Способ измерения амплитуды вибрации объекта

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ ВИБРАЦИИ ОБЪЕКТА Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения амплитуды вибрации в теплоэнергетике, газовой промышленности, машиностроении,авиастроении и других областях. Техническая задача заключается в повышении точности измерения амплитуды вибрации и упрощении конструкции СВЧ-тракта бесконтактного измерителя амплитуды вибрации для минимизации его габаритных размеров. Поставленная задача достигается тем, что исследуемый объект измерения посредством антенны зондируют СВЧ-сигналом с периодически изменяющейся частотой коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, при этом на балансный смеситель поступает часть зондирующего сигнала и отраженный от вибрирующего объекта сигнал."БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" (BY) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения амплитуды вибрации в теплоэнергетике, газовой промышленности, машиностроении, авиастроении и других областях. Известен бесконтактный радиоволновой способ измерения амплитуды вибрации, реализованный в радаре для обнаружения вибрации [1], заключающийся в том, что зондируют с помощью основной антенны исследуемый объект СВЧ-сигналом фиксированной несущей частоты f0, принимают от исследуемого объекта отраженный СВЧ-сигнал вида где A1 - амплитуда отраженного сигнала;f0 - несущая частота зондирующего сигнала; 1 - фазовый сдвиг отраженного сигнала в СВЧ измерительном тракте на выходе комплексного балансного смесителя;B(t)=ВМ sin 2fBt - изменение фазы отраженного сигнала под влиянием вибрации исследуемого объекта; ВМ - амплитудное значение изменения фазы отраженного сигнала под влиянием вибрации исследуемого объекта;fB - частота вибрации; смешивают в комплексном балансном смесителе отраженный сигнал с опорным сигналом, в качестве которого берут часть зондирующего сигнала, и получают после фильтрации и усиления на выходе комплексного балансного смесителя квадратурные сигналы U1(t) и U2(t) вида где А 2 - амплитуда опорного сигнала; 2 - фазовый сдвиг между опорным сигналом на входе комплексного балансного смесителя и исходным зондирующим сигналом; калибровочная процедура включает в себя снятие множества значений сигналов U1(t), U2(t), и после их усреднения (при этом среднее значение B(t) стремится к нулю) рассчитываются значения А 1 и (1 2); с учетом этих рассчитанных значений с помощью регулируемых СВЧ-аттенюатора и фазовращателя воспроизводят дополнительный зондирующий СВЧ-сигнал, который после отражения от поверхности дополнительной антенны имеет амплитуду А 1 и фазовый сдвиг (1-2)c=1-2+; так как этот сигнал складывается с отраженным сигналом, то на выходе комплексного балансного смесителя будут квадратурные сигналы вида амплитуда выходного сигнала U2(t) будет пропорциональна амплитуде вибрации DM где С - скорость света. Однако данный способ, несмотря на обеспечение высокой чувствительности измерения благодаря использованию комплексного балансного смесителя, имеет ряд недостатков: во-первых, сложность и трудоемкость калибровочной процедуры, которая должна проводиться на месте установки измерителя амплитуды вибрации, и вследствие этого невозможность автоматизации процесса измерения (из-за необходимости использования регулирующей системы - регулируемых СВЧ-аттенюатора и фазовращателя); во-вторых, ограничение верхнего значения измеряемой амплитуды вибрации из-за необходимости выполнения условия малости значения ВМ. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является бесконтактный радиоволновой способ измерения вибрации [2], заключающийся в том, что объект посредством антенны зондируют СВЧсигналом фиксированной несущей частоты в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, принимают отраженный от исследуемого объекта сигнал S1(t) вида смешивают в комплексном балансном смесителе отраженный сигнал с опорным сигналом, в качестве которого берут часть зондирующего сигнала, и получают после фильтрации и усиления на выходе комплексного балансного смесителя квадратурные сигналы U1(t) и U2(t) вида преобразуют сигналы U1(t) и U2(t) в цифровую форму в виде набора мгновенных значений U1(t1) иU2(t1) посредством быстродействующего двухканального аналого-цифрового преобразователя, частоту опроса которого выбирают много большей максимального значения частоты вибрации исследуемого объекта, для каждой пары полученных значений U1(ti) и U2(ti) вычисляют мгновенные значения фазового сдвига 1 по выражению из полученных значений , определяют MIN и МАХ, вычисляют значение ВМ по выражению Приведенный бесконтактный радиоволновой способ измерения свободен от недостатков, свойственных способу [1]. Однако недостатками и этого способа являются большие габариты измерителя амплитуды вибрации из-за сложности конструкции СВЧ-тракта с использованием комплексного балансного смесителя; ограничение точности измерения амплитуды вибрации из-за неидентичности параметров каналов при двухканальном преобразовании сигналов в комплексном балансном смесителе. Задача изобретения - повышение точности измерения амплитуды вибрации и упрощение конструкции СВЧ-тракта измерителя для минимизации его габаритных размеров. Задача достигается тем, что в известном бесконтактном радиоволновом способе измерения амплитуды вибрации отсутствует комплексный балансный смеситель, а для обеспечения проведения измерения амплитуды вибрации спектр сигнала вибрации линейно переносится на промежуточную частоту с последующей его обработкой в цифровом квадратурном смесителе. Для этого исследуемый объект посредством антенны зондируют СВЧ-сигналом с периодически изменяющейся частотой в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, при этом на смеситель поступает часть зондирующего сигнала вида где FH(t) - закон изменения частоты зондирующего сигнала, описываемый выражениемf0 - постоянная составляющая несущей частоты зондирующего сигнала;- переменная составляющая несущей частоты зондирующего сигнала, изменяющая за период T значение частоты от 0 до FM ;FM - величины девиации частоты, которая рассчитывается и обеспечивается исходя из известного расстояния до исследуемого объекта L согласно формуле и отраженный от вибрирующего объекта сигнал где А 0, А 1 - амплитуды части зондирующего и отраженного сигналов;L(t) - фазовый сдвиг отраженного сигнала в СВЧ измерительном тракте на выходе балансного смесителя, определяемый расстоянием до исследуемого объекта L и значением несущей частоты FH(t); сигналы S0(t) и Si(t) смешивают в балансном смесителе, а на его выходе выделяется разностная составляющая, при этом суммарная составляющая, имеющая удвоенную несущую частоту, отфильтровывается. Выделяемый сигнал будет иметь вид где АСМ - амплитуда сигнала на выходе смесителя;- постоянный набег фазы отраженного сигнала на частоте f0; сигнал SCM(T) преобразуют в цифровую форму в виде набора мгновенных значений SCM(ti) посредством одноканального быстродействующего аналого-цифрового преобразователя, частоту дискретизации которого выбирают много большей частоты F ПЧ; производят цифровое формирование мгновенных значений опорных напряжений вида и перемножение их с мгновенными значениями сигнала SCM(ti) с последующей цифровой фильтрацией для получения квадратурных сигналов, содержащих информацию о фазе для каждой пары полученных значений U3(ti) и U4(ti) вычисляют мгновенные значения фазового сдвигапо формуле из полученных значений i, определяют MIN и МАХ, вычисляют значение BM по выражению: Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается принципом формирования зондирующего СВЧ-сигнала, несущая частота которого FH(t) периодически по линейному закону изменяется на частоту F(t) в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, что позволяет реализовать цифровую квадратурную обработку сигнала, используя вместо комплексного балансного смесителя с двумя выходами обычный смеситель с одним выходом и одноканальный быстродействующий аналогово-цифровой преобразователь, а также при формировании цифровым способом опорных напряжений Ui(ti) и U2(ti) для получения квадратурных составляющих сигнала и измерения амплитуды вибрации DM, обеспечить у них точный сдвиг фазы на /2. Это позволяет уменьшить погрешность измерения амплитуды вибрации за счет устранения неидентичности параметров при аналоговой двухканальной квадратурной обработке сигналов за счет точного формирования цифровым способом опорных сигналов U1(ti) и U2(ti) в цифровом квадратурном детекторе,значительно упростить конструкцию СВЧ тракта и соответственно значительно уменьшить габаритные размеры измерителя за счет использования обычного смесителя вместо комплексного балансного смесителя, используемого в измерителях, приведенных в [1, 2]. Предлагаемый способ иллюстрируется чертежом, где представлена структурная схема измерителя амплитуды вибрации, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ. Измеритель, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ, содержит СВЧгенератор (Г) 1 с электрической перестройкой частоты, выход которого соединен со входом делителя мощности (ДМ) 2, первый выход которого через направленный ответвитель (НО) 3 подключен к рупорной антенне (А) 4, ориентированной в направлении на исследуемый объект (ИО) 5 и осуществляющей облучение и прием отраженного от (ИО) 5 СВЧ-сигнала, поступающего на первый вход балансного смесителя (БС) 6, на второй вход которого подается опорный сигнал со второго выхода ДМ, выход балансного смесителя (БС) 6 соединен с аналоговым входом быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7, цифровой выход которого соединен с цифровым входом DSP-процессора (DSP) 8,цифровой входы и выходы DSP 8 соединены с входами и выходами АЦП 7, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 9, персонального компьютера (ПК) 10; аналоговый выход ЦАП 9 соединен с управляющим входом СВЧ-генератора 1. Заявленный способ в данном измерителе может быть реализован следующим образом. СВЧ-генератор (Г) 1 формирует зондирующий сигнал с периодически изменяющейся частотой, который через делитель мощности (ДМ) 2 и первичный канал направленного ответвителя (НО) 3 подается на рупорную антенну (А) 4, которая одновременно является передающей и приемной. Отраженный от исследуемого объекта (ИО) 5 сигнал через вторичный канал направленного ответвителя (НО) 3 (направленный ответвитель (НО) 3 ориентирован на отраженный сигнал) поступает на первый вход балансного смесителя (БС) 6. На второй вход балансного смесителя (БС) 6 через делитель мощности (ДМ) 2 посту-3 022138 пает часть зондирующего сигнала. В балансном смесителе (БС) 6 осуществляется интерференция этих сигналов, выделение на его выходе сигнала на промежуточной частоте, несущего информацию о фазе сигнала, его фильтрация и усиление. Одноканальный быстродействующий аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 7 обеспечивает преобразование сигнала, поступающего с выхода балансного смесителя(БС) 6 в цифровую форму. В персональный компьютера (ПК) 10 вводится известное значение L расстояния от антенны (А) 4 до исследуемого объекта (ИО) 5, которое используется для обеспечения условия формирования FПЧ и формирования в цифровой форме опорных напряжений U1(ti) и U2(ti) и параметров сигнала, управляющего перестройкой частоты СВЧ-генератора (Г) 1. В DSP-процессоре (DSP) 8 производится перемножение в цифровой форме мгновенных значений опорных сигналов и сигнала с цифрового выхода аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 7 и формирование в цифровой форме сигнала,управляющего перестройкой частоты СВЧ-генератора (Г) 1. Последний сигнал преобразуется в цифроаналоговом преобразователе (ЦАП) 9 в аналоговую форму и служит для перестройки частоты с помощью варактора СВЧ-генератора (Г) 1. В персональном компьютере (ПК) 10 производится математическая обработка сигналов, вычисление и индикация измеряемой амплитуды вибрации. Измеритель, основанный на предложенном способе, реализован в Центре 1.9 "Научнообразовательный инновационный центр СВЧ технологий и их метрологическое обеспечение" Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. Несущая частота зондирующего сигнала 94 ГГц, диапазон изменения частоты 1,5 ГГц, выходная мощность не менее 10 мВт, рабочий диапазон частоты вибрации от 0 до 31250 Гц, диапазон измеряемых амплитуд вибрации от 1 мкм до 10 мм (разбит на поддиапазоны), основная погрешность измерения (по результатам экспериментальных исследований) не более 2-3%. Источники информации 1. Радар для обнаружения вибрации: Патент Соединенного Королевства Великобритании 2310099 А, 1996. 2. Способ измерения амплитуд вибрации объекта: Патент РБ 13974, МПК G01H 9/00, 2010. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ измерения амплитуды вибрации, характеризующийся тем, что исследуемый объект измерения посредством антенны зондируют СВЧ-сигналом с периодически изменяющейся частотой коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, при этом на балансный смеситель поступает часть зондирующего сигнала вида и отраженный от вибрирующего объекта сигнал где А 0, А 1 - амплитуды части зондирующего и отраженного сигналов;FH(t) - закон изменения частоты зондирующего сигнала, описываемый выражением FH(t)=f0+F(t);f0 - постоянная составляющая несущей частоты зондирующего сигнала;- переменная составляющая несущей частоты зондирующего сигнала, изменяющая за период T значение частоты от 0 до FM;FM - величина девиации частоты, рассчитывается и обеспечивается исходя из известного расстояния до исследуемого объекта L согласно формулеB(t)=BM sin 2fBt - изменение фазы отраженного сигнала под влиянием вибрации исследуемого объекта; ВМ - амплитудное значение изменения фазы отраженного сигнала под влиянием вибрации исследуемого объекта;- период изменения частоты зондирующего сигнала, значение которого обеспечивается исходя из требования FПЧfB; которые смешивают в балансном смесителе, а после фильтрации и усиления на его выходе выделяют сигнал вида где АСМ - амплитуда сигнала на выходе смесителя;- постоянный набег фазы отраженного сигнала на частоте f0; сигнал SCM(t) преобразуют в цифровую форму в виде набора мгновенных значений SСМ(ti) посредством одноканального быстродействующего аналого-цифрового преобразователя, частоту дискретизации которого выбирают много большей частоты FПЧ; производят цифровое формирование мгновенных значений опорных напряжений вида и перемножение их с мгновенными значениями сигнала SCM(ti) с последующей цифровой фильтрацией для получения квадратурных сигналов, содержащих информацию о фазе для каждой пары полученных значений U3(ti) и U4(ti) вычисляют мгновенные значения фазового сдвига i по формуле из полученных значений i определяют MIN и МАХ, вычисляют значение ВМ по выражению