УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при вибрационных испытаниях механических и строительных конструкций, а также в системах защиты от несанкционированного доступа на охраняемые объекты.
Известно устройство для измерения вибрационных параметров, содержащее светонепроницаемый экран, закрепленный на контролируемом объекте, который проходит в зазоре между неподвижными источниками светового потока и двумя фотодатчиками, перекрывая световой поток, формирователи импульсов, подключенные к выходам фотодатчиков, и микроЭВМ для обработки данных о вибрационных параметрах объекта [Наумов В.П. Устройство для измерения виброперемещений. Патент РФ №2087876, МПК G01H 9/00 от 20.08.1997].
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения амплитудно-временных параметров вибрационных колебаний, которая ограничивается погрешностью формирователей импульсов, имеющих, как правило, определенный порог срабатывания и зону гистерезиса, а также напряжением смещения и температурной нестабильностью характеристик аналоговых функциональных узлов (интегратора и порогового устройства), применяемых для обработки данных. Кроме того, для установки и перемещения экранирующей пластины применен электромеханический зубчато-реечный механизм, который характеризуется люфтом (зоной нечувствительности), ограничивающим точность измерения вибрационных параметров.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для измерения вибрационных параметров, содержащее экранирующую пластину с двумя отверстиями, установленную между лазерным и оптическим блоками, и блок обработки данных [Сокол Г.И. Устройство для измерения колебательной скорости вибрирующих тел жесткой
6
поверхностью сложной конфигурации. Патент РФ, №2025668, МПКG01H 9/00 от 30.12.1994].
Точность измерения вибрационных параметров в данном устройстве ограничивается погрешностями блока обработки данных, реализующего преобразование механических колебаний в электрические сигналы и кодирование мгновенных значений этих сигналов для их последующего накопления и обработки полученных данных в компьютерной системе. При этом на точность выделения амплитудных и частотных параметров оказывают влияние не только статические погрешности аналого-цифровых преобразователей (ступень квантования, нелинейность и напряжение начального смещения), но и их динамические погрешности, обусловленные скоростью изменения вибрационных колебаний и ограниченным быстродействием АЦП. При этом для выделения информативных параметров вибрации требуется реализовать сложные алгоритмы обработки полученных данных, что приводит к понижению производительности контроля вибрации в производственных условиях.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение точности и уменьшение времени измерения вибрационных параметров за счет амплитудно-временного преобразования механических колебаний.
Для достижения этого технического результата в устройство для измерения параметров вибрационных колебаний, содержащее неподвижные лазерный и оптический блоки, между которыми установлена экранирующая пластина с двумя отверстиями, и блок обработки данных, дополнительно введена цилиндрическая стеклянная призма, установленная между лазерным блоком и экранирующей пластиной. Экранирующая пластина закрепляется на контролируемом объекте, а отверстия в ней делаются прямоугольной формы и располагаются на заданном расстоянии друг от друга, превышающем ширину полоски лазерного света, которую получают при пропускании луча от лазерного блока через цилиндрическую стеклянную призму и направляют между отверстиями экранирующей пластины. В оптическом блоке
применены два параллельно включенных фотодиода, светочувствительные площадки которых размещены напротив прямоугольных отверстий экранирующей пластины. Данные фотодиоды подключены к входу формирователя импульсов, собранного на операционном усилителе с комбинированной обратной связью, выход которого подключен к блоку обработки данных. В блоке обработки данных используются два цифровых счетчика импульсов, один из которых срабатывает по фронту, а второй - по срезу выходных импульсов формирователя. Выходы обоих цифровых счетчиков подключены к двум входам микропроцессора, один из выходов которого подключен к входам установки нуля обоих цифровых счетчиков импульсов. Выходом устройства являются выходы микропроцессора, которые можно использовать для вывода результатов измерений на цифровой индикатор или на ПЭВМ.
На фиг.1 показана схема конструкции устройства, на фиг.2 приведена схема оптического блока и блока обработки данных, а на фиг.3 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
В составе устройства используются неподвижно закрепленные лазерный блок 1 и цилиндрическая стеклянная призма 2, которая формирует из лазерного луча узкую горизонтальную полосу света, направленную между двумя прямоугольными отверстиями экранирующей пластины 3. Нижняя часть экранирующей пластины 3 выполнена в виде уголка для крепления на контролируемом объекте, что позволяет измерять уровень вибрации в вертикальном направлении. За экранирующей пластиной 3 установлен неподвижно корпус 4 оптического блока обработки данных. На входах оптического блока 4 установлены два фотодиода 5 и 6, светочувствительные площадки которых конструктивно размещены напротив прямоугольных отверстий экранирующей пластины, площадь каждой из которых меньше площади светочувствительного окна фотодиода. Расстояние h между прямоугольными отверстиями экранирующей пластины выбрано шире полосы лазерного света, чтобы не освещать фотодиоды оптического блока 4 в исходном состоянии.
В схеме оптического блока 4 (фиг.2) фотодиоды 5 и 6 включены между входами операционного усилителя 7, к неинвертирующему входу которого подключен резистор 8. В цепи отрицательной обратной связи усилителя 7 включен резистор 9, а в цепи положительной обратной связи - конденсатор 10 и резистор 11. Выход усилителя 7 соединен со счетными С-входами цифровых счетчиков 12, 13 и подключен к одному входу микропроцессора 14. Второй и третий входы микропроцессора 14 соединены соответственно с выходами счетчиков 12, 13, а его выход подключен к R-входам установки нуля обоих цифровых счетчиков.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед началом измерения экранирующая пластина закрепляется на контролируемом объекте. Остальные блоки устройства крепятся на неподвижном основании, например на консоли, таким образом, чтобы луч от лазерного блока 1, развернутый в узкую полоску света цилиндрической призмой 2, располагался посередине между прямоугольными отверстиями экранирующей пластины 3 (фиг.1). При этом светочувствительные окна обоих фотодиодов блока 4 размещают напротив прямоугольных отверстий экранирующей пластины с минимальным зазором от нее, чтобы уменьшить влияние внешней фоновой засветки от посторонних источников света.
7
T
8
9
В исходном состоянии полоска лазерного света не попадает на фотодиоды 5, 6, поэтому выходное напряжение U усилителя 7 зависит только от темнового тока I фотодиодов 5, 6 и сопротивлений R≈R резисторов 7, 8:
м
M
ф
При проведении вибрационных испытаний экранирующая пластина 3 вибрирует вместе с контролируемым объектом. Когда амплитуда Н механических колебаний превышает расстояние 0,5h между исходным состоянием лазерной полоски света и прямоугольными отверстиями экранирующей пластинки (H>0,5h), то световая полоска начинает периодически освещать фотодиоды 5, 6, на выходе которых появляются импульсы фототока I.
ф
7
11
8
Получаемые от фотодиодов 5, 6 импульсы фототока I преобразуются в однополярные импульсы напряжения U усилителем 7, который обеспечивает большой коэффициент преобразования за счет положительной обратной связи по переменному току на элементах 10, 11, причем амплитуда этих импульсов зависит от сопротивления R≪R, резистора 11:
8
11
7
ф
T
7
8
9
11
При выборе сопротивлений резисторов 8 и 11 по условию R/R≥100 усилитель 7 (фиг.2) обеспечивается значительное - в K>100 раз - усиление импульсов фототока I по сравнению с темновым током I фотодиодов 5, 6. При этом на выходе усилителя 7 формируются прямоугольные импульсы напряжения U, частота которых вдвое превышает частоту механических колебаний контролируемого объекта (фиг.3). Использование резисторов 8, 9, 11 с относительно небольшими сопротивлениями R, R, R позволяет обеспечить хорошую стабильность характеристик оптического блока в сочетании с его высокой чувствительностью, достигаемой за счет большого усиления импульсов фототока, частота которых вдвое выше частоты вибрации.
7
7
Благодаря прямоугольной форме отверстий в экранирующей пластине 3 ширина сформированных импульсов напряжения U не зависит от амплитуды Нм вибрационных колебаний, не превышающей высоты этих отверстий. Параллельное включение фотодиодов 5 и 6, расположенных ниже и выше начальной полоски лазерного света напротив отверстий экранирующей пластины, позволяет сформировать однополярные импульсы напряжения U на выходе усилителя 7, которые можно непосредственно подавать на цифровые микросхемы для обработки данных. При этом исключаются погрешности, характерные для аналоговых электронных узлов, так как механические колебания в данной схеме сразу преобразуются в импульсную форму.
Для получения информативных данных о параметрах вибрационных колебаний обработка данных выполняется счетчиками импульсов 12, 13 и микропроцессором 14, которые подключены к выходу усилителя 7 (фиг.2).
Процесс обработки данных зависит от вида вибрационных испытаний контролируемых объектов и происходит следующим образом.
7
зд
Прямоугольные импульсы напряжения U от усилителя 7 поступают на счетные входы обоих цифровых счетчиков 12, 13 и на один из входов микропроцессора 14, который разрешает работу счетчиков 12, 13 с некоторой задержкой T≈(0,5...5) с после начала вибрационных испытаний (фиг.3). Такая задержка необходима для устранения влияния переходных процессов и на результаты измерений и установления стабильной частоты вибрации.
14
х1
x2
1
При появлении управляющего сигнала низкого уровня U≈0 на выходе микропроцессора 14 счетчики 12, 13 начинают работать в режиме деления частоты импульсов. При этом счетчик 12 срабатывает по срезу, а счетчик 13 - по фронту выходных импульсов усилителя 7, и при четырехкратном делении частоты fx этих импульсов на выходах счетчиков 12, 13 формируются импульсы с длительностями Т=T, равными одному периоду вибрационных колебаний, которые смещены относительно друг друга на время ΔT.
M
χ
x
x
1
1
2
0
ΔT
0
1
2
м
м
χ
При вибрационных испытаниях электромеханического оборудования, когда амплитуда Нм вибрации не изменяется во времени (H≈const), микропроцессором 14 измеряется частота импульсов f на выходе счетчика 12 за фиксированное время измерения, например, Тизм=1 с., и формируется код N=fTизм, прямо пропорциональный частоте fx вибрации контролируемого объекта. Затем измеряются интервалы времени ΔT, между фронтами ΔT и срезами ΔT выходных импульсов счетчиков 12 и 13 посредством их заполнения высокой частотой f. При этом микропроцессор вычисляет среднее значение интервалов времени N=0,5f(ΔT+ΔT), чтобы исключить погрешность от начального смещения лазерной полоски света относительно середины расстояния между прямоугольными отверстиями экранирующей пластины. Затем микропроцессором 14 производится вычисление амплитуды Н моногармонических вибрационных колебаний H(t)=Нsin(2πft) по формуле, основанной на свойстве синусоидальной функции: при малых фазовых
углах φ ее значение определяется аргументом, выраженном в радианах sin≈φ (при φ≪1):
Для упрощения вычислений известное или заранее измеренное расстояние h=const между прямоугольными отверстиями экранирующей пластины записывается в перепрограммируемую память (ППЗУ) микропроцессора 14. Там же хранятся табличные значения синусоидальной функции, поэтому процесс вычислений сводится к выполнению простых арифметических операций умножения и деления чисел. Это позволяет существенно упростить обработку данных и применять простейший микропроцессор 14.
X1
X2
T1
X1
0
T2
X2
0
T
T1
T2
X
T
T1
T2
M
При контроле параметров низкочастотных вибрационных колебаний процесс цифрового измерения частоты реализуется микропроцессором 14 по следующему алгоритму. Сначала выполняется цифровое измерение длительностей импульсов T,T на выходах счетчиков 12, 13 и запоминаются коды N=Tf,N=Tfзатем вычисляется их среднее значение для компенсации начального смещения полоски лазерного света N=0,5(N+N) a частота колебаний вычисляется по формуле N=1/N=2/(N+N). Затем рассчитывается амплитуда колебаний H м по ранее приведенной формуле.
M
доп
При использовании предлагаемого устройства для допускового контроля уровня вибрации расстояние h между прямоугольными отверстиями экранирующей пластины выбирается по допустимой амплитуде вибрационных колебаний контролируемого оборудования. В этом случае процесс контроля сводится к простой операции выделения микропроцессором 14 импульсов, которые появляются на выходе усилителя 7 только в случае, если амплитуда вибрации превышает допустимый уровень (H>H=0,5h), а цифровое измерение частоты колебаний на производится.
Повышение точности измерения параметров вибрационных колебаний достигается в предложенном устройстве за счет амплитудно-временного преобразования колебаний, реализуемого применением прямоугольных отверстий
в экранирующей пластине, расположенных на фиксированном расстоянии h=const между ними. Использование этого конструкторского приема и введение дополнительной цепи положительной обратной связи в преобразователе фототока в напряжение позволяет резко ослабить влияние статических погрешностей усилителя 7 на точность преобразования.
Уменьшение времени измерения параметров вибрационных колебаний для повышения производительности вибрационного контроля обеспечивается в данном устройстве за счет замены процесса измерения частоты цифровым измерением длительности периода колебаний. Это позволяет даже при контроле параметров низкочастотной вибрации уменьшить длительность цикла измерения до одной-двух секунд при одновременном обеспечении минимальной погрешности дискретности цифровой части устройства.
Дополнительным преимуществом предлагаемой полезной модели является возможность ее применения в системах контроля от несанкционированного доступа на охраняемые объекты. При этом используется лазерный блок с инфракрасным излучением, а контроль реализуется по превышению амплитуды вибрации пола в помещениях относительно заданного уровня h/2.
BX
п
При экспериментальном исследовании полезной модели в схеме оптического блока применялись фотодиоды типа ФД7К, в качестве усилителя 7 -микросхема микромощного усилителя типа КР140УД12, входные токи которой составляют менее I≤5 нА при токе потребления I≈15 мкА. Два цифровых счетчика 12, 13 реализованы на одной микросхеме К561ИЕ10, а в качестве микропроцессора применена микросхема AT89S8253 фирмы Atmel.
ПИТ
Дополнительным достоинством предложенной полезной модели является минимальная конструктивная сложность устройства, содержащего всего 5 микросхем, включая стабилизатор напряжения питания U=5 В, и небольшая мощность потребления, так как средний ток, потребляемый КМОП микросхемами 12-14 и усилителем 7, не превышает 3 мА.