Локационный метод

Суть данного метода заключается в регистрации изменения основных параметров колебательного движения тела по прямым и отраженным от исследуемого тела волнам (световым, электромагнитным и ультразвуковым). Сопоставление этих волн позволяет установить последовательность положений тела в пространстве.

Типичным локационных методом является оптический интерференционный метод измерения малых амплитуд вибрации (порядка 1 мм и меньше).

Данный метод основан на наблюдении интерференционной картины, получающейся в результате взаимодействия двух лучей монохроматического света: прямого и отраженного от зеркала 2 (рис. 1.15), укрепленного на вибрирующем объекте 1. Основным условием получения устойчивой картины интерференции волн является их когерентность, т.е. сохранение постоянной разности фаз за время наблюдения.

Принципиальная схема получения когерентных лучей показана на рис. 1.15 (схема интерферометра Майкельсона). Световой поток от источника света 7 путем преломления и отражения разделен на два потока, встречающихся в точке наблюдения после прохождения ими различных оптических путей. Одна часть пучка света от источника 7 отражается от полупрозрачного зеркала 5 и освещает поверхность зеркала 2 через нижний объектив 3. После отражения от поверхности зеркала 2 лучи проходят через полупрозрачное зеркало 5 и дают изображение поверхности зеркала 2 в плоскости 6. Другая часть пучка, падающая от источника света 7 на пластину 5, проходит через нее, собирается верхним объективом 3 в точке наружной отражающей поверхности зеркала 4 и отражается от него на зеркало 5; с зеркала 5 пучок световых лучей попадает в плоскость 6, где создает изображение поверхности зеркала 4. В результате получается, что в плоскости 6 изображения двух поверхностей зеркал 2 и 4 образованы лучами, когерентными между собой в соответствующих точках обоих изображений.

Если поверхности обоих зеркал 2 и 4 являются оптически совершенными, то, наклонив зеркала на малый угол, можно наблюдать в плоскости 6 систему прямолинейных интерференционных полос.

Измерение амплитуда колебаний подвижного зеркала, равной амплитуде колебаний объекта 1, основано на измерении разности ширины светлой полосы при неподвижных зеркалах и при одном подвижном зеркале. Амплитуда колебаний и уширение полос связаны соотношением

где А - амплитуда колебаний; - длина волны света; с - уширение полости, т.е. разность между шириной полосы при колеблющемся зеркале и шириной полосы при покоящихся зеркалах; b - расстояние между соседними полосами.

Работа радиоволновых измерителей основана на отражении электромагнитных волн радиодиапазона от вибрирующей поверхности исследуемого объекта.

Электромагнитные волны сантиметрового или миллиметрового диапазона, генерируемые передатчиком, концентрируются антенной в виде относительно узкого луча и направляются на вибрирующую поверхность объекта.

Волны, отраженные от объекта, попадают в приемник радиоволнового излучения. В результате изменения расстояния между передатчиком и вибрирующим объектом отраженная волна модулируется по фазе, причем девиация фазы несущих колебаний пропорциональна амплитуде вибраций объекта. В приемнике сравниваютсяфазы отраженной и передаваемой волн излучения. В результате фазовой демодуляции на выход приемника поступает информация о частоте и амплитуде вибраций исследуемого объекта. Амплитуды вибраций можно измерять до 10^-2мкм при использовании миллиметровых волн. Диапазон частот измеряемых вибраций - от 1 Гц до десятков и сотен килогерц.

Принципиальная схема этого метода показана на рис. 1.16. Клистропный генератор 11 с блоком питания 10 создает в волноводном плече 9 непрерывные синусоидальные колебания сантиметрового диапазона. Поток энергии из этого плеча делится в тройнике 3 поровну между плечами 2 и 8. В результате отражения от поверхности исследуемого объекта 1 и от короткозамыкающего поршня 4 в плечах 2 и 8 возникают отраженные волны с разными амплитудами и фазами, что обусловливает возникновение потока энергии в плече 7. Благодаря этому на детекторе 5 появится постоянное напряжение, определяемое разностью фаз и значением амплитуд отраженных волн.

При горизонтальных колебаниях объекта 1 будет меняться его расстояние от конца плеча 2, что приведет к соответствующим изменениям напряжения на нагрузке детектора 5. На экране осциллографа 6наблюдают последовательность импульсов с высотой, пропорциональной амплитуде вибраций.

К локационным методам измерения параметров вибрации относится и ультразвуковой. Принцип действия таких приборов основан на фиксации изменения частоты посланных ультразвуковых импульсов, отражаемых от поверхности колеблющегося объекта. Ультразвуковые вибрографы обычно располагаются на больших расстояниях от объекта (1,5...2 м).

1.8 Метод, основанный на использовании эффекта Доплера

Особенностью данного метода измерения параметров колебания исследуемого тела является то, что не предъявляются высокие требования к отражающей способности поверхности объекта, и фиксируемые колебания могут быть не гармоническими.

Основной определяемой величиной при использовании этого метода является доплеровская поправка частоты света, отраженного от исследуемого объекта, величина которой будет пропорциональна скорости перемещения объект при колебаниях.

На рис. 1.17 показана принципиальная схема использования эффекта Доплера для измерения частоты и амплитуды колебаний испытуемого объекта.

Если источник света 1 излучает свет с частотой , а луч разделить на два пучка, например, при помощи полупрозрачного зеркала 2, то образуются два луча с одинаковой частотой, которые, в свою очередь, будут отражаться от двух разных поверхностей, а именно: первый от неподвижного зеркала 3, а второй - от подвижной поверхности колеблющегося тела 4.

Тогда частота излучения источника 1 относительно движущейся поверхности в соответствии с эффектом Доплера определится как

(7)

где с - скорость света; - скорость движения объекта.,

Частота излучения от поверхности колеблющегося тела определяется как

(8)

Из уравнений (7) и (8) получаем

(9)

Если последнее выражение разложить в ряд Маклорана и считать, что с>> , то выражение (9) примет следующий вид:

(10)

т.е. подученная частота излечения от колеблющегося тела получила приращение. Это приращение и называется доплеровской частотой

(11)

Если , то (11) примет вид

(12)

Средняя скорость за один период колебаний определится как

(13)

Тогда среднее значение доплеровской частоты за один период колебаний будет иметь вид

(14)

Амплитуда колебаний

(15)

Число электрических импульсов, регистрируемых в приемном устройстве 5 и фиксируемых на осциллографе 6, в результате воздействия доплеровских сигналов за один период колебаний объекта будет равно ,и окончательное выражение для определения амплитуда колебаний примет вид

(16)

Надо отметить, что такой метод позволяет обеспечить высокую точность и чувствительность. Измерения можно производить с точностью до 1 мкм. Высокая концентрация энергии в луче позволяет устанавливать аппаратуру на сравнительном удалении от объекта исследования.