Лазерные измерители вибрации (виброметры)
СОДЕРЖАНИЕ: Лазерный виброметр повышенной чувствительности: состав, схема, принцип работы. Базовые структурные элементы и электронная система оптической системы виброметра. Измерение вибрации в промышленности с помощью IVS-200 индустриального датчика вибрации.Министерство науки и образования Украины
Национальный авиационный университет
Институт электроники та систем управления
Лазерные измерители вибрации
Группа 408 ФЭЛ
Шабля Олеся Леонидовна
Лазерный виброметр повышенной чувствительности
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.).
ФГУП ННИПИ Кварц разработал первый отечественный портативный лазерный виброметр повышенной чувствительности. В 2007 году после проведения государственных испытаний прибор включен в Государственный реестр средств измерений Российской Федерации.
Лазерный виброметр предназначен в первую очередь для дистанционного измерения виброскорости исследуемого объекта или его части в пределах от 0,01 до 50 мм/с на виброчастотах от 80 Гц до 11 кГц с возможностью расширения диапазона виброчастот в сторону низких частот до 10 Гц. Измерительная дистанция от лазерного виброметра до испытуемого объекта составляет от 1,5 до 10 м и более. Напряжение питания виброметра – 12 В постоянного тока от переносной аккумуляторной батареи или от источника питания, подключаемого к сети переменного тока 220 В (50 Гц). Потребляемая мощность – 15–20 Вт (в зависимости от режима работы).
Принцип работы лазерного виброметра основан на доплеровском сдвиге частоты оптического (лазерного) излучения, отраженного от движущегося объекта. В этом случае применяют метод оптического гетеродинирования отраженного от объекта слабого оптического сигнала на основе двухлучевой интерференционной оптической схемы с последующим формированием квадратурных компонент электрического сигнала фотодетекторами балансного типа. Микропроцессоры, входящие в состав лазерного виброметра, производят цифровую обработку и анализ вибрационных сигналов. Результаты в виде спектрограмм или осциллограмм отображаются на экране внешнего компьютера, подключенного через каналы RS-232 или USB, разъемы которых размещены на панели управления прибора. Измерение параметров сигнала проводится при помощи подвижного маркера на экране дисплея.
В состав портативного лазерного виброметра входит карманный персональный компьютер (КПК). Он в графическом виде отображает результаты измерений на дисплее; управления режимами работы лазерного виброметра через виртуальную панель управления, в том числе режимами обработки сигнала и отображения его во временной (осциллограф) или в частотной (анализатор спектра) областях; выбирает пределы амплитудных измерений и длительности развертки в режиме осциллографа, а также частотную полосу обзора в режиме анализатора спектра и число усреднений реализаций спектров от 1 до 256; выполняет функцию установки линейного или логарифмического масштабов в режиме анализатора спектра и в режиме записи результатов измерений на флэш-карту в формате, выбранном оператором и с возможностью последующего воспроизведения на другом компьютере. Разработано программное обеспечение, которое позволяет управлять всеми перечисленными функциями и режимами при помощи стандартных компьютеров по каналам RS-232 или USB, что дает возможность включать лазерный виброметр в автоматизированные измерительные системы. В состав лазерного виброметра входят оптическая система, формирующая квадратурные составляющие доплеровского сигнала, и электронная система (рис.1).
Оптическая схема лазерного виброметра
В основе оптической схемы виброметра лежит классическая схема интерферометра Майкельсона. Базовые структурные элементы оптической системы виброметра (рис.2): лазерный источник монохроматического излучения; телескопическая система, выполняющая функции приемо-передающей оптической антенны; оптическая система сопряжения волновых фронтов сигнальной и опорной волны типа кошачий глаз; фотоприемные модули балансного типа; оптический делитель-смеситель для формирования и пространственного совмещения опорного и сигнального лазерных пучков.
Сложность и особенности схемы обусловлены техническим назначением виброметра и связаны со значительным (на 5–7 порядков) ослаблением принимаемой световой мощности лазерного пучка, направляемого на объект, а также со спектр-структурой распределения интенсивности волнового фронта диффузно отраженного излучения лазера.
Лазерный пучок с линейной поляризацией от модифицированного лазера ГН-2П (=0,63 мкм) поворотными призмами 2 и 3 направляется на поляризующий делитель 4, где разделяется на два пучка равной мощности: сигнальный (трасса 4, 5, 6, 7,20) и опорный (трасса 4, 11, 10, 9, 8) со взаимно-ортогональными поляризациями. Телескопическая система (6, 7) в сигнальном плече интерферометра (кратность увеличения 14) предназначена для фокусировки излучения на поверхности объекта. Эта фокусировка должна быть достаточной для того, чтобы спекл-структура фронта отраженной волны (спекл-поле) воспринималась, при соответствующем наведении излучения на объект, как квазиоднородная монохроматическая волна. Четвертьволновые фазовые пластины (5, 10) производят поворот поляризации сигнального и опорного пучков на 90° относительно исходных. Это необходимо для беспрепятственного прохождения ими поляризующего делителя (4) в направлении к неполяризующему делителю (12), ориентированному к пучкам под углом 45° и разделяющему каждый из них на два идентичных пучка. Лазерные пучки после делителя (12) попадают в фотоприемные модули (13, 14, 15) и (17, 18, 19), в состав которых входят по два фотоприемника на основе фотодиодов КДФ-113 и по одному делителю-поляризатору типа (4). Указанная на схеме ориентация делителей под углом 45° обеспечивает формирование сдвинутых по фазе на 180° интерференционных сигналов в каждой паре фотоприемников: (14, 15) и (18, 19) соответственно. Это позволяет при вычитании инвертированных электрических сигналов с выходов фотоприемников улучшить отношение сигнал/шум. Фазовая пластина (16) осуществляет относительный сдвиг фазы оптических сигналов на четверть периода, чтобы в фотоприемных модулях формировались квадратурные электрические сигналы.
Электронная система лазерного виброметра
Электронная система состоит из фотоприемников, которые преобразуют оптические квадратурные составляющие доплеровских сигналов в соответствующие им электрические. Последние усиливаются в блоке малошумящих усилителей с системой автоматической регулировки усиления. С выхода блока усилителей квадратурные доплеровские сигналы поступают на демодуляторы, которые их преобразуют в сигналы, пропорциональные мгновенным значениям виброскоростей исследуемого объекта.В системе присутствуют два вида демодуляторов: демодулятор частотный, предназначенный для формирования сигнала виброскорости от 50 до 0,2 мм/с, и демодулятор аналитического сигнала для формирования сигнала виброскорости от 1 до 0,01 мм/с. Демодуляторы построены на основе аналого-цифровых схем с применением микропроцессоров. С выходов демодуляторов аналоговый сигнал виброскорости поступает на выходной разъем и на вход управляющего блока, созданного на базе сигнального и управляющего микропроцессоров. Такое сочетание микропроцессоров позволило реализовать разные режимы работы управляющего блока: режимы осциллографа, анализатора спектра, а также связь с внешними устройствами по каналам RS-232 и USВ (отображается информация об измерениях и обеспечивается управление режимами работы лазерного виброметра).
Режим анализатора спектра считается типовым режимом работы лазерного виброметра. В этом режиме определяются значения резонансных частот исследуемых объектов и измеряются уровни сигналов малых значений виброскорости при наличии сопутствующих шумов различного происхождения. Если сравнить сигналы во временной и частотной областях, то выявится очевидное преимущество спектрального подхода к измерению виброскорости. Если уменьшить амплитуду в 100 раз (до -40дБ), то корректно измерить амплитуду сигнала во временной области будет сложно из-за сильных шумов. В спектральной области амплитуда измеряется с гораздо меньшей погрешностью: разность между значениями 9,38 дБ и -49,53 дБ составляет -40,15 дБ. Измерить значения виброскорости порядка 10 мкм/с и менее можно только в режиме спектрального анализа.
Технические характеристики портативного лазерного виброметра
Диапазон частот колебаний.......................80 Гц–11 кГц
Диапазон измерения виброскорости.........0,01–50 мм/с
Погрешность измерения виброскорости:
в диапазоне 1–50 мм/с ...................................10%
в диапазоне 0,01–1 мм/с..................................20%
Напряжение питания ............................................. 2 В
Потребляемая мощность .................................... 20 Вт
Габариты .......................................... 430240160 мм
Масса ................................................................12 кг
Прибор комплектуется карманным персональным компьютером для индикации результатов измерений в режиме осциллографа и анализатора спектра. При этом возможны дальнейшая математическая обработка и документирование результатов на флэш-карте. Лазерный виброметр метрологически обеспечен рабочим эталоном единиц параметров вибрации, который разработан совместно с виброметром и также включен в Государственный реестр средств измерений.
Индустриальный датчик вибрации IVS -200
Промышленные сенсоры IVS
1. IVS-200 индустриальный датчик вибрации
2. IVS-300 цифровой датчик вибрации
Принадлежности:
· Дефлектор луча
· Комплект программ
· Дополнительные части
Измерение вибрации в промышленности
IVS-200 индустриальный датчик вибрации - лазерный виброметр, предназначенный для бесконтактного измерения вибрации. Изначально, IVS-200был 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)
Разработан для промышленного применения IVS-200 полностью отвечает требованиям промышленного применения. Высокая оптическая чувствительность IVS-200 позволяет проводить измерения вибрации с помощью безопасного глазу лазера любых поверхностей без использования специальной краски или ленты. Система линз с переменным фокусом позволяет устанавливать датчик на расстоянии от 70 до 2000 мм. IVS-200 имеет корпус промышленного исполнения IP-64 и предустановленный диапазон измерения виброскорости, удовлетворяющий соответствующему применению. Если присутствуют нежелательные низкочастотные колебания, датчик может быть снабжен высокочастотным фильтром
Применения
• 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.
Датчик IVS-200 имеет два разъема на задней панели. Вход питания (±11-14.5 В), качество оптического сигнала и выход сигнала виброскорости - аналоговый сигнал напряжения (± 4В) пропорциональный скорости вибрации объекта измерения. Второй разъём предназначен для использования с дополнительным блоком IVS-310 - дисплеем уровня сигнала. IVS- 310 может быть подключен к IVS-200 для контроля качества сигнала скорости или обслуживания датчика. IVS-200 снабжен 5 метровым соединительным кабелем для установки в системы управления производственными процессами. Дополнительный стационарно устанавливаемый блок IVS-320 содержит встроенный блок питания, дисплей.
Технические характеристики IVS-200
| Диапазон измерения (p-p) |
± 20 мм/с или ± 100 мм/с (предустановка) |
| Выходное напряжение |
± 4 В |
| Шкалирование |
5 мм/с / В или 25 мм/с / В (предустановка) |
| Разрешение |
1 мкм/с (при ширине полосы 10 Гц ) |
| Диапазон частот |
0.2 Гц до 25 кГц (-3dB) |
| ВЧ фильтр |
Гц вкл./выкл. (предустановка) |
| Частотный отклик |
± 0.1 dB (10 Hz – 15 kHz) |
| Точность калибровки |
2 % (заводская калибровка) |
| Питание |
± 11 В – 14.5 В , макс. 1 A |
Корпус IVS-200
| Разъемы |
1. Разъём питания, уровня оптического сигнала и сигнала виброскорости 2. Разъём для IVS-310 индикатора качества сигнала |
| Исполнение |
IP-64 стандарт |
| Размер |
255 мм x 114 мм x 52 мм (281 мм с линзой) |
| Вес |
2.8 кг |
| Оптика IVS-200 |
|
| Оптическая система |
1. Фиксированный вокус (ff); 226 мм 2. Переменный фокус (vf); 70 мм на дистанции 2 м |
| Лучший сигнал |
96 мм + n x 138 мм (n= 0, 1, 2, ...) Лазерный затвор |
| Лазер |
1 мВт мощность, класс II, видимый 632.8 нм |
| Стационарный блок (опция) IVS-320 |
|
| Питание |
~ 100 - 240 В ; ± 13 В выход |
| Разъём выходного сигнала |
Сигнал виброскорости (BNC); Качество сигнала (BNC) |
| Разъём управления |
Управление питанием вкл./выкл. выход |
| Дисплей LED |
индикатор уровня сигнала |