Шпаргалка Методи вимірювання вібрації
Сучасні технології вимагають безперервного контролю над багатьма параметрами технологічного процесу контролю стану устаткування. Одним із найважливіших є параметри механічного руху, зокрема параметри періодичних переміщень досліджуваного об'єкта у просторі (вібрації). Цими параметрами є вібропереміщення (амплітуда вібрації) та віброшвидкість (частота вібрації).
Подібний контроль необхідний у різних областях: в напівпровідниковій електроніці (контроль вібрації установок для вирощування кристалів), в мікроелектроніці (вібрація установок фотолітографії), в машинобудуванні (вібрація верстатів і биття деталей), в автомобільній промисловості (контроль вібрації окремих вузлів автомобілів і всього автомобіля в цілому), на залізничному транспорті (датчики наближення поїзда), в енергетиці (контроль вібрації лопаток газових турбін), авіабудуванні (контроль биття турбін) і т.д. Цей список можна продовжувати досить довго, що говорить про необхідність створення високоточних вібродатчиків.
В даний час розроблено досить багато вібродатчиків, що базуються на різних ефектах. Усі вони мають свої переваги та недоліки. Крім того, існують певні труднощі в теоретичному описі та моделюванні роботи вібродатчиків.
ОГЛЯД МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ВІБРАЦІЇ.
Існує дві групи методів вимірювання параметрів вібрацій: контактні, що мають на увазі механічний зв'язок датчика з об'єктом, що досліджується, і безконтактні, тобто. не пов'язані з об'єктом механічним зв'язком.
Розглянемо спочатку контактні способи. Найбільш простими є методи реєстрації вібрацій за допомогою п'єзоелектричних датчиків. Вони дозволяють проводити вимірювання з високою точністюу діапазоні низьких частот і щодо великих амплітуд вібрації, але внаслідок своєї високої інерційності, що призводить до спотворення форми сигналу унеможливлює вимірювання вібрацій високої частоти і малої амплітуди. Крім того, якщо маса досліджуваного об'єкта, а отже і його інерційність не велика, такий датчик може істотно впливати на характер вібрації, що вносить додаткову помилку в вимірювання.
Ці недоліки дозволяє усунути метод відкритого резонатора, описаний у [1]. Суть методу полягає у вимірі параметрів НВЧ резонатора, що змінюються внаслідок вібрації об'єкта, що досліджується. Резонатор має два дзеркала, причому одне з них фіксоване, а інше механічно пов'язане з об'єктом, що досліджується. Реєстрація переміщень при малих амплітудах вібрацій проводиться амплітудним методом зміни вихідної потужності у разі прохідної схеми включення резонатора або відбитої потужності, у разі застосування кінцевого включення. Цей метод вимірювання вимагає сталості потужності, що підводиться до резонатора та високої стабільності частоти збудження.
У разі великих амплітуд вібрацій реєструється усунення резонансної частоти, що можна зробити з дуже високою точністю. Для підвищення добротності та зменшення дифракційних втрат використовують сферичні дзеркала.
Роздільна здатність даного методу 3 мкм. Метод має малу інерційність порівняно з описаним вище, але його застосування рекомендується, якщо маса дзеркала принципово менше маси досліджуваного об'єкта.
Однак механічний зв'язок датчика з об'єктом, що досліджується, далеко не завжди допустимий, тому останні роки основна увага приділяється розробці безконтактних методів вимірювання параметрів вібрацій. Крім того, їх загальною перевагою є відсутністьна досліджуваний об'єкт і зневажливо мала інерційність.
Усі безконтактні методи ґрунтуються на зондуванні об'єкта звуковими та електромагнітними хвилями.
Однією з останніх розробок є метод ультразвукової фазометрії, описаний у [2]. Він полягає у вимірі поточного значення різниці фаз опорного сигналу ультразвукової частоти та сигналу, відбитого від об'єкта, що досліджується. Як чутливі елементи використовується п'єзоелектрична кераміка.
На частоті ультразвуку 240 кГц. чутливість виміру вібропереміщення 10 мкм. в діапазоні від 10 до 5*10 мкм, відстань до об'єкта до 1.5 м. На частоті 32 кГц. чутливість 30 мкм., відстань до об'єкта до 2 м. Зі зростанням частоти зондувального сигналу чутливість зростає.
Як переваги методу можна відзначити дешевизну і компактність апаратури, малий час вимірювання, відсутність обмеження знизу на частотний діапазон, високу точність вимірювання низькочастотних вібрацій. Недоліками є сильне згасання ультразвуку в повітрі, залежність стану атмосфери, зменшення точності вимірювання зі зростанням частоти вібрації.
Великого поширення набули методи, засновані на зондуванні об'єкта видимим світлом. Опис та порівняння основних оптичних методів наведено у [3].
Усі оптичні методи поділяються на дві групи. До першої відносяться методи, що базуються на реєстрації ефекту Допплера. Найпростішим з них є гомодинний метод, який дозволяє вимірювати амплітуди та фази гармонійних вібрацій, але за його допомогою неможливо досліджувати негармонічні та великі за амплітудою вібрації. Ці недоліки можна усунути, використовуючи гетеродинні методи. Але вони вимагають калібрування та, крім того, вимірювальна апаратура сильноускладнюється.
Істотним недоліком перерахованих вище методів є високі вимоги до якості поверхні об'єкта, що досліджується. Але вони втрачають значення при використанні голографічних методів, які й утворюють другу групу.
Голографічні методи мають високу роздільну здатність (до 0.05), але вони вимагають складного і дорогого обладнання. Крім того, час вимірів дуже великий.
Загальними недоліками оптичних методів є складність, громіздкість та висока вартість обладнання, велике енергоспоживання, високі вимоги до якості поверхні об'єкта, що досліджується, високі вимоги до стану атмосфери (певна вологість, відсутність запиленості тощо). Крім того, лазерне випромінювання надає шкідливий вплив на зір обслуговуючого персоналу і вимагає додаткових запобіжних заходів та захисту.
Частину цих недоліків можна усунути застосовуючи методи, засновані на використанні НВЧ випромінювання [4]. Вони поділяються на інтерференційні та резонаторні. В основі інтерференційних методів лежить зондування об'єкта, що досліджується, хвилями ВЧ і НВЧ діапазонів, прийом і аналіз відбитих (розсіяних) об'єктом хвиль. Між випромінювачем і об'єктом, що досліджується, в результаті інтерференції утворюється стояча хвиля. Вібрація об'єкта призводить до амплітудної та фазової модуляції відбитої хвилі та утворення сигналу биття. У виділеного сигналу змінного струму амплітуда пропорційна вібропереміщенню, а частота відповідає частоті вібрації об'єкта.
Один із варіантів інтерференційного методу описаний у [5]. Резонаторні методи засновані на розміщенні вібруючого об'єкта в полі НВЧ резонатора (поза або хоча б частково всередині його), внаслідок чого змінюються характеристики резонатора.
Безконтактне вимірювання параметрів вібрацій резонаторним
методом можливо і при включенні приймально-передавальної антени в частотнозадаючу ланцюг НВЧ генератора, тобто. під час роботи в автогенераторному режимі. Такі системи називаються автодинними генераторами чи просто автодинами.
[5] наведено приклад автодинного вимірювача вібрацій на відбивному клістроні. Недолік полягає в тому, що кліпрон вимагає великої напруги живлення, що призводить до збільшення розмірів апаратури і великого енергоспоживання. Але цього можна уникнути, якщо як НВЧ генератора використовувати твердотільні НВЧ діоди (ДГ, ЛПД, ІПД, ТД і т.д.).