СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИЙ
METHOD FOR MEASURING VIBRATIONS

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим способам измерения параметров вибраций, и может быть использовано для контроля работоспособности узлов и модулей радиоэлектронной аппаратуры.
Известен способ измерения параметров вибраций (патент 2097710 РФ, МПК G01H 1/08. Способ исследования колебаний. / Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Вагарин В.А. - №94029365/28; заявл. 05.08.1994; опубл. 27.11.1997), заключающийся в том, что на вибрирующий объект направляют лазерное излучение и принимают отраженный сигнал. Зондирующий и отраженный сигналы суммируют, полученный результирующий световой сигнал преобразуют в электрический и регистрируют спектр этого сигнала. По полученному спектру сигнала судят об амплитудах вибрации объекта. К недостаткам этого способа следует отнести сложность, громоздкость и высокую 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, не определяется направление вибраций.
Известен способ измерения параметров вибраций (патент 2061242 РФ, МПК G01P 15/08, G01H 1/00. Трехкомпонентный пьезоэлектрический виброакселерометр с одним чувствительным элементом / Кобяков И.Б. - №94019569/28; заявл. 27.05.1994; опубл. 27.05.1996), заключающийся в том, что на вибрирующем объекте устанавливается пьезоэлектрический трехкомпонентный датчик виброускорений, содержащий один чувствительный элемент. К недостаткам этого способа следует отнести то, что контактный пьезочувствительный вибродатчик является источником погрешности измерений, если его масса и габариты сравнимы с соответствующими показателями вибрирующего объекта. Если, например, требуется измерить амплитуды и направления вибраций узла радиоэлектронной аппаратуры, смонтированного на печатной плате, то погрешность, вносимая изделиями пьезокерамики в форме прямоугольных параллелепипедов с квадратным основанием около 10 мм и высотой, сравнимой с размерами основания, будет весьма существенной. К тому же в узлах печатного монтажа, как правило, требуется измерять вибрации одновременно во многих точках этих узлов. Установка большого числа вибродатчиков с громоздким навесным монтажом может увеличить вносимую погрешность до неприемлемых величин.
Известен способ измерения параметров вибраций (патент 2395792 РФ, МПК G01H 9/00. Способ измерения параметров вибрации объекта / Пронин С.Л., Зрюмов Е.А., Юденков А.В. - №2009125845/28; заявл. 06.07.2009; опубл. 27.07.2010), заключающийся в том, что на вибрирующем объекте закрепляют трафарет с нанесенными на него группами параллельных штрихов различной ширины, имеющих общую ось симметрии, с расстоянием между штрихами в группе, равным удвоенной ширине штриха. С помощью видеокамеры формируют на экране монитора компьютера изображение трафарета с вибрационным размытием и фиксацией соответствующей частоты кадровой развертки видеокамеры, равной частоте вибрации объекта. После этого регистрируют в неподвижном изображении трафарета нулевой контраст в группе наиболее широких штрихов. По ширине штриха в этой группе судят о размахе виброперемещения объекта и, следовательно, о модуле вектора амплитуды виброперемещения этого объекта. К недостаткам этого способа следует отнести то, что измерения возможны только в том случае, если направление вектора амплитуды виброперемещения объекта перпендикулярно оси симметрии штрихов. Если это условие не выполняется, то нулевой контраст в группе штрихов не несет информации о размахе вибрации. Количество групп штрихов на трафарете должно быть равно требуемому коэффициенту перекрытия по динамическому диапазону вибраций. Поэтому, с повышением требований к точности измерений усложняется трафарет, растут его масса и габаритные размеры. А это, в свою очередь, снижает точность измерений. Необходимость подбора частоты развертки для получения неподвижного изображения затрудняет автоматизацию, а участие в процессе измерений человека увеличивает трудоемкость измерений, ограничивает область применения техники и вносит субъективную погрешность в результаты измерений.
Известен способ измерения параметров вибраций (патент 2535237 РФ, МПК G01H 9/00. Способ измерения вибраций / Држевецкий А.Л. и др. - №2013128327/27; заявл. 20.08.2013; опубл. 10.12.2014), заключающийся в том, что для бесконтактного трехкоординатного измерения амплитуды вибраций в выбранных местах конструкции наносятся системы светоотражающих меток круглой формы. Формируют бинарные изображения меток и следов их вибрационного размытия. Величина и направление векторов вибрации достигается путем наложения на изображение следов дополнительных измерительных систем, представляющих системы концентрических колец с равным шагом, центр тяжести которых совмещен с центром тяжести каждого следа, а их число равно числу следов. Недостатком способа является необходимость формирования матрицы концентрических колец, что усложняет метод, а дискретная система концентрических колец уменьшает точность измерения величины векторов вибраций в трех измерениях. Точность измерения также уменьшается за счет того, что не учитывается модуляция ширины следов.
Наиболее близким по технической сущности является способ бесконтактного трехкоординатного измерения амплитуды вибраций (патент 2535522 РФ, МПК G01H 9/00. Способ измерения вибраций / Држевецкий А.Л. и др. - №2013128329/28; заявл. 20.06.2013; опубл. 10.12.2014), заключающийся в том, что на исследуемый объект в качестве тест-объекта наносят светоотражающие метки круглой формы. Формируют бинарные изображения этих меток и следов их вибрационного размытия. При отсутствии вибрации определяют координаты центра тяжести каждой метки, ее радиус. Формируют дополнительную матрицу, каждый фрагмент которой представляет собой соответствующий след вибрационного размытия метки, повернутый на 90° относительно центра тяжести метки. Угловое положение следов, расстояние от центра тяжести следов до границы соответствующих следов вибрационного размытия меток и ширины тех же следов определяется путем ряда операций, проводимых с элементами основной и дополнительной матрицы. Длина вектора вибрации в плоскости вибрационного размытия пропорциональна разнице между расстоянием от центра тяжести следа до границы следа и половиной его ширины, а длина вектора вибраций в перпендикулярном к этой плоскости направлении пропорциональна разнице между половиной ширины следа и радиусом меток, вычисленных один раз при отсутствии вибраций. Недостатком способа является необходимость формирования дополнительной матрицы следов меток, повернутых относительно их центров тяжести на 90° и последующих операций, что приводит к усложнению способа и увеличению времени анализа. Кроме того, ограничена точность способа, так как не учитывается дополнительная модуляция ширины следов за счет разности фаз колебаний в плоскости вибрационного размытия и в перпендикулярном к этой плоскости направлении. Дополнительная модуляция ширины следов, то есть изменение ширины следов по его длине в перпендикулярных плоскостях.
Техническим результатом предлагаемого способа измерения вибраций является упрощение и повышение точности измерения характеристик вибраций контролируемого объекта при бесконтактном трехкоординатном измерении модулей и направлений векторов амплитуды виброперемещения нескольких выбранных точек исследуемого объекта одновременно. За счет выделения из матрицы граничных элементов и записи координат граничных элементов в виде массивов чисел, в результате анализа которых определяются координаты характерных точек следов, находящихся на максимальном и минимальном расстояниях от центров тяжести меток, а также на максимальном расстоянии от линии, соединяющей центр тяжести меток и точку с максимальным удалением от центра тяжести меток. На основании координат характерных точек следов определяются направление и амплитуды вибраций как в плоскости вибрационного размытия, так и в перпендикулярном к этой плоскости направлении с учетом радиуса метки, определенного при отсутствии вибрации.
Предлагаемый способ измерения вибраций основывается на том, что на исследуемый объект в качестве тест-объекта наносят в требуемых местах светоотражающие метки в виде точек круглой формы. Формируют бинарное изображение этих меток. При отсутствии вибрации по этому изображению определяются координаты их центров тяжести, площади и по этим площадям вычисляют радиусы меток. При наличии вибрации происходит модуляция местоположения меток в направлении действия вибраций в плоскости изображения, а также в перпендикулярном к этой плоскости направлении. В результате формируется изображение следов вибрационного размытия меток. Степень модуляции меток по их длине и по ширине зависит от отношения амплитуд колебаний в перпендикулярных плоскостях, а также от их фазовых соотношений, что влияет на форму следов. Это проявляется в том, что ширина следов в различных сечениях будет не постоянной, а будет принимать максимальные и минимальные значения. Влияние модуляции ширины следов особенно при больших колебаниях в перпендикулярных плоскостях приводит к погрешностям определения вибраций.
Плоское изображение следа вибрационного размытия метки несет полную информацию о проекциях вектора амплитуды виброперемещения этой метки на координатные оси в трехмерном пространстве, то есть о величине и направлении этого вектора.
Если принять, что в декартовой системе координат плоскость изображения «X0Y», а ось Z перпендикулярна плоскости изображения, то модуль вектора амплитуды виброперемещения метки
где k - порядковый номер метки;
k
A - модуль вектора амплитуды виброперемещения «k»-й метки;
- проекция вектора амплитуды виброперемещения «k»-й метки на направление, перепендикулярное плоскости изображения;
- проекция вектора амплитуды виброперемещения «k»-й метки на плоскость изображения.
Для определения векторов вибраций в декартовой системе координат определяются характерные параметры следов. Такими параметрами являются половины длины следа и его угловое положение, половина ширины следа в его середине, половина максимальной ширины следа. Проекция вектора амплитуды виброперемещения на направление, перпендикулярное плоскости изображения, пропорциональна разнице между максимальной шириной и следа и радиусом метки, определенной при отсутствии вибраций.
Проекция вектора амплитуды виброперемещения на плоскость изображения пропорциональна разнице между половиной длины следа и половиной корректирующей ширины следа. Ориентация следа в направлении его длины определяет угловое положение проекции вектора амплитуды виброперемещения на плоскости изображения. Для упрощения определения характерных параметров следов для каждого следа записываются массивы чисел, соответствующие координатам их граничных элементов. Половины длины следа будет соответствовать максимальному расстоянию от граничных элементов следов до их центров тяжести, а прямая, проходящая через точку контура с координатами, соответствующими максимальному расстоянию до центра тяжести, и точку с координатами центров тяжести следов, определяет угловое положение проекции вектора амплитуды виброперемещения на плоскости изображения, а максимальное расстояние контурных точек до этой прямой соответствует половине максимальной ширины следа. Половина ширины следов в их середине соответствует минимальному расстоянию от граничных элементов следов до их центров тяжести. Координаты граничных точек для характерных параметров следов также фиксируются и могут в дальнейшем использоваться.
k
k
k
Предлагаемый способ позволяет по следам вибраций выделить длину и угловое положение вектора в плоскости вибрационного размытия и в перпендикулярном к этой плоскости направлению. Процесс выделения составляющих вектора вибраций по его следам можно разделить на несколько этапов. Первым из них является формирование изображения следов вибрационного размытия меток. Из всего многообразия считывающих устройств наиболее распространены устройства телевизионного типа с применением приборов с зарядовой связью, на мишени которых величина накопленного заряда пропорциональна освещенности ячейки матрицы мишени и времени воздействия света на эту ячейку. Таким образом, уже на мишени считывающего устройства за время накопления заряда, равное примерно периоду повторения считывания кадров, формируется весь след или его часть. Вполне очевидно, что весь след при частоте вибраций менее частоты считывания кадров на мишени считывающего устройства зафиксировать не возможно. Поэтому полностью след от вибраций, в этом случае, следует записывать в течение нескольких кадров и сохранять на время, необходимое для дальнейшей обработки в виде матрицы следов в матричном запоминающем устройстве, размер матрицы которого совпадает с размером матрицы считывающего устройства. Для примера: При частоте вибраций 1 Гц и при частоте кадров 50 Гц требуется накапливать заряд в течение времени более чем 1 сек, то есть в течении 50 кадров. При частоте вибраций более 50 Гц требуется один кадр считывания. Запись в матричное запоминающее устройство производится после преобразования сигнала с выхода считывающих устройств в бинарный. Перед записью матричное запоминающее устройство обнуляется, и в виде логических единиц записывается только тот сигнал, уровень которого превосходит наперед заданное значение. Поэтому уровень логической «1», соответствующий элементу следа при последующем обращении к той же ячейке подтверждается и сохраняется на время последующей обработки. Вторым этапом является выделение из матрицы следов граничных элементов, координаты которых записываются в виде массивов чисел для каждого следа (,). Размер массива равен числу m граничных элементов для каждого следа (l≤i≤m), где k - номер метки. Для каждой метки при отсутствии вибрации рассчитывается радиус метки (r), например по ее площади, и координаты центров тяжести (,). Затем рассчитываются характерные параметры следов. Половина длины следов соответствует расстоянию от центров тяжести одноименных следов до граничных элементов, максимально удаленных от этих центров, и определяется на основании известного соотношения
k
где L - длина следов.
h
h
При этом запоминаются координаты граничных элементов следов (x,y), которые удовлетворяют соотношению (1).
Половина ширины следов в их центральной области соответствует расстоянию от их центров тяжести до граничных элементов следов, минимально удаленных от этих центров, и определяется на основании соотношения
k
где h - ширина следов в их центральной области.
h
h
При этом координаты граничных элементов (x,y) также запоминаются.
Направление вибраций в плоскости изображения следов меток совпадает с прямой, проходящей через центры тяжести следов и максимально удаленные граничные элементы одноименных следов, и определяется соотношением
k
где φ - угловое положение вибраций в плоскости изображения следов меток.
Для определения максимальной ширины следов вначале записывается уравнение прямых в канонической форме, проходящих через центры тяжести следов и максимально удаленные от них точки, а затем для каждого следа определяется максимальное расстояние от граничных элементов следов до этой прямой (см. М.Я. Выгодский «Справочник по высшей математике». Государственное издательство математической литература. Москва. 1958 г, стр. 42).
k
где δ - максимальная величина ширины следов,
k
k
k
A, B, C - параметры прямой, удовлетворяющие прямой, проходящей через точки с координатами (, и ,), и которые равны
Проекция вектора амплитуды виброперемещения «k»-й метки на направление, перпендикулярное плоскости изображения, пропорциональна разнице между максимальным значением половины ширины следов и радиусом меток, определенных при отсутствии вибраций
Проекция вектора амплитуды вибропермещения «k»-й метки на плоскость изображения пропорциональна разнице между половиной длины следов меток и половиной корректирующей ширины следов
В соотношениях (5) и (7)
k
k
R,γ - коэффициенты, определяемые свойствами зеркально-оптической системы и элементами волоконной оптики,
k
β - корректирующее значение ширины следов, определение которого связано с разностью фаз колебаний во взаимно перпендикулярных плоскостях.
k
k
Значение корректирующего значения ширины следов β может быть функционально связано с координатами центров тяжести следов, координатами максимальных значений ширины следов, координатами ширины следов в их середине. Приемлемую точность определения β дает соотношение
k
Конкретная функциональная зависимость β, связанная с погрешностью определения вибраций в плоскости изображения следов меток, имеет различную связь с параметрами следов меток и в заявке не приводится, так как это не влияет на сущность заявляемого способа.
По формуле (1) определяют модуль вектора амплитуды виброперемещения каждой «k»-й метки.