Двухзондовый метод измерения параметров движения механических объектов
Предложен двухзондовый интерференционный метод измерения как величины, так и направления перемещения элементов механических систем. Дифференцирование токов соединенных с зондами полупроводниковых детекторов позволяет исключить неизвестный коэффициент отражения. Устранение неопределенности в определе...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2011
|
| Schriftenreihe: | Техническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88191 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Двухзондовый метод измерения параметров движения механических объектов / О.В. Пилипенко, Н.Б. Горев, А.В. Доронин, И.Ф. Коджеспирова, Е.Н. Привалов // Техническая механика. — 2011. — № 2. — С. 3-7. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-88191 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-881912015-11-10T03:02:08Z Двухзондовый метод измерения параметров движения механических объектов Пилипенко, О.В. Горев, Н.Б. Доронин, А.В. Коджеспирова, И.Ф. Привалов, Е.Н. Предложен двухзондовый интерференционный метод измерения как величины, так и направления перемещения элементов механических систем. Дифференцирование токов соединенных с зондами полупроводниковых детекторов позволяет исключить неизвестный коэффициент отражения. Устранение неопределенности в определении перемещения производится без использования промежуточной частоты, что упрощает аппаратную реализацию метода. Экспериментальная проверка показала достаточную точность измерения для перемещений, в несколько раз превышающих длину волны зондирующего электромагнитного излучения. Запропоновано двозондовий інтерференційний метод вимірювання як величини, так і напрямку переміщення елементів механічних систем. Диференціювання струмів з’єднаних із зондами напівпровідникових детекторів дозволяє виключити невідомий коефіцієнт відбиття. Невизначеність у визначенні переміщення усувається без застосування проміжної частоти, що спрощує апаратну реалізацію методу. Експериментальна перевірка продемонструвала достатню точність вимірювання для переміщень, що в декілька разів перевищують довжину хвилі зондуючого електромагнітного випромінювання. A two-probe interference method is proposed to measure both the magnitude and the direction of the displacement of mechanical elements. Differentiation of the currents of the semiconductor detectors connected to the probes eliminates the unknown reflectivity. Ambiguity in displacement determination is resolved without recourse to an intermediate frequency thus simplifying the hardware implementation of the method. Experimental verification has demonstrated reasonable measurement accuracy for displacements that are several times as large as the probing electromagnetic wavelength. 2011 Article Двухзондовый метод измерения параметров движения механических объектов / О.В. Пилипенко, Н.Б. Горев, А.В. Доронин, И.Ф. Коджеспирова, Е.Н. Привалов // Техническая механика. — 2011. — № 2. — С. 3-7. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88191 621.002.56 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Предложен двухзондовый интерференционный метод измерения как величины, так и направления перемещения элементов механических систем. Дифференцирование токов соединенных с зондами полупроводниковых детекторов позволяет исключить неизвестный коэффициент отражения. Устранение неопределенности в определении перемещения производится без использования промежуточной частоты, что упрощает аппаратную реализацию метода. Экспериментальная проверка показала достаточную точность измерения для перемещений, в несколько раз превышающих длину волны зондирующего электромагнитного излучения. |
| format |
Article |
| author |
Пилипенко, О.В. Горев, Н.Б. Доронин, А.В. Коджеспирова, И.Ф. Привалов, Е.Н. |
| spellingShingle |
Пилипенко, О.В. Горев, Н.Б. Доронин, А.В. Коджеспирова, И.Ф. Привалов, Е.Н. Двухзондовый метод измерения параметров движения механических объектов Техническая механика |
| author_facet |
Пилипенко, О.В. Горев, Н.Б. Доронин, А.В. Коджеспирова, И.Ф. Привалов, Е.Н. |
| author_sort |
Пилипенко, О.В. |
| title |
Двухзондовый метод измерения параметров движения механических объектов |
| title_short |
Двухзондовый метод измерения параметров движения механических объектов |
| title_full |
Двухзондовый метод измерения параметров движения механических объектов |
| title_fullStr |
Двухзондовый метод измерения параметров движения механических объектов |
| title_full_unstemmed |
Двухзондовый метод измерения параметров движения механических объектов |
| title_sort |
двухзондовый метод измерения параметров движения механических объектов |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| publishDate |
2011 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88191 |
| citation_txt |
Двухзондовый метод измерения параметров движения механических объектов / О.В. Пилипенко, Н.Б. Горев, А.В. Доронин, И.Ф. Коджеспирова, Е.Н. Привалов // Техническая механика. — 2011. — № 2. — С. 3-7. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Техническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT pilipenkoov dvuhzondovyjmetodizmereniâparametrovdviženiâmehaničeskihobʺektov AT gorevnb dvuhzondovyjmetodizmereniâparametrovdviženiâmehaničeskihobʺektov AT doroninav dvuhzondovyjmetodizmereniâparametrovdviženiâmehaničeskihobʺektov AT kodžespirovaif dvuhzondovyjmetodizmereniâparametrovdviženiâmehaničeskihobʺektov AT privaloven dvuhzondovyjmetodizmereniâparametrovdviženiâmehaničeskihobʺektov |
| first_indexed |
2025-07-06T15:53:12Z |
| last_indexed |
2025-07-06T15:53:12Z |
| _version_ |
1836913465550176256 |
| fulltext |
УДК 621.002.56
О.В. ПИЛИПЕНКО, Н.Б. ГОРЕВ, А.В. ДОРОНИН,
И.Ф. КОДЖЕСПИРОВА, Е.Н. ПРИВАЛОВ
ДВУХЗОНДОВЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ
МЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Предложен двухзондовый интерференционный метод измерения как величины, так и направления
перемещения элементов механических систем. Дифференцирование токов соединенных с зондами полу-
проводниковых детекторов позволяет исключить неизвестный коэффициент отражения. Устранение неоп-
ределенности в определении перемещения производится без использования промежуточной частоты, что
упрощает аппаратную реализацию метода. Экспериментальная проверка показала достаточную точность
измерения для перемещений, в несколько раз превышающих длину волны зондирующего электромагнит-
ного излучения.
Запропоновано двозондовий інтерференційний метод вимірювання як величини, так і напрямку пе-
реміщення елементів механічних систем. Диференціювання струмів з’єднаних із зондами напівпровідни-
кових детекторів дозволяє виключити невідомий коефіцієнт відбиття. Невизначеність у визначенні пере-
міщення усувається без застосування проміжної частоти, що спрощує апаратну реалізацію методу. Експе-
риментальна перевірка продемонструвала достатню точність вимірювання для переміщень, що в декілька
разів перевищують довжину хвилі зондуючого електромагнітного випромінювання.
A two-probe interference method is proposed to measure both the magnitude and the direction of the
displacement of mechanical elements. Differentiation of the currents of the semiconductor detectors connected to
the probes eliminates the unknown reflectivity. Ambiguity in displacement determination is resolved without
recourse to an intermediate frequency thus simplifying the hardware implementation of the method. Experimental
verification has demonstrated reasonable measurement accuracy for displacements that are several times as large as
the probing electromagnetic wavelength.
Для построения измерителей параметров движения, в частности вибра-
ций весьма привлекательно применение микроволновых методов. Это обу-
словлено целым рядом причин, наиболее весомыми из которых являются бе-
зынерционность и отсутствие механического контакта с испытываемым объ-
ектом. Одним из распространенных микроволновых методов, применяемых
для измерения параметров движения, является интерференционный метод [1,
2]. В основе этого метода лежит свойство суперпозиции электромагнитных
волн, благодаря которому в результате зондирования контролируемого объ-
екта электромагнитной волной между излучающим устройством и объектом
образуется стоячая волна. С помощью зонда и соединенного с ним детектора
регистрируется электрическое поле этой волны, модулированное вибрациями
объекта. Однако непосредственное определение величины перемещения по
току детектора без применения специальных методов обработки сигнала воз-
можно только для перемещений, не превышающих /4, где – длина волны
электромагнитного излучения. Это связано с тем, что тригонометрическое
уравнение, связывающее расстояние между зондом и объектом с током де-
тектора, имеет множество решений. В работах [3, 4] предложен метод, позво-
ляющий существенно расширить диапазон измеряемых перемещений. Для
исключения неоднозначности определения перемещения движущегося объ-
екта из тригонометрического уравнения там используется тот факт, что коор-
дината и скорость объекта должны быть непрерывными величинами. Однако
этот метод, позволяя определить величину относительного перемещения объ-
екта, не позволяет определить направление перемещения. Метод, позволяю-
щий определить как величину, так и направление перемещения, предложен в
работе [5]. Он основан на использовании двух зондов, отстоящих друг от
друга на расстоянии /8. Однако при этом коэффициент отражения электро-
магнитной волны от движущегося объекта должен быть определен заранее.
3
О.В. Пилипенко, Н.Б. Горев, А.В. Доронин, И.Ф. Коджеспирова, Е.Н. Привалов, 2011
Техн. механика. – 2011. – № 2.
Поскольку коэффициент отражения различен для различных объектов и зави-
сит от состояния поверхности объекта, то его необходимо определять перед
каждым измерением. Предварительного определения коэффициента отраже-
ния не требуется в методе, предложенном в [6]. В этом методе зондирующий
сигнал модулируется сигналом промежуточной частоты, длина волны кото-
рого значительно больше длины волны зондирующего сигнала. Отраженный
от объекта модулированный сигнал смешивается с немодулированным опор-
ным сигналом, выделяются квадратурные сигналы промежуточной частоты,
образовавшиеся в результате этого смешения, и по этим квадратурным сиг-
налам определяется расстояние до объекта. Поскольку длина волны сигнала
промежуточной частоты намного превышает длину волны зондирующего
сигнала, то расстояние определяется однозначно. Однако вследствие исполь-
зования промежуточной частоты аппаратная реализация этого метода являет-
ся достаточно сложной и требует таких приборов, как фазовый манипулятор
для модуляции зондирующего сигнала сигналом промежуточной частоты;
цифро-аналоговый преобразователь, модулирующий сигнал промежуточной
частоты; балансный смеситель, в котором осуществляется интерференция
модулированного отраженного сигнала с немодулированным опорным сигна-
лом и на выходе которого выделяются квадратурные сигналы промежуточной
частоты.
Целью данной работы является разработка метода измерения, позволяю-
щего определить как величину, так и направление относительного перемеще-
ния для случая произвольного соотношения между амплитудой перемещения
и длиной волны электромагнитного излучения при неизвестном коэффициен-
те отражения без использования промежуточной частоты. Как будет показано
ниже, эта цель может быть достигнута при проведении зондовых измерений
напряженности электрического поля в двух пространственно разделенных
точках с использованием дифференцирования токов детекторов для исклю-
чения неизвестного коэффициента отражения.
Пусть мы имеем два зонда 1 и 2, расположенных между излучателем и
контролируемым объектом и отстоящих друг от друга на расстоянии 8 ,
причем ближе к объекту расположен зонд 2. Если через обозначить рас-
стояние между контролируемым объектом и зондом 1, то для токов
детекторов 1 и 2, соединенных с соответствующими зондами, в предположе-
нии квадратичности их вольт-амперных характеристик будем иметь
x
21 JJ ,
x
CBJ
4
111 cos , (1)
x
CBJ
4
222 sin . (2)
Коэффициенты и следующим образом выражаются через
модуль коэффициента отражения r
11 CB , 22 CB ,
2201021 1 rJB ,, , 201021 2 ,, rJC , (3)
где 20 – токи детекторов 1 и 2 в режиме согласованной нагрузки
(
10 JJ ,
r 0).
4
Задача заключается в том, чтобы найти зависимость от времени по
измеренным зависимостям , считая неизвестным. Поскольку
нас интересует относительное перемещение, то для этого достаточно найти
скорость перемещения (здесь и далее точка будет означать дифференциро-
вание по времени) и затем получить относительное перемещение интегриро-
ванием скорости. Скорость же может быть найдена дифференцированием то-
ков детекторов. Дважды продифференцировав (1) и (2) по времени, получим
x t
)(),( tJtJ 21 r
x
x
x
rJ
J
48 10
1 sin , (4)
x
x
rJ
J
48 20
2 cos , (5)
x
xJr
x
xJ
r
J
44
2
48 2
10
2
101 cossin , (6)
x
xJr
x
xJ
r
J
44
2
48 2
20
2
202 sincos . (7)
Умножив (7) на и (6) на и вычтя полученные выражения друг из
друга, найдем
1J
2J
xJJ
xr
JJJJ
1020
222
2112
416
. (8)
Входящее в (8) произведение можно выразить через производные
токов детекторов. Для этого разрешим (4) и (5) относительно тригонометри-
ческих функций
22xr
10
1
8
4
Jxr
Jx
sin , (9)
20
2
8
4
Jxr
Jx
cos . (10)
Выражение для 22xr получим, возведя (9) и (10) в квадрат и сложив их
2
20
2
2
2
10
2
1
2
22
8 J
J
J
J
xr
. (11)
Подставив выражение (11) в формулу (8), найдем искомую скорость x
kJJk
JJJJ
x
2
2
2
1
2112
4
, (12)
где введено обозначение 1020 JJk .
5
Рассмотрим случай обращения в ноль знаменателя формулы (12). Этот
знаменатель может стать равным нулю только при одновременном обраще-
нии в ноль производных и . Из (4) и (5) следует, что это может про-
изойти только при
1J
2J
0x , поскольку синус и косинус не могут быть равными
нулю одновременно. Таким образом, формула для определения скорости
принимает вид
.,
,,
0
4
00
2
2
2
12
2
2
1
2112
2
2
2
1
JJ
kJJk
JJJJ
JJ
x
(13)
Если известна скорость , то относительное перемещение объекта x x
(относительно его положения в начальный момент времени 0) определя-
ется интегрированием скорости по времени.
t
Экспериментальная проверка данного метода проведена на стенде, со-
стоящем из измерительного преобразователя, включающего волноводную
измерительную линию с установленным в ней детекторным блоком и рупор-
ную антенну; СВЧ-генератора; компьютера с аналого-цифровым преобразо-
вателем и кривошипно-шатунного механизма с приводом от электродвигате-
ля, приводящего отражательную поверхность (металлический диск) в воз-
вратно-поступательное движение соосно направлению распространения элек-
тромагнитной волны генератора по рупору.
Создаваемое генератором электромагнитное излучение проходило через
волноводную линию, излучалось рупорной антенной, достигало колеблюще-
гося металлического диска и отражалось от него, в результате чего в волно-
водной линии образовывалась стоячая волна, амплитуда которой регистриро-
валась детекторным блоком. Длина волны электромагнитного излучения, из-
меренная в волноводной линии, была равна wg 3,725 см, что соответство-
вало длине волны в свободном пространстве
22Wwgwg0 1 2,90 см,
где W 2,3 см – ширина широкой стенки волноводной линии. Диаметр диска
был равен 30 см, т.е. выполнялось соотношение d 10 d , обеспечи-
вающее практическое отсутствие дифракционных эффектов. Частота колеба-
ний диска (частота вращения электродвигателя) регулировалась величиной
напряжения на электродвигателе. Размах колебаний диска (удвоенный радиус
кривошипа) был равен 15,0 см.
Токи детекторов регистрировались с помощью аналого-цифрового пре-
образователя L-Card E14-140. Измерения производились с шагом по времени
0,02 мс. Для последующего дифференцирования с целью определения
величины относительного перемещения металлического диска производилась
полиномиальная аппроксимация измеренных временных зависимостей токов
детекторов.
t
На рис.1 приведена временная зависимость относительного переме-
щения диска, полученная интегрированием скорости, найденной из произ-
водных токов полупроводниковых детекторов по формуле (13). Опреде-
ленный из этой зависимости размах колебаний диска лежит в диапазоне
14,7 – 15,3 см, то есть ошибка измерения размаха лежит в пределах 2%.
6
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
x, см
t, c
Рис. 1
Таким образом, предложенный двухзондовый метод измерения парамет-
ров движения механических систем позволяет определять как величину, так и
направление перемещения при неизвестном коэффициенте отражения и
обеспечивает достаточную точность измерения в случае перемещений, в не-
сколько раз превышающих длину волны зондирующего электромагнитного
излучения. Неопределенность в определении перемещения из тригонометри-
ческих уравнений устраняется без использования промежуточной частоты,
что упрощает аппаратную реализацию метода. Данный метод может быть
использован при разработке микроволновых измерителей перемещения для
различных классов виброзащитных систем и систем управления технологиче-
скими процессами.
1. Викторов В. А. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов / В. А. Викторов,
Б. В. Лункин, А. С. Совлуков – М. : Энергоатомиздат, 1989. – 208 с.
2. Руденко Д. Ф. Радиоволновой измеритель параметров вибраций / Д. Ф. Руденко, А. И. Волковец,
А. В. Гусинский, А. М. Кострикин, О. О. Герасименок, А. Б. Дзисяк // СВЧ-техника и телекоммуникаци-
онные технологии : 15-я Международная конференция, 12 – 16 сентября 2005 г., Севастополь : материа-
лы конференции. – Севастополь : Вебер, 2005. – С. 829 – 830.
3. Пилипенко О. В. Моделирование процесса измерения параметров вибрации / О. В. Пилипенко,
Н. Б. Горев, Л. Г. Запольский, И. Ф. Коджеспирова, Е. Н. Привалов // Техническая механика. – 2003. –
№ 2. – С. 25 – 32.
4. Пилипенко О. В. Измерение параметров движения интерференционным методом в широком диапазоне
амплитуд перемещений / О. В. Пилипенко, Н. Б. Горев, Л. Г. Запольский, П. И. Заболотный,
И. Ф. Коджеспирова, Е. Н. Привалов // Техническая механика. – 2008. – № 1. – С. 100 – 107.
5. Пилипенко О. В. Измерение параметров движения механических интерференционным методом с исполь-
зованием двух зондов / О. В. Пилипенко, Н. Б. Горев, М. М. Жечев, Л. Г. Запольский, П. И. Заболотный,
И. Ф. Коджеспирова, Е. Н. Привалов // Техническая механика. – 2009. – № 1. – С. 111 – 117.
6. Волковец А. И. Радиоволновой бесконтактный метод измерения параметров движения и вибрации /
А. И. Волковец, Д. Ф. Руденко, А. В. Гусинский, А. М. Кострикин // Доклады БГУИР. – 2007. – № 4. –
С. 58 – 64.
Институт технической механики Получено 12.04.11,
НАН Украины и НКА Украины, в окончательном варианте 12.04.11
Днепропетровск
7
|