ЛАЗЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ АМПЛИТУД И ЧАСТОТ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ВИБРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, а более конкретно к конструкции оптических устройств, предназначенных для измерения амплитуд и частот угловых и линейных виброперемещений. Оно может быть использовано при решении задач дистанционной бесконтактной вибродиагностики машин, механизмов, строительных конструкций и сооружений.
Известен оптический измеритель вибраций удаленных объектов, описанный в статье Georgi W., Brümmer F. et al. Optisches Verfahren zur Schwigungsmes-sung an entferter Objekten //"tm", 1993, V.60, №6, p.223-227, реферированной в Экспресс-информации ВИНИТИ «Контрольно-измерительная техника», 1994, №24, с.2-7. В нем чувствительным элементов является телекамера с матричным фоточувствительным прибором с зарядовой связью (ФПЗС), сигнал которой обрабатывается ПЭВМ, а параметры вибрации объектов рассчитываются по коэффициенту корреляции последовательно фиксируемых изображений.
Оптический измеритель работает по изображениям колеблющегося объекта, т.е. в нем полезно используется лишь диффузная компонента отраженного объектом излучения. К недостаткам описанного в вышеупомянутой статье измерителя также можно отнести то, что он способен измерять компоненты виброперемещений объектов поперечные оптической оси телекамеры, частоты которых в десятки раз меньше кадровой частоты телекамеры.
Другой оптический измеритель колебаний по отклонению оптического пучка описан в статье Jenkins D.F.L. Measurement of the modal shapes of inhomo-geneous confilevers using optical beam deflection // "Meas. Sci Technol.", 1995. V.6, №2, p.160-166, реферированной в Экспресс-информации ВИНИТИ «Контрольно-измерительная техника», 1995, №22, с.5-7. В этом измерителе полезно используется лишь зеркальная компонента отраженного колеблющимся объектом излучения, и измеритель неспособен разделить угловые и поступательные виброперемещения.
Наиболее близким техническим решением является лазерный измеритель амплитуды угловых и линейных виброперемещений (Патент РФ №2324906, МПК G01Н 9/00. Опубл. 20.05.2008. Бюл. №14). Устройство содержит лазер, за которым вдоль его оптической оси излучения расположены полупрозрачная пластина, телекамера с ФПЗС-матрицей, дополнительная вторая телекамера с фоточувствительной ПЗС-матрицей, расположенная в фокальной плоскости объектива телекамеры, оптическая ось которого перпендикулярна вибрирующей поверхности, двухканальное устройство сопряжения с ПЭВМ и ПЭВМ, оптическая ось первой телекамеры с ФПЗС-матрицей ориентирована наклонно к оптической оси падающего на вибрирующую поверхность лазерного пучка, выходы обеих телекамер соединены с входами двухканального устройства сопряжения, выход которого соединен с входом ПЭВМ.
Предложенное устройство имеет недостаток, заключающийся в том, что оно не позволяет измерять частоты виброперемещений.
Задачей полезной модели является расширение числа измеряемых параметров виброметра.
Указанная задача решается за счет того, что в лазерном измерителе амплитуд и частот линейных и угловых виброперемещений, включающем лазер, две полупрозрачные пластины, одна из которых установлена под углом 45° к оптической оси лазерного пучка, две телекамеры, двухканальное устройство сопряжения с ПЭВМ и ПЭВМ, оптическая ось первой телекамеры ориентирована наклонно к оптической оси падающего на вибрирующую поверхность лазерного пучка, оптическая ось второй камеры перпендикулярна вибрирующей поверхности, выходы обеих телекамер соединены с входами двухканального устройства сопряжения, выход которого соединен с входом ПЭВМ, согласно полезной модели, лазер установлен с регулируемой частотой следования импульсов.
Использование лазера с регулируемой частотой следования импульсов позволяет наряду с измерением амплитуд линейных и угловых вибраций измерять их частоты.
На чертеже показана схема лазерного измерителя амплитуд и частот линейных и угловых виброперемещений.
Устройство содержит оптически связанные лазер с регулируемой частотой следования импульсов 1, полупрозрачную пластину 2, полупрозрачную пластину 3 с матовой 4 и зеркальной 5 поверхностями, телекамеру 6 с объективом 7 и матричным фотоприемником 8, телекамеру 9 с объективом 10 и матричным фотоприемником 11, двухканальное устройство сопряжения 12, ПЭВМ 13, 14 - вибрирующаяся поверхность, совпадающая в зоне измерения с координатной плоскостью хОу. Выходы телекамер 6 и 9 соединены с входами двухканального устройства сопряжения 12, выход которого соединен с входом ПЭВМ 13. Полупрозрачная пластина 3 закреплена на колеблющейся поверхности 14 матовой стороной 5 к вибрирующей поверхности, матричный фотоприемник 8 телекамеры 6 установлен в фокальной плоскости объектива 7, матричный фотоприемник 11 телекамеры 9 установлен на расстоянии резкого изображения от объектива 10 пятна лазерного коллимированного излучения на матовой поверхности 4. Оптические оси телекамеры 6 и лазерного пучка после отражения от полупрозрачной пластины 2 перпендикулярны полупрозрачной пластине 3 и вибрирующей поверхности 14. Оптическая ось телекамеры 9 составляет некоторый угол φ с полупрозрачной пластиной 3 и вибрирующей поверхностью 14, значение которого определяется расстоянием до поверхности 14 и амплитудой ее виброперемещений.
Устройство работает следующим образом. В отсутствие вибраций устройство юстируется так, чтобы коллимированное излучение падало перпендикулярно зеркальной поверхности 5 полупрозрачной пластины 3, отраженное зеркальной поверхностью 5 полупрозрачной пластины 3 излучение распространялось вдоль оптической оси телекамеры 6, а оптическая ось телекамеры 9 составляла известный угол φ нормалью к матовой поверхности 4 полупрозрачной пластины 3.
Зеркальная компонента отраженного полупрозрачной пластиной 3 коллимированного излучения собирается объективом 7 телекамеры 6 на фоточувствительной площадке матричного фотоприемника 8. Расположение фоточувствительной площадки матричного фотоприемника 8 в фокальной плоскости объектива 7 позволяет преобразовывать угловые перемещения отраженного зеркальной поверхностью 5 полупрозрачной пластины 3, вызванные вибрациями, в смещения фокального пятна по фоточувствительной площадке матричного фотоприемника, пропорциональные фокусному расстоянию объектива 7. Нормальное падение отраженного от полупрозрачного зеркала 2 лазерного пучка на вибрирующую поверхность и перпендикулярность оптической оси объектива 7 к той же поверхности обеспечивает одинаковую чувствительность к угловым перемещениям поверхности 14 относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в ее плоскости. При наличии угловых колебаний поверхности 14 траектория лазерного пучка в фокальной плоскости объектива 7 будет описывать одну из фигур Лиссажу, которая при выборе частоты следования импульсов лазера 1 кратной частоте угловых колебаний распадется на систему точек. Размах фигур Лиссажу, рассчитанный ПЭВМ 13 по оцифрованным устройством сопряжения 12 изображениям при известном фокусном расстоянии объектива 7, и даст значения амплитуд угловых виброперемещений поверхности 14, а количество точек, на которые разбивается фигура позволит определить частоты угловых колебаний.
Поступательные вибросмещения поверхности 14, имеющие отличную от нуля компоненту в направлении падающего лазерного пучка, вызовут перемещения изображения его следа на матовой поверхности 4 полупрозрачной пластины 3 по поверхности матричного фотоприемника телекамеры 9. При высокой частоте виброколебаний по сравнению с кадровой частотой телекамеры изображение следа будет иметь форму отрезка. Длина отрезка вместе с известным углом φ и параметрами объектива 10 являются исходными данными для расчета амплитуды линейных виброперемещений в направлении оптической оси падающего на поверхность лазерного пучка с помощью ПЭВМ 13. При этом длина отрезка определяется по оцифрованным устройством сопряжения 12 изображениям также с использованием ПЭВМ 13. Выбор частоты следования импульсов лазера 1 кратной частоте поступательных виброперемещений, также приведет к разбиению отрезка на систему точек, количество которых при известной частоте следования импульсов лазерного излучения однозначно связано с частотой линейных виброперемещений, что позволит определить частоту этих линейных виброперемещений.