СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДЫ ВИБРАЦИИ

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники.

В настоящее время интенсивно развиваются методы определения амплитуды вибрации, основанные на дистанционном зондировании вибрирующей поверхности в оптическом и СВЧ диапазонах. В их основе лежит зависимость соотношения амплитуд гармоник доплеровского спектра отраженного сигнала от амплитуды вибрации.

Известен способ определения амплитуды вибрации путем дистанционного зондирования в СВЧ диапазоне электромагнитных волн [Пинчук А.Н. Дистанционное определение амплитуды вибрации корпуса судна // Наука и образование. 2014. №6. С.270-278]. Особенность этого, аналога заключается в том, то для определения амплитуды вибрации используется отношение первой и второй гармоник отраженного сигнала. Этим объясняется недостаток аналога: он может быть использован только при определенных условиях: когда среднее расстояние L между локатором и облучаемой поверхностью известно, или расстояние L меняется в течение сеанса измерений таким образом, что значения ϕ фазового сдвига равномерно распределены на интервале (0, 2π). В противном случае точность измерения амплитуды вибрации будет низкой.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ определения амплитуды вибрации [Запевалов А.С., Пинчук А.Н, Способ дистанционного определения амплитуды вибрации // Патент РФ №2642517. Приоритет 05.04.2016, опубликовано 25.01.2018, Бюл. №3].

Такие признаки прототипа, как облучение вибрирующего объекта когерентным источником излучения, регистрация отраженного сигнала, измерение частоты вибрации, измерение амплитуд гармоник отраженного сигнала в заданной совокупности гармоник, начиная с первой, отбор по полученным значениям амплитуд пары гармоник, вычисление для этой пары отношения амплитуд и использование этого Отношения для расчета амплитуды вибрации, совпадают с существенными признаками заявленного технического решения.

Новыми по отношению к прототипу являются следующие существенные признаки заявленного изобретения: измеряют амплитуды гармоник в такой совокупности гармоник отраженного сигнала, в которой установился монотонный спад амплитуд, определяют, порядок k-ой гармоники, имеющей максимальную амплитуду А_k, выбирают амплитуду А_k+2 гармоники порядка k+2 и вычисляют отношение A_k+2/A_k, с использованием которого вычисляют амплитуду вибрации.

Из указанных отличительных существенных признаков, характеризующих заявленное изобретение, в уровне техники не известны такие приемы: в процессе измерений используют такую заданную исследуемую совокупность последовательных гармоник отраженного сигнала, которая включает не только первые четыре гармоники, но и более старшие (более высоких порядков), при этом совокупность гармоник такова, что в ней выявлен стабильно установившийся монотонный спад значений измеренных амплитуд гармоник.

Физическая основа дистанционного определения амплитуды вибрации заключается в следующем. Пусть при вибрации смещения поверхности происходят по гармоническому закону

где t - время;

ξ₀ - амплитуда вибрации;

Ω - частота вибрации.

После фазового детектирования отраженный сигнал имеет следующий вид [Пинчук А.Н. Дистанционное определение амплитуды вибрации корпуса судна // Наука и образование. 2014. №6. С. 270-278. DOI: 10.7463/0614.0715325]:

где А - амплитуда сигнала;

- функции Бесселя первого рода порядка n;

m - индекс фазовой модуляции;

ϕ - фазовый сдвиг при отражении от неподвижной поверхности.

Индекс m фазовой модуляции равен

где λ - длина зондирующей волны.

Из выражений (2) и (3) следует, что амплитуды гармоник сигнала S(t) являются функциями трех параметров: А, ϕ и m. Параметр А зависит от технических характеристик источника и приемника излучения, а также условий проведения измерений, его определение требует проведение дополнительных исследований. Величина параметра ϕ=ϕ₀-4π L/λ зависит от изменения фазы сигнала при отражении ϕ₀ и от расстояния до вибрирующей поверхности L. В полевых условиях расстояние L, как правило, с точностью лучше длины λ не известно. Чтобы исключить неизвестные величины А и ϕ, при расчетах m в работе используются не абсолютные значения амплитуд гармоник, а отношение амплитуд четных (четвертой и второй) А₄/А₂ гармоник или отношение амплитуд нечетных А₃/А₁ (третьей и первой) гармоник. Поскольку A₄/A₂=J₄(m)/J₂(m) и A₃/A_l=J₃(m)/J_l(m), то отношения определяются только одним параметром, а именно, индексом фазовой модуляции m.

Недостатком прототипа является ограниченный диапазон измерения амплитуд вибрации. Обусловлено это тем, что разным значениям индекса фазовой модуляции m могут соответствовать одни и те же значения отношений амплитуд гармоник. Неоднозначность является следствием того, что входящие в выражение (2) функции Бесселя первого рода являются знакопеременными. Указанные свойства функций J_n(m) иллюстрирует фиг. 1а), где номер кривой совпадает с порядком функции Бесселя. На фиг. 1б) приведены отношения амплитуд четных (штриховая линия), и нечетных (сплошная линия) гармоник.

Таким образом, прототип позволяет определять амплитуду вибрации, только когда мы априори знаем, что амплитуда не превышает критических значений, соответствующих первым максимумам отношений амплитуд нечетных m₁ и четных m₂ гармоник (фиг. 1б),

где i=1,2.

В частности, условие (4) выполняется, например, при определении амплитуды вибрации корпуса судна, если зондирование осуществляется в сантиметровом диапазоне длин радиоволн.

В основу изобретения поставлено решение вышеуказанное технической проблемы путем создания способа дистанционного определения амплитуды вибрации, совокупностью существенных признаков которого обеспечивается достижение технического результата - расширение диапазона измеряемых амплитуд вибрации.

Физической основой решения данной проблемы является следующее. С ростом индекса фазовой модуляции m, который, согласно (3), определяется отношением амплитуды вибрации и длины зондирующей вибрирующую поверхность волны, появляются гармоники все более высоких порядков. Изменения амплитуд гармоник с ростом индекса фазовой модуляции m показаны на фиг. 2, где белыми кружками обозначены нечетные гармоники, черными - четные. С ростом m максимальные значения амплитуд гармоник смещаются в область больших значений частоты. После достижения максимума происходит монотонный спад амплитуд. Для удобства сравнения графиков, построенных при разных значениях m, значения амплитуд нормировались на максимальное значение амплитуды гармоник A_max при заданной величине m. Графики, представленные на фиг. 2, получены для случая, когда

Способ осуществляют следующим образом.

Для реализации предложенного^! способа может быть использован когерентный источник радио или оптического монохроматического излучения. С помощью одного из указанных устройств облучают исследуемую поверхность. Принимают отраженный сигнал и осуществляют его фазовое детектирование, после чего измеряют частоту вибрации.

Затем измеряют амплитуды первых четырех гармоник отраженного сигнала, как в прототипе, и далее последовательно - амплитуды гармоник более высоких порядков. Эти измерения продолжают до тех пор, пока исследуемая совокупность гармоник отраженного сигнала не признается достаточной - признаком того, что проанализировано достаточное число гармоник, является установление монотонного спада амплитуд нечетных и четных гармоник, как это показано на фиг. 2.

По результатам измерений амплитуд определяют порядок k-ой гармоники, имеющей максимальную амплитуду А_k, выбирают амплитуду А_k+2 гармоники порядка k+2 и вычисляют отношение А_k+2/А_k.

Далее, решая уравнение

находят наименьший корень m₀, по которому рассчитывают амплитуду вибрации ξ₀ по выражению

Изобретение создано в рамках государственного задания по теме №0827-2018-0003 «Фундаментальные исследования океанологических процессов, определяющих состояние и эволюцию морской среды под влиянием естественных и антропогенных факторов, на основе методов наблюдения и моделирования».