Методи вимірювання вібрації

Сучасні технології вимагають безперервного контролю за багатьма параметрами технологічного процесу та контролю стану обладнання. Одними з найважливіших є параметри механічного руху, зокрема параметри періодичних переміщень досліджуваного об'єкта в просторі (вібрації). Цими параметрами є вібропереміщення (амплітуда вібрації) і віброшвидкості (частота вібрації). Подібний контроль необхідний в самих різних областях: у напівпровідниковій електроніці (контроль вібрації установок для вирощування кристалів), у 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), в 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, заснованих на різних ефектах. Всі вони мають свої переваги і недоліки. Крім того, існують певні труднощі в теоретичному описі й моделюванні роботи вібродатчиків. ОГЛЯД МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ВІБРАЦІЇ. Існує дві групи методів вимірювання параметрів вібрацій: контактні, які передбачають механічний зв'язок датчика з досліджуваним об'єктом, і безконтактні, тобто не пов'язані з об'єктом механічним зв'язком. Розглянемо спочатку контактні методи. Найбільш простими є методи реєстрації вібрацій за допомогою п'єзоелектричних датчиків. Вони дозволяють проводити вимірювання з високою точністю в діапазоні низьких частот і відносно великих амплітуд вібрації, які внаслідок своєї високої інерційності, що призводить до спотворення форми сигналу робить неможливим вимір вібрацій високої частоти і малої амплітуди. Крім того, якщо маса досліджуваного об'єкта, а отже і його інерційність не велика, то такий датчик може істотно впливати на характер вібрації, що вносить додаткову помилку у виміри. Ці недоліки дозволяє усунути метод відкритого резонатора, описаний в [1]. Суть методу полягає у вимірюванні параметрів НВЧ резонатора, що змінюються внаслідок вібрації досліджуваного об'єкта. Резонатор має два дзеркала, причому одне з них фіксовано, а інше механічно пов'язано з досліджуваним об'єктом. Реєстрація переміщень при малих амплітудах вібрацій проводиться амплітудним методом по зміні вихідної потужності у разі прохідний схеми включення резонатора або відображеної потужності, у випадку застосування кінцевого включення. Цей метод вимірювання потребує сталості потужності, що підводиться до резонатора і високої стабільності частоти збудження. У разі великих амплітуд вібрацій реєструється зсув 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 малої інерційністю в порівнянні з описаним вище, але його застосування рекоменуется, якщо маса дзеркала принципово менше маси досліджуваного об'єкта. Проте механічний зв'язок датчика з досліджуваним об'єктом далеко не завжди допустима, тому останні роки основна увага приділяється розробці безконтактних методів вимірювання параметрів вібрацій. Крім того, їх загальним перевагою є відсутність впливу на досліджуваний об'єкт і зневажливо мала інерційність. Всі безконтактні методи засновані на зондуванні об'єкта звуковими і електромагнітними хвилями. Однією з останніх розробок є метод ультразвукової фазометрії, описаний в [2]. Він полягає у вимірі поточного значення різниці фаз опорного сигналу ультразвукової частоти і сигналу, відбитого від досліджуваного об'єкта. В якості чутливих елементів використовується п'єзоелектрична кераміка. На частоті ультразвуку 240 кГц. чутливість вимірювання 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. З зростанням частоти зондуючого сигналу чутливість зростає. В якості достоїнств методу можна відзначити дешевизну і компактність апаратури, малий час виміру, відсутність обмеження знизу на частотний діапазон, високу точність вимірювання низькочастотних вібрацій. Недоліками є сильне загасання ультразвуку в повітрі, залежність від стану атмосфери, зменшення точності вимірювання з зростанням частоти вібрації. Великого поширення набули методи, засновані на зондуванні об'єкта видимим світлом. Опис і порівняння основних оптичних методів наведено в [3]. Всі оптичні методи поділяються на дві групи. До першої відносяться методи, засновані на реєстрації ефекту Допплера. Найпростішим з них є гомодінний метод, який дозволяє вимірювати амплітуди і фази гармонічних вібрацій, але з його допомогою неможливо дослідити негармонійні і великі по амплітуді вібрації. Ці недоліки можна усунути використовуючи гетеродинні методи. Але вони вимагають калібрування і, крім того, вимірювальна апаратура сильно ускладнюється. Істотним недоліком перерахованих вище методів є високі вимоги до якості поверхні досліджуваного об'єкта. Але вони втрачають своє значення при використанні голографічних методів, які і утворюють другу групу. Голографічні методи володіють високою роздільною здатністю (до 0.05), але вони вимагають складного і дорогостоющего обладнання. Крім того, час вимірювань дуже велике. Загальними недоліками оптичних методів є складність, громоздскость та висока вартість обладнання, велике енергоспоживання, високі вимоги до якості поверхні досліджуваного об'єкта, високі вимоги до стану атмосфери (певна вологість, відсутність запиленості і т.п.). Крім того, лазерне випромінювання має шкідливий вплив на зір обслуговуючого персоналу і вимагає додаткових запобіжних заходів і захисту. Частина цих недоліків можна усунути застосовуючи методи, засновані на використанні СВЧ випромінювання [4]. Вони поділяються на інтерференційні і резонаторні. В основі інтерференційних методів лежить зондування досліджуваного об'єкта хвилями ВЧ і НВЧ діапазонів, прийом і аналіз відображених (розсіяних) об'єктом хвиль. Між випромінювачем і досліджуваним об'єктом в результаті інтерференції утворюється стояча хвиля. Вібрація об'єкта призводить до амплітудної та фазової модуляції відбитої хвилі й до утворення сигналу биття. У виділеного сигналу змінного струму амплітуда пропорційна вібропереміщення, а частота відповідає частоті вібрації об'єкта. Один з варіантів інтерференційного методу описаний в [5]. Резонаторні методи засновані на розміщенні вібруючого об'єкта в полі СВЧ резонатора (зовні або, хоча б частково всередині його), внаслідок чого змінюються характеристики резонатора. Безконтактне вимірювання параметрів вібрацій резонаторних методом можливо і при включенні приймально-передавальної антени в частотнозадающую ланцюг НВЧ генератора, тобто при роботі в автогенераторного режимі. Такі системи називаються автодин генераторами або просто автодин. В [5] наведено приклад автодинного вимірювача вібрацій на відбивної клістроні. Недолік полягає в тому, що клістрон вимагає великих живлячих напруг, що призводить до збільшення розмірів апаратури і великому енергоспоживанню. Але цього можна уникнути, якщо як НВЧ генератора використовувати твердотільні НВЧ діоди (ДГ, ЛПД, ІПД, ТД і т.д.).