3.8. Биения.

Приведенная временная реализация похожа на амплитудную модуляцию, однако, в действительности, это лишь сумма двух синусоидальных сигналов с немного отличающимися частотами, которая называется биение.    

Рис. 15. Биения.

Из-за того, что эти сигналы немного различаются по частоте, их разность фаз изменяется в пределах от нуля до 360 градусов, а это означает, что их суммарная амплитуда будет то усиливаться (сигналы в фазе), то ослабляться (сигналы в противофазе). В спектре биения присутствуют компоненты с частотой и амплитудой каждого сигнала, и полностью отсутствуют боковые полосы. В данном примере амплитуды двух исходных сигналов различны, поэтому они не полностью взаимоуничтожаются в нулевой точке между максимумами. Биение - это линейный процесс: оно не сопровождается появлением новых частотных компонент.

Электродвигатели часто генерируют вибрационные и акустические сигналы, напоминающие биения, в которых частота лже-биения равна удвоенной частоте проскальзывания. В действительности, это есть амплитудная модуляция вибрационного сигнала удвоенной частотой проскальзыаания. Такое явление в электродвигателях иногда также называют биением, вероятно, по той причине, что при нем механизм звучит как расстроенный музыкальный инструмент, "бьет".    

Рис. 16. Биения, когда уровни складывающихся вибраций одинаковы

Этот пример биений аналогичен предыдущему, однако уровни складывающихся сигналов равны, поэтому они полностью взаимоуничтожаются в нулевых точках. Подобное полное взаимоуничтожение весьма редко встречается в реальных вибрационных сигналах роторного оборудования.

4. Лазерная виброметрия

Лазерная виброметрия – современный, качественно новый уровень измерения параметров механических колебаний объектов. Уникальные физические особенности лазерных методов определяют многие их достоинства. Это возможность дистанционного бесконтактного измерения вибрации и отсутствие влияния на резонансные свойства объектов, в том числе микроскопических размеров; возможность измерений без предварительной подготовки поверхности объекта и оперативное измерение вибраций в различных точках объекта в опасной для персонала зоне (химически агрессивной, с высокой температурой, радиацией и т.д.). Свое место лазерные виброметры находят в различных областях науки, промышленности, а также в медицинских применениях. Вот некоторые примеры использования лазерных доплеровских виброметров (ЛДВ) [1]:

Авиакосмическое – ЛДВ в этом случае являются инструментами не вызывающей разрушений диагностики компонент летательного аппарата;

Акустическое – ЛДВ – стандартные инструменты акустической системы, которые также помогают диагностировать и настраивать музыкальные инструменты;

Автомеханическое – ЛДВ активно используются во многих автомеханических приложениях таких, как динамика конструкций, диагностика разрушений, определение величин        шума, вибрации и волнистости;

Биологическое – ЛДВ используются для диагностики слухового аппарата в медицине, а также для исследования коммуникации между насекомыми;

Калибровка – С тех пор как ЛДВ измеряют смещения, калибруемые до длины волны света, они часто используются для калибровки других типов преобразователей;

Диагностика жесткого диска – ЛДВ широко применяются для диагностики жестких дисков преимущественно        для позиционирования головки;

Детектирование наличия мин – ЛДВ показали многообещающие результаты в сфере определения положения спрятанных мин. Методика использует аудио источник такой, как акустическую систему, чтобы взволновать землю и заставить ее колебаться в очень малых пределах. Затем ЛДВ измеряет эти колебания земли, и области поверхности над спрятанной миной показывают повышенный уровень вибрскорости на резонансной частоте пустой породы.

 

Лазерные интерферометры обладают высокой разрешающей способностью, с их помощью можно регистрировать изменения длина на сотые доли ангстрема. Принцип действия лазерных интерферометров для измерения скорости механических колебаний и линейных перемещений основан на использовании эффекта Допплера, который заключается в изменении частоты электромагнитного излучения при относительном движении приемника и источника излучения. Известно, что изменение частоты излучения при относительном движении двух инерциальных систем координат, в соответствии с преобразованием Лоренца, определяется следующим образом:

Где - круговые частоты излучения в разных системах координат; V – скорость движения объекта; - угол между направлением движения объекта и направлением излучения; с – скорость света.

При приеме электромагнитного излучения имеет место двукратный эффект Допплера. В этом случае, если приемник и источник излучения находятся в одной системе координат, круговая частота излучения в приемнике

Обозначая радиальную составляющую скорости движения объекта , разложим знаменатель выражения (31 просмотреть позже) в степенной ряд:

Затем, пренебрегая релятивистским эффектом ( ), получим

Таким образом, допплеровское изменение частоты отраженного светового излучения

Принцип действия лазерных интерферометров, предназначенных для измерения скорости механических колебаний и линейных перемещений, основан на изменении допплеровской частоты, которая выделяется путем наложения двух совмещенных в пространстве волн.

Наибольшее распространение получил одночастотный лазерный двухлучевой интерферометр (рис. 17), который называют интерферометр Майкельсона. Рассмотрим его работу. Излучение одночастотного стабилизированного лазера 6, используемого в качестве источника света, с помощью коллиматора 5 расширяется и направляется неподвижным зеркалом 4 на призму-кубик с полупрозрачной поверхностью 3. На этой поверхности излучение расщепляется на две равных по интенсивности части, одна из которых направляется на неподвижный отражатель 2 (опорное плечо интерферометра), другая – на отражатель 1, связанный с объектом измерения (измерительное плечо интерферометра). Отраженные от отражателя составляющие лазерного излучения совмещаются на плоскости 3 и интерферируют. Поле интерференции можно наблюдать в окуляр 7.

Рис. 17. Структурная схема интерферометра Майкельсона.

Первый отечественный портативный лазерный виброметр повышенной чувствительности разработал ФГУП ННИПИ "Кварц". В 2007 году после проведения государственных испытаний прибор включен в Государственный реестр средств измерений Российской Федерации.

Лазерный виброметр предназначен в первую очередь для дистанционного измерения виброскорости исследуемого объекта или его части в пределах от 0,01 до 50 мм/с на виброчастотах от 80 Гц до 11 кГц с возможностью расширения диапазона виброчастот в сторону низких частот до 10 Гц. Измерительная дистанция от лазерного виброметра до испытуемого объекта составляет от 1,5 до 10 м и более. Напряжение питания виброметра – 12 В постоянного тока от переносной аккумуляторной батареи или от источника питания, подключаемого к сети переменного тока 220 В (50 Гц). Потребляемая мощность – 15–20 Вт (в зависимости от режима работы).

Принцип работы лазерного виброметра основан на доплеровском сдвиге частоты оптического (лазерного) излучения, отраженного от движущегося объекта. В этом случае применяют метод оптического гетеродинирования отраженного от объекта слабого оптического сигнала на основе двухлучевой интерференционной оптической схемы с последующим формированием квадратурных компонент электрического сигнала фотодетекторами балансного типа. Микропроцессоры, входящие в состав лазерного виброметра, производят цифровую обработку и анализ вибрационных сигналов. Результаты в виде спектрограмм или осциллограмм отображаются на экране внешнего компьютера, подключенного через каналы RS-232 или USB, разъемы которых размещены на панели управления прибора. Измерение параметров сигнала проводится при помощи подвижного маркера на экране дисплея.

 

Рис. 18. Структурная схема лазерного виброметра.

 

В состав портативного лазерного виброметра входит карманный персональный компьютер (КПК). Он в графическом виде отображает результаты измерений на дисплее; управления режимами работы лазерного виброметра через виртуальную панель управления, в том числе режимами обработки сигнала и отображения его во временной (осциллограф) или в частотной (анализатор спектра) областях; выбирает пределы амплитудных измерений и длительности развертки в режиме осциллографа, а также частотную полосу обзора в режиме анализатора спектра и число усреднений реализаций спектров от 1 до 256; выполняет функцию установки линейного или логарифмического масштабов в режиме анализатора спектра и в режиме записи результатов измерений на флэш-карту в формате, выбранном оператором и с возможностью последующего воспроизведения на другом компьютере. Разработано программное обеспечение, которое позволяет управлять всеми перечисленными функциями и режимами при помощи стандартных компьютеров по каналам RS-232 или USB, что дает возможность включать лазерный виброметр в автоматизированные измерительные системы. В состав лазерного виброметра входят оптическая система, формирующая квадратурные составляющие доплеровского сигнала, и электронная система (рис.1).