Патент на изобретение №2181478

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ВИБРАЦИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области виброметрии и может быть использовано для контроля уровня вибрации в технических и технологических процессах при изготовлении узлов и деталей, а также для вибродиагностики машин и механизмов. Измеритель вибрации содержит генератор СВЧ, линию передачи (волновод), детектор с зондом и индикатором и антенну. Расположение детектора определено из соотношения, приведенного в формуле изобретения. Сделанный выбор расположения детектора позволяет повысить чувствительность измерителя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области виброметрии и может быть использовано в качестве измерителя вибраций.

Известен измеритель вибраций (Константинов В.А., Трубников С.Г. Измерение малых перемещений и вибраций радиотехническими методами. Метрология. 1972. 5, с. 16-23), содержащий генератор СВЧ, двойной волноводный Т-образный мост, антенну, регулируемую нагрузку, детектор и индикатор. Принцип работы измерителя основан на нарушении равновесия Т-образного моста при перемещении объекта.

Недостатками данной конструкции являются низкая чувствительность, сложность балансировки моста.

Известен также измеритель вибраций (Griffin D.W. “MW interferometers for biological studies”, Microwave journal, 1978. Vol. 21. 5, p. 69-72), содержащий трехплечий циркулятор, к одному плечу которого присоединен генератор СВЧ, другому – антенна, третьему – детектор с индикатором. В волноводе между антенной и циркулятором расположен штырь, формирующий опорный сигнал. Работа данного измерителя основана на сравнении двух сигналов: отраженного от объекта и опорного.

Недостатками данного устройства являются низкая чувствительность, громоздкость конструкции, сложная настройка.

Известен также измеритель вибраций (Коломейцев Ф.И., Быстряков Н.П., Снежко Е. М. , Харагай Г.И., СВЧ-установка для измерения вибраций. Измерительная техника, 1971, 11, с. 45 и 46), содержащий соединенные волноводом генератор СВЧ, измерительную линию с детектором, к которому подключен индикатор, и антенну.

Данный измеритель имеет низкую чувствительность, так как детектор фиксирует только изменение фазы отраженной волны.

Известен также измеритель вибрации, содержащий последовательно соединенные генератор СВЧ детектор с подключенным к нему индикатором и антенну. В устройстве имеют место два эффекта – фазовый и амплитудный, сложение которых позволяет повысить ток детектора, то есть увеличить чувствительность измерителя, см. патент РФ 2025569, кл. G 01 М 9/00, 1991 г.

Недостатком данного устройства является низкая чувствительность измерителя. обусловленная его конструкцией.

Наиболее близким к заявляемому является измеритель вибраций (патент РФ 2082114, кл. G 01 Н 9/00, 1994 г.), содержащий последовательно соединенные генератор СВЧ, детектор с подключенным к нему индикатором и антенну, расположение которой определяется соотношением

где l₁ – расстояние от антенны до детектора;
l₂ – расстояние от антенны до контролируемого объекта;
l₃ – длина круглого волновода, образующего антенну;
_в – длина волны в линии передачи;
₀ – длина волны в свободном пространстве;
n=1,3,5…

Недостатком измерителя является низкая чувствительность, обусловленная его конструкцией.

Задачей изобретения является повышение чувствительности измерителя вибрации контролируемого объекта.

Поставленная задача решается тем, что в измерителе вибраций, содержащем генератор СBЧ, детектор с зондом, подключенный к детектору индикатор и антенну, согласно изобретению расположение детектора выбрано из соотношения
,
где l_д – расстояние от генератора до детектора,
l₁ – расстояние от генератора до антенны,
l₂ – расстояние от антенны до контролируемого объекта,
при этом l₁ и l₂ связаны соотношением

_в – длина волны в линии передачи;
₀ – длина волны в свободном пространстве;
k – простое число.

При этом длина зонда детектора (h_з), выступающего в волновод (линию передачи), определена из соотношения

Изобретение поясняется фиг.1, где измеритель вибраций изображен в виде блок-схемы, содержащей последовательно соединенные генератор СВЧ 1, детектор 2 с подключенным к нему индикатором 3 и антенну 4.

На фиг. 2 представлена зависимость тока квадратичного детектора от расстояния между антенной и контролируемым объектом.

Устройство работает следующим образом. Электромагнитные волны распространяются от генератора 1 и излучаются антенной 4 в направлении контролируемого объекта 5. Волны, отраженные от объекта, принимаются той же антенной, в результате чего в линии передачи образуется стоячая волна. Согласно граничным условиям на поверхности объекта напряженность электрического поля имеет минимумы, которые будут чередоваться в стоячей волне через /2, где – длина волны. Как видно на фиг.2, если детектор расположить на расстоянии от объекта то увеличение расстояния между детектором и объектом приведет к увеличению тока детектора, а уменьшение – к уменьшению тока детектора. Соответственно, если то будет наблюдаться противоположная ситуация.

Путем выбора расстояния между генератором и антенной l₁, а также антенной и контролируемым объектом l₂ достигается эффект фазового и амплитудного увеличения тока детектора – возрастания чувствительности измерителя, см. патент РФ 2025670, кл. G 01 Н 9/00, 1991 г. При соответствующем выборе расстояния между детектором и антенной, а также между антенной и объектом имеет место положительный суммарный эффект, см. патент РФ 2082114, кл. G 01 Н 9/00, 1994 г.

Наилучший результат достигается, если расположение детектора определяется из соотношения
,
где l_д – расстояние от генератора до детектора,
l₁ – расстояние от генератора до антенны,
l₂ – расстояние от антенны до контролируемого объекта,
при этом l₁ и l₂ связаны соотношением

_в – длина волны в линии передачи;
₀ – длина волны в свободном пространстве;
k – простое число.

Пример конкретного выполнения. Для измерения вибраций используют генератор СВЧ с частотой колебаний 18,3 ГГц, в качестве детектора – диод Д608, индикатора – селективный вольтметр фирмы “Брюль и Кьер” (Дания), осциллограф С1-93, источник вибраций – вибростенд 4290 фирмы “Брюль и Кьер” (Дания), антенну. В качестве передающей линии используют прямоугольный волновод сечением 11х5,5 мм². Зависимости наименьших значений смещений, которые еще способны вызвать заметные изменения выходного сигнала от частоты вибрации и прототипа, приведены в таблице.

Анализ данных демонстрирует достаточный положительный эффект при использовании предлагаемого технического решения (увеличение чувствительности на 20% по сравнению с прототипом) при высокой степени повторяемости результатов.

Нижняя граница расположения диода выбрана из условия

Минимальное смещение, измеренное с помощью предлагаемого измерителя вибраций, составило 0,0035 мкм.

Высокая чувствительность измерителя вибраций, достигаемая при использовании данного технического решения, открывает широкие возможности его применения в различных областях народного хозяйства для прецизионного контроля уровня вибраций в технических и технологических процессах при изготовлении узлов и деталей, для вибродиагностики машин и механизмов.

Формула изобретения

1. Измеритель вибраций, содержащий последовательно соединенные генератор СВЧ, детектор с зондом, с подключенным к детектору индикатором, и антенну, отличающийся тем, что расположение детектора выбрано из соотношения

где l_д – расстояние от генератора до детектора;
l₁ – расстояние от генератора до антенны;
l₂ – расстояние от антенны до контролируемого объекта,
при этом l₁ и l₂ связаны соотношением

_в – длина волны в линии передачи;
₀ – длина волны в свободном пространстве;
k – простое число.

2. Измеритель вибраций по п. 1, отличающийся тем, что длина зонда детектора (h_з), выступающего в волновод (линию передачи), определена из соотношения

РИСУНКИ