовательно соединенные блок 11 вычитания, блок 12 дифференцирования, компаратор 13, подключенный к первому выходу блока 12 дифференцирования, и блок 14 световой индикации. Блок 12 дифференцирования содержит фильтр 15 верхних частот и фильтр 16 нижних частот. Входы фильтров 15 и 16 соединены вместе и образуют вход блока дифференцирования. Выход фильтра 16 нижних частот является первым выходом блока 12 дифференцирования, к которому также подключен нуль-орган 17. Выход1798632 и, как следует из фиг. 4, на которой изображена зависимость Я 1(2), при Е70 величина Я 1О, а при ЕЕо Я 1О, где Ео - абсцисса точки пересечения зависимостей 01(Л) и 02(Е).Измерение виброперемещений производят при установочном зазоре Е = Ео, для чего при Я 10 зазор увеличивают, а при Я 1О зазор уменьшают до получения равенства 10 Я 1 ср = О, (2) ГДЕ Я 1 ср - ПОСтОЯННаЯ СОСтаВЛЯЮЩаЯ СИГНала Я 1. Сигнал Я 1 можно получить в статике, не изменяя зазор, а знак сигнала Я 1 позволяет судить о направлении изменения Е. При изменении мощности Р источника света или при изменении коэффициента К отражения света от поверхности происходит одинаковое "растяжение" или "сжатие" зависимостей 02(2) и 01(Л) вдоль оси ОО на фиг. 2, но при этом абсцисса точки пересечения этих двух зависимостей не изменится. Таким образом, на точность установки величины зазора Ео не влияет изменение величин РиК.При вибрации (отклонении Е от Ео) величины Ог и 01 получают приращения, разные по знаку, то есть величина Я 1 модулируется, однако постоянные составляющие величины 02, 01 и Я 1 ср не изменяются, поэтому выбирают установочный зазор из условия (1), что позволяет устанавливать и контролировать величину зазора и при вибрирующем изделии,Под действием дестабилизирующих факторов (изменение КПД источника света при изменении температуры или старении, запыление отражающей свет поверхности) могут изменяться величины Р и К, что вызовет, как отмечалось выше, одинаковое "скатие" или "растяжение" зависимостей 02(2) и 01 Д по оси 00, Считая фотоприемники линейными устройствами, влияние Р и К на величины 02 и 01 можно выразить в виде 20 25 где цу), ц;ц - функции, описывающие характер зависимости 01 и 02 от Е.ЧувствительнОсть Я 1 к вибрации (наклон Я 1(Е) на фиг. 4) с учетом(3), (4) и (1) равна дЯ 1 д 2 дЕ дКр 2) д 1 2 Я 1= 02- 01 фильтра 15 верхних частот является вторым выходом блока дифференцирования. к которому подключен регистратор 18, В устройстве имеется также источник 19 опорного напряжения, подключенный ко второму входу блока 9 сложения, к третьему входу которого подключен фотоприемник 7. Первый и второй входы блока 11 вычитания подключены к фотоприемнику 7 и 8 соответственно, а.выход интегратора 10 соединен с входом управляемого стабилизатора 1 тока,Способ осуществляется следующим образом,Осветительный, первый и второй приемный световоды 3, 4 и 5 соответственно располагаются вблизи от контролируемой поверхности 6. Для определенности возьмем случай, когда второй приемный световод 5 расположен ближе к контролируемой поверхности 6, чем первый световод 4 и осветительный световод 3, расположенные на одном расстоянии от поверхности 6, что соответствует ситуации, изображенной на фиг. 1, Для увеличения поперечного сечения световодов они могут выполняться в виде пакетов световодов. С помощью осветительного световода 3 и источника света 2 освещают контролируемую поверхность 6. Отраженный свет попадает в первый и второй световоды (соответственно лучи и на фиг, 1), что приводит к появлению сигналов 01 и 02 на выходах первого и второго фотоприемников 7 и 8 соответственно, которые пропорциональны Е 1 и Е 2 При изменении величины зазора 7 величина 01 изменяется в соответствии с известной Щ зависимостью 01(2), изображенной на фиг. 1 (пунктиром обозначен недоступный из-эа наличия второго выступающегО приемного световода участок зависимости). При малых значениях Е (см. фиг. 3) сигнал 02 будет меньше 01, так как второй приемный световод будет находиться в "собственной тени" При дальнейшем увеличении Е величина 02 будет увеличиваться, а в дальнейшем превысит 01, так как второй световод расположен ближе к отражающей поверхности. Соответствующая зависимость 02(Е) также изображена на фиг. 2, В целом зависимость 02(Е) будет сдвинута относительно 01 Д в еторону больших значений Е, аналогично тому, как это осуществлялось в 1), только в описываемом способе это смещение достигается путем перемещения второгр приемного световода 5 в направлении, перпендикулярном к контролируемой поверхности 6,ИСпОльэуя вЕличины 01 и 02, фОрмируют сигнал 30 35 40 45 50 55 О= 1 Д Р К, (3) Ог = йг(Е) Р К. (4)(8) 30 4045 и будет зависеть от Р и К.Для исключения влияния Р и К на велид.1чину - формируем сигнал 32 в виде:ал и, изменяя величину Р, добиваемся, чтобыпостоянная составляющая величины 32-32 ср была неизменна, т.е. 32 ср СОПЗ 1 (7) При этом с учетом (6), (3) и (4) получим32 ср = (02401)р =ЯЕ)+ 12(Е)1 р Р К сопзт,где Ще) + х 2(е)3 ср - среднее значение величины т 1(2) + т 2(е).Так как величина 11 Д + 12(7)1 ср пРи неизменном установочном зазоре есть величина постоянная, то, изменяя Р дополучения равенства (8), мы тем самым стабилизируем величину Р К(Р К= сопзт),т,е. поддерживаем постоянной чувствительность 81 к вибрации (см. (5, таким образом,выполняя условия (2) и (7), мы тем самымобеспечиваем измерение вибрации при постоянном зазоре и стабилизируем чувствительность способа к вибрации. Послеописанных выше операций измеряют вибрацию, для чего из сигнала 31 выделяют. переменную состзвля ощую 31 , по амплитуде которой судят о величине колебанийконтролируемой поверхности,Если первый приемный световод 4 будет расположен ближе к контролируемойповерхности, чем второй приемный световод 5, то при 2Ъ величина ЬО, а при ЕЕо 51 .О, в остальном функционированиеспособа не йзменится.Устройство, реализующее способ, работает следующим образом. цветоводы 3, 4 и5 размещаются в непосредственной близости от контролируемой поверхности 6, которая освещается источником света 2 через.световод 3, Отраженный свет через световоды 4 и 5 попадает в фотоприемники 7 и 8соответственно, При этом на выходах фотоприемников 7 и 8 формируются сигналы 01и 02 сбответственно, зависимость которых. от Е будет различна и иметь вид, как этообъяснялось выше, изображенный на фиг. 2Иа выходе блока 11 вычитания формируетсясигнзл 51 02- 01, поступающий на входблока 12 дифференцирования, который каки в прототипе (41, имеет два выхода и содержит фильтр 15 верхних частот (ФКЧ 15) и фильтр 16 нижних частот (ФВЧ 16). Таким образом, из сигнала 51 выделяется переменная составляющая - 31(на выходеФВЧ 15) и постоянная составляющая 31 ср нз5 выходе ФКЧ 16, которая поступает на нульорган 17 (стрелочный индикатор с нулевой отметкой посередине шкалы) и компаратор 13, Оператор, наблюдая показания нуль-органа 17, изменяет 7 в нужную сторону (см,способ). Компарзтор 13 выполнен по схеме двухпорогового компаратора, разность между уровнями срабатывания которого определяется необходимой точностью выполнения равенства 51 ср = О, При выполнении равенства 51 ср = 0 зз счет изменения Е срабатывает компзратор 13 и включается блок 14 световой индикации (нзпример, светодиод зеленого свечения), Таким образом, оператор, изменяя 7 (о необходимом нзправлении оператор судит по блоку 17),добивается загорания блока 14 световойиндикации, что свидетельствует об установке нужного зазора. Выбирая пороги срабатывания компараторз 13 достаточно мало отличающимися от нуля, можно добиться выполнения равенства Я 1 ср = 0 с необходимой точностью. В дальнейшем изменяют зазор только в том случае, если блок 14 перестанет светиться. Чувствительность устройства к вибрзции поддерживается постоянной следующим образом, Нз входы блока 9 сложения поступают сигналы 01 и 02 с фотоприемников 7 и 8, а с выхода источника 19 опорного напряжения поступает нз вход блока 19 сложенил сигнал Ооп, причем полярность сигнала Оол выбирают противоположной полярности слгнзлов 01 и 02. На выходе блокз 9 сложения формируется сигнал 01 ++ О 2+ Ооп, который поступает на вход интегратора 10. Нз выходе интегратора 10 сигнал будет изменяться, и ри этом будет изменяться ток питания источника 2 света, который задается управляемым источником 1 тока. За счет изменения мощности источника 2 света изменяются пропорционально величины 01 и 02, Мощность источника света будет меняться до тех пор, пока на входе интегратора 0 не установится нулевой сигнал, т.е. 01 + 02 + Ооп = О. Так как сам интегратор 10 обладает большей инерционностью, то бн будет сглаживать пульсации величин 01 и 02, поэтому при установившемся токе через источник 2 света будет выполнлтьсЯ Равенство (01+ 02)ср+ Ооп = О, т.е, Я 2 ср = -Ооп = сопзт, поэтомУ. Условие (7) будет выполняться, тем самым в устройстве поддерживается постоянной чувствительность к вибрации,10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Таким образом, после установки оператором нужного зазора и спустя время, определяемое инерционностью интегратора 10,устройство полностью работоспособно, а навход регистратора 18 поступает переменная составляющая сигнала Я 1- Я 1, амплитуда которой строго пропорциональнаамплитуде колебаний поверхности 6.В качестве фотоприемников 7 и 8 могутбыть использованы устройства, описанныев (5, схемы других блоков описаны, например, в 6). В качестве регистратора 18 можетбыть использован вольтметр (данные о вибрации не запоминаются), магнитофон илисамописец,Для получения максимально высокихметрологических характеристик, в том числе высокой линейности, конструктивныеразмеры и величину Л 2 следует выбиратьтаким образом, чтобы точка пересечения зависимостей 12(Е) и б(Е) находилась на линейных участках этих зависимостей; иабсолютные величины наклоноваЯ 1 аибыли равны. Последнее условие удобно выполнять, изменяя коэффициентыпреобразования фотоприемников 7 и 8,Величину Ооп следует выбирать такимобразом, чтобы при установленном зазореи номинальном коэффициенте отражения отповерхности 6 величина тока через источник 2 света составляла 50-80 оь от максимально допустимой, Желательно предусмотретьограничение максимального тока, отдаваемогоблоком 1 в источник 2 света, что исключит случайное выгорание источника 2 света,Сдвиг зависимостей 1 г(Е) и Р 1(Е) относительно друг друга можнО реализовать аналогично Я или путем задания величины ЛЕ.Точная установка нужного зазора (причемвозможна установка зазора при вибрирующей контролируемой поверхности), контроль величины установочного зазоранепосредственно при измерении вибрации,увеличение чувствительности способа квибрации (вибрацию "чувствуют" оба фотоприемника по сравнению с (3, в которомодин иэ фотоприемников не "чувствует"вибрацию) приводит к увеличению точностиизмерения вибрации, Кроме этого, сниженослияние фоновой засветки фотоприемников. на точность установки зазора, так как в процессе формирования сигнала Я, по которому устанавливают зазор, происходитвычитание сигналов, наводимых фоновойзасветкой,Данный способ позволяет легко автоматизировать установку нужного зазора приавтоматизации виброизмерений, так, наличие четкой зависимости Я 1 от зазора (при ЕСУо Я 1О, при 2Ео Яг0) позволяет испольэовать автоматические устройства (на основе электронных регуляторов и электромагнита) для установки и поддерживания нужной величины установочного зазора.Формула изобретения 1. Способ измерения вибраций, эаключающийся в том, что через осветительныйсветовод освещают контролируемую поверхности, принимают отраженный от контролируемой поверхности световой поток двумя приемными световодами, неравноудаленными от контролируемой поверхности, измеряют мощности Е 1 и Е 2 отраженного светового потока соответственно на выходах . первого и второго приемных световодов, определяют вибрацию контролируемой поверхности, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюувеличения точности измерения, путем контроля расстояния между световодами и контролируемой поверхностью, определяют сигнал Я 1, равный разности величин Ег и Е 1,выделяют постоянную составляющую Я 1 срсигнала Я 2, определяют знак постоянной составляющей Я 1,р, с учетом знака Я 1 ср итерационно изменяют расстояние между световодами и контролируемой поверхности до выполнения условия Яср = О, определяют сумму Я 2 величин Ег и Е 1, выделяют постоянную составляющую Яагер сигнала Я 2, итерационно изменяат мощность падающего на контролируемую поверхность света до вьполнения условия Я 2 ср = сопз 1, выделяют переменную составляющую Я 1 сигнала Я 1, по которой судят о вибрации контролируемой поверхности.2. Устройство для измерения вибраций, содержащее последовательно соединенныеуправляемый стабилизатор тока, источник света и осветительный световод, приемный световод, связанный с фотоприемником, блок дифференцирования и регистратор, вход которого подключен к второму выходублока дифференцирования, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью увеличения точности измерения и контроля расстояния между световодами и контролируемой поверхностью непосредственно в процессе измерения, оно снабжено последовательно соединенными вторым приемным световодом, вторым фотоприемником, блоком сложения и интегратором. выход которого подключен к входу управляемого стабилизатора тока, источником опорного напряжения, подключенным к второму входу блока сложения, нуль-органом и компаратором, подключенным к первому выходу блока дифференцирования, блоком световой индика12 1798632 Составитель НЯимановэТехред М.Моргентал Корректор Т.Вашкови дактор Тираж Подписное Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5акаэ 76 ВНИИ Прои здательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина дств ции, подключенным к выходу компаратора, и блоком вычитания, выход которого подключен к входу блока дифференцирования, причем выход первого фотоприемника подключен к первому входу блока вычитания и к третьему входу блока сложения, выход вторбго фотоприемника подключен такжЕ к второму входу блока вычитания, а торцы приемных световодов неравноудалены от конт ролируемой поверхности.