лазерный измеритель амплитуды угловых и линейных виброперемещений

Формула изобретения

1. Лазерный измеритель амплитуды угловых и линейных виброперемещений, включающий лазер, последовательно расположенные вдоль оптической оси полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45°, и телекамеру с фоточувствительной ПЗС-матрицей, отличающийся тем, что в него дополнительно введена вторая телекамера с фоточувствительной ПЗС-матрицей, расположенной в фокальной плоскости объектива второй телекамеры, двухканальное устройство сопряжения с ПЭВМ и ПЭВМ, причем лазерный пучок после отражения от полупрозрачного зеркала и оптическая ось объектива второй телекамеры перпендикулярны вибрирующей поверхности, а оптическая ось первой телекамеры с фоточувствительной ПЗС-матрицей, установленной от объектива на расстоянии резкого изображения пятна лазерного излучения, ориентирована наклонно к оптической оси падающего на вибрирующую поверхность лазерного пучка, выходы обеих телекамер соединены со входами двухканального устройства сопряжения, выход которого соединен со входом ПЭВМ.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что введена полупрозрачная пластина, закрепляемая на вибрирующем объекте, одна поверхность которой зеркальная, а другая матовая, причем зеркальная поверхность является первой по ходу падающего на объект лазерного пучка, а матовая второй.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к конструкции оптических устройств, предназначенных для измерения амплитуд угловых и линейных виброперемещений. Оно может быть использовано при решении задач дистанционной бесконтактной вибродиагностики машин, механизмов и строительных конструкций и сооружений.

Известен оптический измеритель вибраций удаленных объектов, описанный в статье Georgi W., Brümmer F. et al. Optisches Verfahren zur Schwigungsmessung an entferter Objekten//"tm", 1993, V.60, №6, р.223-227, реферированной в Экспресс-информации ВИНИТИ «Контрольно-измерительная техника», 1994, №24, с.2-7. В нем чувствительным элементом является телекамера с многоэлементным фотоприемником на основе прибора с зарядовой связью (ФПЗС), сигнал которой обрабатывается ПЭВМ, а параметры вибрации объектов рассчитываются по коэффициенту корреляции последовательно фиксируемых изображений. Оптический измеритель работает по изображениям колеблющегося объекта, т.е. в нем полезно используется лишь диффузная компонента отраженного объектом излучения. К недостаткам описанного в вышеупомянутой статье измерителя также можно отнести то, что он способен измерять компоненты виброперемещений объектов поперечные оптической оси телекамеры, частоты которых в десятки раз меньше кадровой частоты телекамеры.

Другой оптический измеритель колебаний по отклонению оптического пучка описан в статье Jenkins D.F.L. Measurement of the modal shapes of inhomogeneous confilevers using optical beam deflection // "Meas. Sci Technol.", 1995. V.6, №2, p.160-166, реферированной в Экспресс-информации ВИНИТИ «Контрольно-измерительная техника», 1995, №22, с.5-7. В этом измерителе полезно используется лишь зеркальная компонента отраженного колеблющимся объектом излучения, и измеритель не способен разделить угловые и поступательные виброперемещения.

Наиболее близким техническим решением является лазерное устройство для контроля параметров вибрации объекта (Патент РФ №1798627, М.кл. G01Н 9/00) с диффузно-отражающей поверхностью. Устройство содержит лазер, за которым вдоль его оптической оси излучения расположены светоделитель и зеркало с окном, в котором размещена полупрозрачная пластина. Светоделитель выполнен в виде четырехгранной пирамиды, обращенной основанием к лазеру. Пирамида имеет тупой угол при вершине и усечена параллельно основанию. Основание пирамиды равностороннее, а зеркало расположено под углом 45° к оптической оси для обеспечения условий симметричности изображения объекта в нормальном относительно оптической оси пространственном положении. Окно зеркала расположено на оптической оси. Полупрозрачная пластина в области окна своей отражающей поверхностью через объектив оптически связана с позиционно-чувствительным фотоприемником, выполненным в виде телевизионной камеры с ФПЗС-матрицей, выход которой подключен к монитору.

Предложенное устройство имеет следующие недостатки: угловые и поступательные вибросмещения измеряются в результате сложной обработки изображений пяти лазерных пучков, которая, к тому же, не автоматизирована; полезную информацию несет лишь диффузная компонента отраженного объектом излучения.

Задачами изобретения являются повышение эффективности измерителя виброперемещений путем использования как диффузной, так и зеркальной компонент отраженного колеблющимся объектом излучения и автоматизация процесса измерений за счет компьютерной обработки изображений.

Указанные задачи решаются за счет того, что в лазерном измерителе амплитуды угловых и линейных виброперемещений, содержащем лазер, полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45°, телевизионную камеру с ФПЗС-матрицей, согласно изобретению дополнительно введены вторая телекамера с ФПЗС-матрицей, фоточувствительная площадка которой расположена в фокальной плоскости объектива телекамеры с оптической осью ориентированной перпендикулярно вибрирующей поверхности, двухканальное устройство сопряжения, ПЭВМ. Если в отраженном вибрирующей поверхностью излучении присутствуют недостаточные для работы обеих телекамер диффузная и зеркальная компоненты, то на вибрирующем объекте закрепляется полупрозрачная пластина с матовой и зеркальной поверхностями.

Введенная вторая телекамера с ФПЗС-матрицей в фокальной плоскости объектива фиксирует преимущественно зеркальную компоненту и служит датчиком угловых виброперемещений, в то время как первая телекамера фиксирует преимущественно диффузную компоненту и служит датчиком поступательных виброперемещений. В результате в поле зрения каждой из телекамер, а следовательно, и во введенном в ПЭВМ изображении с каждой из телекамер присутствует изображение лишь одного пучка, что существенно упрощает их обработку. Наличие устройства сопряжения и ПЭВМ позволяет автоматизировать измерения амплитуд угловых и поступательных виброперемещений по изображениям.

На чертеже показана схема лазерного измерителя.

Устройство содержит оптически связанные лазер 1, полупрозрачное зеркало 2, установленное под углом 45°, полупрозрачную пластину 3 с матовой 4 и зеркальной 5 поверхностями, телекамеру 6 с объективом 7 и ФПЗС-матрицей 8, телекамеру 9 с объективом 10 и ФПЗС-матрицей 11, двухканальное устройство сопряжения 12, ПЭВМ 13. 14 - вибрирующаяся поверхность. Выходы телекамер 6 и 9 соединены с входами двухканального устройства сопряжения 12, выход которого соединен со входом ПЭВМ 13. Полупрозрачная пластина 3 закреплена на колеблющейся поверхности 14 матовой стороной 5 к вибрирующейся поверхности, ФПЗС-матрица 8 телекамеры 6 установлена в фокальной плоскости объектива 7, ФПЗС-матрица 11 телекамеры 9 установлена на расстоянии резкого изображения от объектива 10 пятна лазерного коллимированного излучения на матовой поверхности 4. Оптические оси телекамеры 6 и лазерного пучка после отражения от полупрозрачного зеркала 2 перпендикулярны полупрозрачной пластине 3 и вибрирующей поверхности 14. Оптическая ось телекамеры 9 составляет некоторый угол с полупрозрачной пластиной 3 и вибрирующей поверхностью 14, значение которого определяется расстоянием до поверхности 14 и амплитудой ее виброперемещений.

Устройство работает следующим образом. В отсутствие вибраций устройство юстируется так, чтобы коллимированное излучение падало перпендикулярно зеркальной поверхности 5 полупрозрачной пластины 3, отраженное зеркальной поверхностью 5 полупрозрачной пластины 3 излучение распространялось вдоль оптической оси телекамеры 6, а оптическая ось телекамеры 9 составляла известный угол с нормалью к матовой поверхности 4 полупрозрачной пластины 3.

Зеркальная компонента отраженного полупрозрачной пластиной 3 коллимированного излучения собирается объективом 7 телекамеры 6 на фоточувствительной площадке ФПЗС-матрицы 8. Расположение фоточувствительной площадки ФПЗС-матрицы 8 в фокальной плоскости объектива 7 позволяет преобразовывать угловые перемещения отраженного зеркальной поверхностью 5 полупрозрачной пластины 3, вызванные вибрациями, в смещения фокального пятна по фоточувствительной площадке ФПЗС-матрицы, пропорциональные фокусному расстоянию объектива 7. Нормальное падение отраженного от полупрозрачного зеркала 2 лазерного пучка на вибрирующую поверхность и перпендикулярность оптической оси объектива 7 к той же поверхности обеспечивает одинаковую чувствительность к угловым перемещениям поверхности 14 относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в ее плоскости. При наличии угловых колебаний поверхности 14 траектория лазерного пучка в фокальной плоскости объектива 7 будет описывать одну из фигур Лиссажу, параметры которых, рассчитанные ПЭВМ 13 по оцифрованным устройством сопряжения 12 изображениям при известном фокусном расстоянии объектива 7, и дадут значения угловых виброперемещений поверхности 14.

Поступательные вибросмещения поверхности 14, имеющие отличную от нуля компоненту в направлении падающего лазерного пучка, вызовут перемещения изображения его следа на матовой поверхности 4 полупрозрачной пластины 3 по поверхности ФПЗС-матрицы 11 телекамеры 9. При высокой частоте виброколебаний по сравнению с кадровой частотой телекамеры изображение следа будет иметь форму отрезка. Длина отрезка вместе с известным углом и параметрами объектива 10 являются исходными данными для расчета амплитуды виброперемещений в направлении оптической оси падающего на поверхность лазерного пучка с помощью ПЭВМ 13. При этом длина отрезка определяется по оцифрованным устройством сопряжения 12 изображениям также с использованием ПЭВМ 13.