Способ измерения вибраций

Способ измерения вибраций

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим способам измерения параметров вибраций, и может быть использовано для контроля работоспособности узлов и модулей радиоэлектронной аппаратуры.

Известен способ измерения параметров вибраций (патент 2097710 РФ, МПК G01H 1/08. Способ исследования колебаний / Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Вагарин В.А. - №94029365/28; заявл. 05.08.1994; опубл. 27.11.1997), заключающийся в том, что на вибрирующий объект направляют лазерное излучение и принимают отраженный сигнал. Зондирующий и отраженный сигналы суммируют, полученный результирующий световой сигнал преобразуют в электрический и регистрируют спектр этого сигнала. По полученному спектру сигнала судят об амплитудах вибрации объекта. К недостаткам этого способа следует отнести сложность, громоздкость и высокую стоимость оборудования, большое энергопотребление, высокие требования к качеству поверхности исследуемого объекта, высокие требования к состоянию атмосферы (определенная влажность, отсутствие запыленности и т.п.), кроме того, не определяется направление вибраций.

Известен способ измерения параметров вибраций (патент 2061242 РФ, МПК G01P 15/08, G01H 1/00. Трехкомпонентный пьезоэлектрический виброакселерометр с одним чувствительным элементом / Кобяков И.Б. - №94019569/28; заявл. 27.05.1994; опубл. 27.05.1996), заключающийся в том, что на вибрирующем объекте устанавливается пьезоэлектрический трехкомпонентный датчик виброускорений, содержащий один чувствительный элемент. К недостаткам этого способа следует отнести то, что контактный пьезочувствительный вибродатчик является источником погрешности измерений, если его масса и габариты сравнимы с соответствующими показателями вибрирующего объекта. Если, например, требуется измерить амплитуды и направления вибраций узла радиоэлектронной аппаратуры, смонтированного на печатной плате, то погрешность, вносимая изделиями пьезокерамики в форме прямоугольных параллелепипедов с квадратным основанием около 10 мм и высотой, сравнимой с размерами основания, будет весьма существенной. К тому же, в узлах печатного монтажа, как правило, требуется измерять вибрации одновременно во многих точках этих узлов. Установка большого числа вибродатчиков с громоздким навесным монтажом может увеличить вносимую погрешность до неприемлемых величин.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения параметров вибраций (патент 2395792 РФ, МПК G01H 9/00. Способ измерения параметров вибрации объекта / Пронин С.П., Зрюмов Е.А., Юденков А.В. - №2009125845/28; заявл. 06.07.2009; опубл. 27.07.2010), заключающийся в том, что на вибрирующем объекте закрепляют трафарет с нанесенными на него группами параллельных штрихов различной ширины, имеющих общую ось симметрии, с расстоянием между штрихами в группе, равным удвоенной ширине штриха. С помощью видеокамеры формируют на экране монитора компьютера изображение трафарета с вибрационным размытием и фиксацией соответствующей частоты кадровой развертки видеокамеры, равной частоте вибрации объекта. После этого регистрируют в неподвижном изображении трафарета нулевой контраст в группе наиболее широких штрихов. По ширине штриха в этой группе судят о размахе виброперемещения объекта и, следовательно, о модуле вектора амплитуды виброперемещения этого объекта. К недостаткам этого способа следует отнести то, что измерения возможны только в том случае, если направление вектора амплитуды виброперемещения объекта перпендикулярно оси симметрии штрихов. Если это условие не выполняется, то нулевой контраст в группе штрихов не несет информации о модуле вектора амплитуды виброперемещения объекта. Т. е. измерение направления вектора амплитуды виброперемещения объекта этим способом невозможно, а измерение модуля этого вектора возможно только в том случае, если его направление известно заранее. Количество групп штрихов на трафарете должно быть равно требуемому коэффициенту перекрытия по динамическому диапазону модуля вектора амплитуды виброперемещения объекта. Поэтому с повышением требований к точности измерений усложняется трафарет, растут его масса и габаритные размеры. А это, в свою очередь, снижает точность измерений.

Техническим результатом предлагаемого способа измерения вибраций является расширение возможностей измерения параметров вибраций исследуемого объекта за счет бесконтактного трехкоординатного измерения модулей и направлений векторов амплитуды виброперемещения нескольких выбранных точек исследуемого объекта одновременно.

Предлагаемый способ измерения вибраций основывается на том, что на исследуемый объект в качестве тест-объекта наносят в требуемых местах светоотражающие метки в виде точек круглой формы, формируют бинарные растровые изображения этих меток и следов их вибрационного размытия. При отсутствии вибраций определяют координаты центра тяжести каждой метки, ее площадь и по площади определяют ее радиус. При наличии вибраций формируют бинарное растровое изображение следов вибрационного размытия меток.

Проекция вектора амплитуды виброперемещения каждой метки на направление, перпендикулярное плоскости изображения, прямо пропорциональна приращению радиуса метки вследствие ее вибрационного размытия, то есть разности между полушириной следа вибрационного размытия метки и ее радиусом, определенным при отсутствии вибрации. Направление проекции вектора амплитуды виброперемещения метки на плоскость изображения определяет угловое положение следа вибрационного размытия метки. Величина этой проекции прямо пропорциональна разности между расстоянием от центра тяжести метки до границы следа ее вибрационного размытия в направлении вибрации и полушириной этого следа.

Для определения углового положения следа вибрационного размытия каждой метки, полуширины этого следа, расстояния от центра тяжести метки до границы следа в направлении вибрации формируют дополнительную матрицу, каждый фрагмент которой представляет собой след вибрационного размытия соответствующей метки, повернутый на 90° относительно центра тяжести этой метки. Для каждой метки формируют две области непересечения, каждая из которых представляет собой область связанных элементов, принадлежащих следу вибрационного размытия метки, но не принадлежащих соответствующему фрагменту дополнительной матрицы, и определяют координаты центров тяжести областей непересечения. Из двух областей непересечения, соответствующих метке, выбирают направляющую. За направляющую область непересечения метки принимается та из ее областей непересечения, абсцисса центра тяжести которой превышает абсциссу центра тяжести этой метки. В случае равенства этих абсцисс за направляющую область непересечения принимается та, ордината центра тяжести которой превышает ординату центра тяжести метки. Из центра тяжести метки через центр тяжести ее направляющей области непересечения проводят направляющий луч метки. Определяют координаты первой и второй характеристических точек метки. Первая характеристическая точка метки представляет собой точку пересечения направляющего луча этой метки с граничным элементом соответствующего фрагмента дополнительной матрицы. Вторая характеристическая точка метки представляет собой точку пересечения направляющего луча этой метки с граничным элементом следа ее вибрационного размытия. Полуширину следа вибрационного размытия метки определяют как расстояние от центра тяжести метки до ее первой характеристической точки. Величину проекции вектора амплитуды виброперемещения на направление, перпендикулярное плоскости изображения, определяют как разность между полушириной следа вибрационного размытия метки и радиусом этой метки. Направление проекции вектора амплитуды виброперемещения метки на плоскость изображения определяют как угол наклона ее направляющего луча. Величину этой проекции определяют как разность между расстоянием от центра тяжести метки до второй характеристической точки этой метки и полушириной следа ее вибрационного размытия. В результате решается задача бесконтактного трехкоординатного измерения модулей и направлений векторов амплитуды виброперемещения нескольких выбранных точек исследуемого объекта одновременно.

На фиг.1 представлена структура следа вибрационного размытия метки. На фиг.2 представлена взаимно ортогональная система следов вибрационного размытия меток и соответствующих им элементов дополнительной матрицы. На фиг.3 представлена структура областей непересечения меток. На фиг.4 представлена структура следов вибрационного размытия меток с обозначенными на них центрами тяжести областей непересечения меток. На фиг.5 представлена структура следов вибрационного размытия меток с обозначенными на них центрами тяжести областей непересечения меток, центрами тяжести меток и направляющими лучами меток. На фиг.6 представлена структура следов вибрационного размытия меток с обозначенными на них центрами тяжести меток, направляющими лучами меток и вторыми характеристическими точками меток. На фиг.7 представлена структура фрагментов дополнительной матрицы с обозначенными на них центрами тяжести меток, направляющими лучами меток и первыми характеристическими точками меток.

Бесконтактное трехкоординатное измерение модулей и направлений векторов амплитуды виброперемещения нескольких выбранных точек исследуемого объекта одновременно достигается за счет того, что движение любой точки исследуемого объекта описывается в трехмерной системе координат, в которой вектор движения характеризует величину и направление действия вибрации. Проекции вектора амплитуды виброперемещения на оси координат однозначно определяют модуль этого вектора и его направление в заданной системе координат.

Для регистрации вибраций выбирают несколько участков исследуемого объекта, на каждый из которых наносят светоотражающие метки круглой формы. Формируют бинарное изображение этих меток. При отсутствии вибраций по этому изображению определяют координаты центров тяжести меток, их площади и по этим площадям вычисляют радиусы меток. При наличии вибраций происходит модуляция местоположения меток в направлении действия вибраций в плоскости изображения, а также в перпендикулярном к этой плоскости направлении. В результате формируется изображение следов вибрационного размытия меток. Плоское изображение следа вибрационного размытия метки несет полную информацию о проекциях вектора амплитуды виброперемещения этой метки на координатные оси в трехмерном пространстве, то есть о величине и направлении этого вектора. Если принять, что в декартовой системе координат плоскость изображения «Х0Y», а ось Z перпендикулярна плоскости изображения, то модуль вектора амплитуды виброперемещения метки:

A k = ( A z k ) + ( A x y k ) 2                                                                ( 1 )

где k - порядковый номер метки; А^k - модуль вектора амплитуды виброперемещения k-й метки; A z k - проекция вектора амплитуды виброперемещения k-й метки на направление, перпендикулярное плоскости изображения; A x y k - проекция вектора амплитуды виброперемещения k-й метки на плоскость изображения.

Предлагаемый способ позволяет по следу вибрационного размытия метки выделить величину и направление проекции вектора амплитуды виброперемещения метки в плоскости изображения и величину проекции этого вектора на направление, перпендикулярное этой плоскости. Процесс определения составляющих вектора амплитуды виброперемещения метки по следу ее вибрационного размытия можно разделить на несколько этапов. Первым из них является формирование изображения следов вибрационного размытия меток. Из всего многообразия считывающих устройств наиболее распространены устройства телевизионного типа с применением приборов с зарядовой связью, на мишени которых величина накопленного заряда пропорциональна освещенности ячейки матрицы мишени и времени воздействия света на эту ячейку. Таким образом, уже на мишени считывающего устройства за время накопления заряда, равного примерно периоду повторения считывания кадров, формируется весь след или его часть. Вполне очевидно, что весь след при частоте вибрации менее частоты считывания кадров на мишени считывающего устройства зафиксировать невозможно. Поэтому полностью след вибрационного размытия метки в этом случае следует записывать в течение нескольких кадров и сохранять на время, необходимое для дальнейшей обработки в виде фрагмента матрицы следов вибрационного размытия меток, размер которой совпадает с размером матрицы считывающего устройства. Для примера: при частоте вибраций 1 Гц и при частоте кадров 50 Гц требуется накапливать заряд в течение времени более чем 1 сек, то есть в течение более чем 50 кадров. При частоте вибраций более 50 Гц требуется один кадр считывания. Матрица следов вибрационного размытия меток состоит из бинарных элементов. Поэтому уровень логической «1», соответствующий элементу следа вибрационного размытия метки, при последующем обращении к той же ячейке подтверждается и сохраняется на время последующей обработки. Структура следа вибрационного размытия метки представлена на фиг.1.

Для определения проекций векторов амплитуд виброперемещения меток на плоскость изображения А_xy и на направление, перпендикулярное этой плоскости, А_z формируют дополнительную матрицу путем поворота каждого фрагмента матрицы следов вибрационного размытия меток относительно центра тяжести соответствующей метки по часовой стрелке на девяносто градусов. Матрица следов вибрационного размытия меток и дополнительная матрица образуют взаимно ортогональную систему (фиг.2). Последовательность действий с матрицей следов вибрационного размытия меток и дополнительной матрицей осуществляют следующим образом. Формируют области непересечения, определяемые как области связанных элементов, принадлежащих фрагменту матрицы следов вибрационного размытия меток, но не принадлежащих соответствующему ему фрагменту дополнительной матрицы. В результате этого действия в пределах следа вибрационного размытия каждой метки формируется две области непересечения этой метки. Определяют координаты центра тяжести каждой области непересечения каждой метки (фиг.3).

Определяют направляющую область непересечения каждой метки. В качестве направляющей принимается та область непересечения метки, абсцисса центра тяжести которой превышает абсциссу центра тяжести метки. В случае равенства этих абсцисс в качестве направляющей принимается та область непересечения метки, ордината центра тяжести которой превышает ординату центра тяжести метки. Определяют угол наклона проекции вектора амплитуды виброперемещения каждой метки на плоскость изображения по отношению к системе координат «Х0Y» (фиг.4):

ϕ k = a r c t g y 02 k − y 0 k x 02 k − x 0 k                                                                                             ( 2 ) ,

где k - порядковый номер метки; φ^k - угол наклона проекции вектора амплитуды виброперемещения k-й метки по отношению к системе координат «Х0Y»; y 02 k и y 0 k - ординаты центров тяжести направляющей области пересечения k-й метки и самой этой метки соответственно; x 02 k и x 0 k - абсциссы центров тяжести направляющей области пересечения k-й метки и самой этой метки соответственно.

Из центра тяжести каждой k-й метки через центр тяжести ее направляющей области непересечения проводят направляющий луч k-й метки (фиг.5), фиксируют координаты точки пересечения направляющего луча k-й метки и границы следа ее вибрационного размытия n^k (фиг.6) как координаты второй характеристической точки k-й метки. Расстояние от центра тяжести k-й метки до границы следа ее вибрационного размытия в направлении вибрации определяют как расстояние от центра тяжести k-й метки до ее второй характеристической точки n^k:

l x y k ( y n k − y 0 k ) 2 + ( x n k − x 0 k ) 2                                                                  ( 3 ) .

Фиксируют координаты точки пересечения направляющего луча k-й метки и границы соответствующего ей фрагмента дополнительной матрицы h^k (фиг.7) как координаты первой характеристической точки k-й метки. Полуширину следа вибрационного размытия k-й метки δ^k определяют как расстояние от центра тяжести k-й метки до ее первой характеристической точки h^k:

δ k = ( y n k − y 0 k ) 2 + ( x n k − x 0 k ) 2                                                                     ( 4 ) .

Вычисляют разность между расстоянием от центра тяжести k-й метки до границы следа ее вибрационного размытия в направлении вибрации и полушириной следа ее вибрационного размытия L x y k :

L x y k = l x y k − δ k                                                                                                ( 5 ) .

Вычисляют разность L z k между полушириной следа вибрационного размытия k-й метки δ^k и ее радиусом r^k:

L z k = δ k − r k                                                                                                  ( 6 ) .

Вычисляют величину проекции вектора амплитуды виброперемещения k-й метки на плоскость изображения A x y k :

A x y k = y k ⋅ L x y k                                                                                                    ( 7 ) ,

где γ^k - масштабный коэффициент, связанный со свойствами оптической системы для k-й метки.

Абсциссу вектора амплитуды виброперемещения k-й метки A x k определяют по формуле:

A x k = A x y k cos ϕ k                                                                                                   ( 8 ) .

Ординату вектора амплитуды виброперемещения k-й метки A y k определяют по формуле:

A y k = A x y k S i n ϕ k                                                                                            ( 9 ) .

Вычисляют величину проекции вектора амплитуды виброперемещения k-й метки на направление, перпендикулярное плоскости изображения A z k :

A z k = R k ⋅ L z k                                                                                                      ( 10 ) ,где R^k - масштабный коэффициент, связанный со свойствами оптической системы при расфокусировке изображения для k-й метки.

Величина проекции вектора амплитуды виброперемещения k-й метки на направление, перпендикулярное плоскости изображения A z k является аппликатой вектора амплитуды виброперемещения k-й метки.

По формуле (1) определяют модуль вектора амплитуды виброперемещения каждой k-й метки.

Таким образом, определяют три проекции, модуль и направление вектора амплитуды виброперемещения каждой k-й метки.

Способ измерения вибраций, включающий закрепление на исследуемом объекте тест-объекта и регистрацию изображения этого тест-объекта с вибрационным размытием, отличающийся тем, что на исследуемый объект в качестве тест-объекта наносят в требуемых местах светоотражающие метки в виде точек круглой формы, формируют бинарные изображения этих меток и следов их вибрационного размытия, при отсутствии вибраций определяют координаты центров тяжести меток и их радиусы, при наличии вибраций формируют дополнительную матрицу, каждый фрагмент которой представляет собой след вибрационного размытия соответствующей метки, повернутый на 90° относительно центра тяжести этой метки, для каждой метки формируют по две области непересечения, каждая из которых представляет собой область связанных элементов, принадлежащих следу вибрационного размытия метки, но не принадлежащих соответствующему фрагменту дополнительной матрицы, определяют координаты центров тяжести областей непересечения, из центра тяжести метки через центр тяжести одной из ее областей непересечения проводят направляющий луч метки, определяют две характеристические точки метки, первая из которых является точкой пересечения направляющего луча метки и границы соответствующего ей фрагмента дополнительной матрицы, а вторая является точкой пересечения направляющего луча метки и границы следа ее вибрационного размытия, полуширину следа вибрационного размытия метки определяют как расстояние от центра тяжести этой метки до ее первой характеристической точки, величину проекции вектора амплитуды виброперемещения метки на направление, перпендикулярное плоскости изображения, определяют как разность между полушириной следа вибрационного размытия этой метки и ее радиусом, величину проекции вектора амплитуды виброперемещения метки на плоскость изображения определяют как разность между расстоянием от центра тяжести этой метки до ее второй характеристической точки и полушириной следа ее вибрационного размытия, направление этой проекции определяют как угол наклона направляющего луча метки в плоскости изображения.