5. Технико-экономическое обоснование.
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]:
Измерение вибрации электрических двигателей, компрессоров, насосов и т.п.;
Контроль шума турбомашин, кондиционеров, коробок передач, регулирующих устройств;
Контроль различных автомобильных компонентов и производимых изделий в поточной линии;
Испытание микроэлектроники, MEMS сенсоров и приводов головок;
Измерение вибрации объектов исключающих установку датчиков (ограничение по весу, температуре, размеру)
Анализ ультразвукового и медицинского оборудования;
Диагностика жесткого диска – ЛДВ широко применяются для диагностики жестких дисков преимущественно для позиционирования головки;
Калибровка – С тех пор как ЛДВ измеряют смещения, калибруемые до длины волны света, они часто используются для калибровки других типов преобразователей;
Диагностика слухового аппарата в медицине, а также для исследования коммуникации между насекомыми.
Важно отметить, что лишь совсем недавно, в том числе благодаря развитию микроэлектроники и увеличению степени интеграции микросхем, удалось построить портативные лазерные интерферометры. Это во многом связано с тем, что интерферометр из-за своей сверхвысокой чувствительности, подвержен действию самых разных источников помех, в первую очередь это влияние окружающей среды и неинформативных вибраций опоры. Первые интерферометры были в основном предназначены для калибровки различных средств измерения, а также применялись при контроле деталей особо высокой степени точности. Они устанавливались в специальном помещении, где искусственно поддерживалась постоянная температура воздуха и влажность. В качестве опоры использовались монолитные гранитные плиты, которые как раз не были подвержены действию неинформативных вибраций.
Также значительную трудность в обеспечении точности представляет изготовление оптических деталей, а также их последующая сборка. Ведь неровность поверхности оптической детали, составляющая даже одну длину волны излучения лазера (600 – 900 нм) уже внесет постоянную составляющую в погрешность измерения.
Так, одним из наиболее популярных на отечественном рынке портативных лазерных виброметров, является устройство IVS-200 фирмы Polytec.
Рис. 20. Индустриальный датчик вибрации IVS-200.
Принадлежности:
Дефлектор луча
Комплект программ
Дополнительные части
IVS-200 индустриальный датчик вибрации - лазерный виброметр, предназначенный для бесконтактного измерения вибрации. Изначально, IVS-200 был разработан для стационарного применения в существующих поточных линиях. Лазер, оптика и электроника расположены в компактном едином корпусе и безопасное видимое излучение фокусируется на измеряемую поверхность на определенном расстоянии от неё. Установленный должным образом, датчик IVS-200 может контролировать дефекты, шум и вибрацию различных объектов от микроэлектроники до огромных зданий и сооружений. При использовании датчика в стационарных системах, выходной сигнал позволяет с помощью контролера управлять процессом, что сокращает количество дефектов, улучшает контроль качества изделий и повышает производительность. Используя портативные виброанализаторы для обработки выходного сигнала, датчик позволяет диагностировать оборудование, на котором невозможно или некорректно использовать контактные датчики вибрации.
Особенности датчика вибрации IVS-200:
• Высокая точность измерений
• Широкий диапазон измерения частоты и скорости вибрации
• Компактный, износостойкий и прочный корпус исполнения IP-64
• Безопасный лазер (Класс II)
• Простота установки и использования
• Встраиваемость в существующие системы управления
• Широкий диапазон установочных расстояний
• Питание ± 11 В - 14.5В (~ 100-240В)
В настоящее время развитие вычислительных средств позволяет исключить помеховую составляющую из результатов измерения непосредственно в процессе их проведения. Для этой цели интерферометры оснащают дополнительными каналами коррекции, которые вычисляют поправку по температуре, атмосферному давлению, влажности воздуха и даже по вибрациям собственно интерферометра. К тому же стали доступными высококачественные штативы, которые позволяют частично снизить степень внешних воздействий на измерительную установку.
Так, так к примеру на рынке представлена специализированная система введения поправок для интерферометрии XC80 фирмы Renishaw.
Блок компенсации изменения параметров окружающей среды XC80 позволяет вводить поправки на изменение длины волны лазерного излучения, связанное с изменениями температуры, давления и относительной влажности окружающего воздуха.
Рис. 21. Блок компенсации параметров окружающей среды.
Точность линейных измерений зависит от того, с какой точностью определена длина волны лазерного излучения. Длина волны лазера, в свою очередь, зависит не только от стабилизации лазера, но и от параметров окружающей среды. В частности, длина волны лазерного излучения в воздухе определяется температурой, давлением и относительной влажностью окружающего воздуха.
Этот блок осуществляет измерение температуры, давления и влажности воздуха и затем рассчитывает показатель преломления воздуха и, таким образом, длину волны лазера. После этого в показания лазерного интерферометра автоматически вносятся поправки на изменение длины волны лазерного излучения. Преимущество автоматической компенсации состоит в том, что процесс измерений в этом случае не требует вмешательства пользователя, а обновление поправок происходит достаточно часто.
Блок компенсации XC80 абсолютно необходим при линейных измерениях. В противном случае изменения показателя преломления воздуха могут привести к значительным ошибкам измерений. Точность измерения линейных перемещений, соответствующая заявленной точности лазерного интерферометра при линейных измерениях, может быть достигнута только при использовании блока компенсации XC80.
Техническая характеристика блока компенсации изменения параметров окружающей среды XC80
Температура окружающего воздуха |
0-40 °C |
Точность измерения температуры окружающего воздуха |
±0,2 °C |
Давление окружающего воздуха |
750-1150 мбар |
Точность измерения давления окружающего воздуха |
±1,0 мбар |
Относительная влажность |
0-95% (отсутствие конденсации) |
Точность измерения относительной влажности |
±15% относительной влажности |
Точность компенсации длины волны |
±0,7 ppm |
Температура станка |
0-40 °C |
Питание |
XC80 Gold Standard: 120 В, 240 В (Выбирается пользователем) Допустимые отклонения напряжения: ±20% Допустимые отклонения частоты: 45-65 Гц Ранние модели блока XC80 рассчитаны на напряжения питания 100, 110, 220, 240 В Допустимые отклонения напряжения: ±20% Допустимые отклонения частоты: 45-65 Гц |
Параметры предохранителей |
IEC 127 Class T (медленно перегорающий) |
Датчики измерения параметров окружающей среды
Датчики измерения температуры воздуха и материала станка, показанные на рисунке, являются раздельными выносными элементами и поставляются уже в собранном виде с вмонтированным в них кабелем.
Основной недостаток приведенной системы, на мой взгляд, заключается в том, что датчики имеют проводное соединение с самим модулем. Это несколько усложняет эксплуатацию прибора, а в некоторых случаях она вообще становится невозможной (когда расстояние до объекта значительно превышает длину кабеля). Именно поэтому, на мой взгляд, необходимо разработать компактные беспроводные датчики для измерения параметров атмосферы а также температуры объекта измерения. Это должны быть не просто датчики с радиоканалом, а отдельные полноценные средства измерения с собственным АЦП и управляющим контроллером. Это позволит сразу получать от датчика необходимую величину поправки. К тому же, при использовании настраиваемого радиоканала можно расширить максимальное количество датчиков коррекции, т.е. максимально адаптировать устройство под потребности пользователя.