СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДЫ ВИБРАЦИИ
METHOD FOR REMOTE DETERMINATION OF VIBRATION AMPLITUDE

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники.
В настоящее время интенсивно развиваются методы определения амплитуды вибрации, основанные на дистанционном зондировании вибрирующей поверхности в оптическом и СВЧ диапазонах. В их основе лежит зависимость соотношения амплитуд гармоник доплеровского спектра отраженного сигнала от амплитуды вибрации.
Известен способ определения амплитуды вибрации путем дистанционного зондирования в СВЧ диапазоне электромагнитных волн [Пинчук А.Н. Дистанционное определение амплитуды вибрации корпуса судна // Наука и образование. 2014. №6. С.270-278]. Особенность этого, аналога заключается в том, то для определения амплитуды вибрации используется отношение первой и второй гармоник отраженного сигнала. Этим объясняется недостаток аналога: он может быть использован только при определенных условиях: когда среднее расстояние L между локатором и облучаемой поверхностью известно, или расстояние L меняется в течение сеанса измерений таким образом, что значения ϕ фазового сдвига равномерно распределены на интервале (0, 2π). В противном случае точность измерения амплитуды вибрации будет низкой.
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ определения амплитуды вибрации [Запевалов А.С., Пинчук А.Н, Способ дистанционного определения амплитуды вибрации // Патент РФ №2642517. Приоритет 05.04.2016, опубликовано 25.01.2018, Бюл. №3].
Такие признаки прототипа, как облучение вибрирующего объекта когерентным источником излучения, регистрация отраженного сигнала, измерение частоты вибрации, измерение амплитуд гармоник отраженного сигнала в заданной совокупности гармоник, начиная с первой, отбор по полученным значениям амплитуд пары гармоник, вычисление для этой пары отношения амплитуд и использование этого Отношения для расчета амплитуды вибрации, совпадают с существенными признаками заявленного технического решения.
k
k+2
k+2
k
Новыми по отношению к прототипу являются следующие существенные признаки заявленного изобретения: измеряют амплитуды гармоник в такой совокупности гармоник отраженного сигнала, в которой установился монотонный спад амплитуд, определяют, порядок k-ой гармоники, имеющей максимальную амплитуду А, выбирают амплитуду А гармоники порядка k+2 и вычисляют отношение A/A, с использованием которого вычисляют амплитуду вибрации.
Из указанных отличительных существенных признаков, характеризующих заявленное изобретение, в уровне техники не известны такие приемы: в процессе измерений используют такую заданную исследуемую совокупность последовательных гармоник отраженного сигнала, которая включает не только первые четыре гармоники, но и более старшие (более высоких порядков), при этом совокупность гармоник такова, что в ней выявлен стабильно установившийся монотонный спад значений измеренных амплитуд гармоник.
Физическая основа дистанционного определения амплитуды вибрации заключается в следующем. Пусть при вибрации смещения поверхности происходят по гармоническому закону
где t - время;
0
ξ - амплитуда вибрации;
Ω - частота вибрации.
После фазового детектирования отраженный сигнал имеет следующий вид [Пинчук А.Н. Дистанционное определение амплитуды вибрации корпуса судна // Наука и образование. 2014. №6. С. 270-278. DOI: 10.7463/0614.0715325]:
где А - амплитуда сигнала;
- функции Бесселя первого рода порядка n;
m - индекс фазовой модуляции;
ϕ - фазовый сдвиг при отражении от неподвижной поверхности.
Индекс m фазовой модуляции равен
где λ - длина зондирующей волны.
0
0
4
2
3
1
4
2
4
2
3
l
3
l
Из выражений (2) и (3) следует, что амплитуды гармоник сигнала S(t) являются функциями трех параметров: А, ϕ и m. Параметр А зависит от технических характеристик источника и приемника излучения, а также условий проведения измерений, его определение требует проведение дополнительных исследований. Величина параметра ϕ=ϕ-4π L/λ зависит от изменения фазы сигнала при отражении ϕ и от расстояния до вибрирующей поверхности L. В полевых условиях расстояние L, как правило, с точностью лучше длины λ не известно. Чтобы исключить неизвестные величины А и ϕ, при расчетах m в работе используются не абсолютные значения амплитуд гармоник, а отношение амплитуд четных (четвертой и второй) А/А гармоник или отношение амплитуд нечетных А/А (третьей и первой) гармоник. Поскольку A/A=J(m)/J(m) и A/A=J(m)/J(m), то отношения определяются только одним параметром, а именно, индексом фазовой модуляции m.
n
Недостатком прототипа является ограниченный диапазон измерения амплитуд вибрации. Обусловлено это тем, что разным значениям индекса фазовой модуляции m могут соответствовать одни и те же значения отношений амплитуд гармоник. Неоднозначность является следствием того, что входящие в выражение (2) функции Бесселя первого рода являются знакопеременными. Указанные свойства функций J(m) иллюстрирует фиг. 1а), где номер кривой совпадает с порядком функции Бесселя. На фиг. 1б) приведены отношения амплитуд четных (штриховая линия), и нечетных (сплошная линия) гармоник.
1
2
Таким образом, прототип позволяет определять амплитуду вибрации, только когда мы априори знаем, что амплитуда не превышает критических значений, соответствующих первым максимумам отношений амплитуд нечетных m и четных m гармоник (фиг. 1б),
где i=1,2.
В частности, условие (4) выполняется, например, при определении амплитуды вибрации корпуса судна, если зондирование осуществляется в сантиметровом диапазоне длин радиоволн.
В основу изобретения поставлено решение вышеуказанное технической проблемы путем создания способа дистанционного определения амплитуды вибрации, совокупностью существенных признаков которого обеспечивается достижение технического результата - расширение диапазона измеряемых амплитуд вибрации.
max
Физической основой решения данной проблемы является следующее. С ростом индекса фазовой модуляции m, который, согласно (3), определяется отношением амплитуды вибрации и длины зондирующей вибрирующую поверхность волны, появляются гармоники все более высоких порядков. Изменения амплитуд гармоник с ростом индекса фазовой модуляции m показаны на фиг. 2, где белыми кружками обозначены нечетные гармоники, черными - четные. С ростом m максимальные значения амплитуд гармоник смещаются в область больших значений частоты. После достижения максимума происходит монотонный спад амплитуд. Для удобства сравнения графиков, построенных при разных значениях m, значения амплитуд нормировались на максимальное значение амплитуды гармоник A при заданной величине m. Графики, представленные на фиг. 2, получены для случая, когда
Способ осуществляют следующим образом.
!
Для реализации предложенного способа может быть использован когерентный источник радио или оптического монохроматического излучения. С помощью одного из указанных устройств облучают исследуемую поверхность. Принимают отраженный сигнал и осуществляют его фазовое детектирование, после чего измеряют частоту вибрации.
Затем измеряют амплитуды первых четырех гармоник отраженного сигнала, как в прототипе, и далее последовательно - амплитуды гармоник более высоких порядков. Эти измерения продолжают до тех пор, пока исследуемая совокупность гармоник отраженного сигнала не признается достаточной - признаком того, что проанализировано достаточное число гармоник, является установление монотонного спада амплитуд нечетных и четных гармоник, как это показано на фиг. 2.
k
k+2
k+2
k
По результатам измерений амплитуд определяют порядок k-ой гармоники, имеющей максимальную амплитуду А, выбирают амплитуду А гармоники порядка k+2 и вычисляют отношение А/А.
Далее, решая уравнение
0
0
находят наименьший корень m, по которому рассчитывают амплитуду вибрации ξ по выражению
Изобретение создано в рамках государственного задания по теме №0827-2018-0003 «Фундаментальные исследования океанологических процессов, определяющих состояние и эволюцию морской среды под влиянием естественных и антропогенных факторов, на основе методов наблюдения и моделирования».