Методы измерения вибрации

Методы измерения вибрации.Современныетехнологии требуют непрерывного контроля за многими параметрамитехнологического процесса и контроля состояния оборудования. Одними изважнейших являются параметры механического движения, в частности параметрыпериодических перемещений исследуемого объекта в пространстве вибрации . Этимипараметрами являются виброперемещение амплитуда вибрации и виброскорость частота вибрации .Подобный контрольнеобходим в самых разных областях в полупроводниковой электронике контрольвибрации

установок для выращивания кристаллов , в микроэлектронике вибрацияустановок фотолитографии , в машиностроении вибрация станков и биениедеталей , в автомобильной промышленности контроль вибрации отдельных узловавтомобилей и всего автомобиля в целом , на железнодорожном транспорте датчикиприближения поезда , в энергетике контроль вибрации лопаток газовых турбин , вавиастроении контроль биений турбин и т.д. Этот список можно продолжатьдостаточно долго, что говорит о необходимости создания высокоточных вибродатчиков.

В настоящее времяразработано достаточно много вибродатчиков, основанных на различных эффектах.Все они имеют свои преимущества и недостатки. Кроме того, существуютопределенные трудности в теоретическом описании и моделировании работывибродатчиков.ОБЗОР МЕТОДОВИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ.Существует двегруппы методов измерения параметров вибраций контактные, подразумевающиемеханическую связь датчика с исследуемым объектом, и бесконтактные, т.е. несвязанные с объектом механической связью.

Рассмотрим вначалеконтактные методы. Наиболее простыми являются методы регистрации вибраций спомощью пьезоэлектрических датчиков. Они позволяют проводить измерения свысокой точностью в диапазоне низких частот и относительно больших амплитудвибрации, но вследствии своей высокой инерционности, приводящей к искажениюформы сигнала делает невозможным измерение вибраций высокой частоты и малойамплитуды. Кроме того, если масса исследуемого объекта, а следовательно и егоинерционность не велика, то такой

датчик может существенно влиять на характервибрации, что вносит дополнительную ошибку в измерения.Эти недостаткипозволяет устранить метод открытого резонатора, описанный в 1 . Суть методазаключается в измерении параметров СВЧ резонатора, изменяющихся вследствиевибрации исследуемого объекта. Резонатор имеет два зеркала, причем одно из нихфиксировано , а другое механически связано с исследуемым объектом. Регистрацияперемещений при малых амплитудах вибраций производится амплитудным

методом поизменению выходной мощности в случае проходной схемы включения резонатора илиотраженной мощности, в случае применения оконечного включения. Этот методизмерения требует постоянства мощности, подводимой к резонатору и высокойстабильности частоты возбуждения.В случае большихамплитуд вибраций регистрируется смещение резонансной частоты, что можносделать с очень высокой точностью. Для повышения добротности и уменьшениядифракционных потерь используют сферические

зеркала.Разрешающаяспособность данного метода 3 мкм. Метод обладает малой инерционностью посравнению с описанным выше, но его применение рекоменуется, если масса зеркалапринципиально меньше массы исследуемого объекта.Однакомеханическая связь датчика с исследуемым объектом далеко не всегда допустима,поэтому последние годы основное внимание уделяется разработке бесконтактныхметодов измерения параметров вибраций.

Кроме того, их общим достоинствомявляется отсутствие воздействия на исследуемый объект и пренебрежительно малаяинерционность.Все бесконтактныеметоды основаны на зондировании объекта звуковыми и электромагнитными волнами.Одной из последнихразработок является метод ультразвуковой фазометрии, описанный в 2 . Онзаключается в измерении текущего значения разности фаз опорного сигналаультразвуковой частоты и сигнала, отраженного от исследуемого объекта. Вкачестве чувствительных элементов используется пьезоэлектрическая

керамика.На частотеультразвука 240 кГц. чувствительность измерения виброперемещения 10 мкм. вдиапазоне от 10 до 5 10 мкм расстояние до объекта до 1.5 м. На частоте 32кГц. чувствительность 30 мкм расстояние до объекта до 2 м. С ростом частотызондирующего сигнала чувствительность растет.В качестведостоинств метода можно отметить дешевизну и компактность аппаратуры, малоевремя измерения, отсутствие ограничения снизу на частотный диапазон, высокуюточность измерения низкочастотных вибраций.

Недостатками являются сильноезатухание ультразвука в воздухе, зависимость от состояния атмосферы, уменьшениеточности измерения с ростом частоты вибрации.Большоераспространение получили методы, основанные на зондировании объекта видимымсветом. Описание и сравнение основных оптических методов приведено в 3 .Все оптическиеметоды подразделяются на две группы. К первой относятся методы, основанные нарегистрации эффекта

Допплера. Простейшим из них является гомодинный метод,который позволяет измерять амплитуды и фазы гармонических вибраций, но с егопомощью невозможно исследовать негармонические и большие по амплитуде вибрации.Эти недостатки можно устранить используя гетеродинные методы. Но они требуюткалибровки и, кроме того, измерительная аппаратура сильно усложняется.Существеннымнедостатком перечисленных выше методов являются высокие требования к качествуповерхности

исследуемого объекта. Но они теряют свое значение при использованииголографических методов, которые и образуют вторую группу.Голографическиеметоды обладают высокой разрешающей способностью до 0.05 , но они требуютсложного и дорогостоющего оборудования. Кроме того, время измерений оченьвелико.Общиминедостатками оптических методов являются сложность, громоздскость и высокаястоимость оборудования, большое энергопотребление, высокие требования ккачеству поверхности

исследуемого объекта, высокие требования к состояниюатмосферы определенная влажность, отсутствие запыленности и т.п Кроме того,лазерное излучение оказывает вредное влияние на зрение обслуживающего персоналаи требует дополнительных мер предосторожности и защиты.Часть этихнедостатков можно устранить применяя методы, основанные на использовании СВЧизлучения 4 . Они подразделяются на интерференционные и резонаторные. В основеинтерференционных методов лежит зондирование исследуемого объекта волнами

ВЧ иСВЧ диапазонов, прием и анализ отраженных рассеянных объектом волн. Междуизлучателем и исследуемым объектом в результате интерференции образуетсястоячая волна. Вибрация объекта приводит к амплитудной и фазовой модуляцииотраженной волны и к образованию сигнала биений. У выделенного сигналапеременного тока амплитуда пропорциональна виброперемещению, а частотасоответствует частоте вибрации объекта.Один из вариантовинтерференционного метода описан в 5 .

Резонаторные методы основаны наразмещении вибрирующего объекта в поле СВЧ резонатора вне или, хотя бычастично внутри его , вследствие чего изменяются характеристики резонатора.Бесконтактноеизмерение параметров вибраций резонаторнымметодом возможно ипри включении приемно-передающей антенны в частотнозадающую цепь СВЧгенератора, т.е. при работе в автогенераторном режиме. Такие системы называютсяавтодинными генераторами или просто автодинами.

В 5 приведенпример автодинного измерителя вибраций на отражательном клистроне. Недостатокзаключается в том, что клистрон требует больших питающих напряжений, что приводитк увеличению размеров аппаратуры и большому энергопотреблению. Но этого можноизбежать, если в качестве СВЧ генератора использовать твердотельные СВЧ диоды ДГ, ЛПД, ИПД, ТД и т.д. .