RU2324906C2 - Laser meter of angular and linear vibration displacement amplitude - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, instruments.

SUBSTANCE: invention may be used for remote contactless vibration diagnostics of machines, mechanisms, and building structures and facilities. The second TV camera with a photosensitive CCD matrix positioned in the focal plane of the second TV camera lens, a double-channel PC interface device, and a PC are introduced in the laser meter of the angular and linear vibration displacement amplitude, which includes laser, a semi-transparent mirror installed at 45°, and TV camera with a photosensitive CCD matrix positioned in sequence along the optical axis. The laser beam after reflecting from the semi-transparent mirror and the optical axis of the second TV camera lens are normal to the vibrating surface. The optical axis of the first TV camera with a photosensitive CCD matrix, which is installed at such a distance from the lens as to form a sharp image of the laser spot, is positioned at an angle to the optical axis of the laser beam striking the vibrating surface. Both TV camera outputs are connected to the inputs of the double-channel interface device. The output of the device is connected to the PC input. If the diffuse and reflected components in the radiation reflected by the vibrating surface are insufficient for the operation of both TV cameras, a semi-transparent plate with matte and mirror surfaces is attached to the vibrating object. This enhances the efficiency and makes it possible to automate the measurement process due to the use of both diffuse and reflected components of the reflected radiation.

EFFECT: measurement process automation and increased efficiency.

2 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to measuring equipment, and more particularly to the design of optical devices designed to measure the amplitudes of angular and linear vibrations. It can be used in solving problems of remote non-contact vibration diagnostics of machines, mechanisms and building structures and structures.

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.Known optical vibration meter of remote objects, described in the article Georgi W., Brümmer F. et al. Optisches Verfahren zur Schwigungsmessung an entferter Objekten // "tm", 1993, V.60, No. 6, p. 232-227, abstracted in the Express Information of VINITI "Testing and measuring equipment", 1994, No. 24, p.2- 7. In it, the sensitive element is a camera with a multi-element photodetector based on a charge-coupled device (FPSS), the signal of which is processed by a PC, and the vibration parameters of objects are calculated by the correlation coefficient of sequentially recorded images. The optical meter operates on images of an oscillating object, i.e. it is useful to use only the diffuse component of the radiation reflected by the object. The disadvantages of the meter described in the aforementioned article can also be attributed to the fact that it is capable of measuring the components of vibration displacements of objects transverse to the optical axis of the camera, whose frequencies are ten times less than the frame frequency of the camera.

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.Another optical beam deflection meter is described in Jenkins D.F.L. Measurement of the modal shapes of inhomogeneous confilevers using optical beam deflection // "Meas. Sci Technol.", 1995. V.6, No. 2, p.160-166, abstracted in the VINITI Express Information “Control and Measurement Technique”, 1995, No. 22, p. 5-7. In this meter, only the mirror component of the radiation reflected by the oscillating object is useful, and the meter is not able to separate angular and translational vibrations.

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.The closest technical solution is a laser device for monitoring the vibration parameters of an object (RF Patent No. 1798627, M.cl. G01H 9/00) with a diffusely reflecting surface. The device comprises a laser, behind which a beam splitter and a mirror with a window are located along its optical axis of radiation, in which a translucent plate is placed. The beam splitter is made in the form of a tetrahedral pyramid facing the base of the laser. The pyramid has an obtuse angle at the apex and is truncated parallel to the base. The base of the pyramid is equilateral, and the mirror is located at an angle of 45 ° to the optical axis to provide symmetrical conditions for the image of the object in the normal spatial position relative to the optical axis. The mirror window is located on the optical axis. A semitransparent plate in the window region with its reflective surface through the lens is optically coupled to a position-sensitive photodetector made in the form of a television camera with a FPS array, the output of which is connected to the monitor.

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.The proposed device has the following disadvantages: angular and translational vibration displacements are measured as a result of complex image processing of five laser beams, which, moreover, is not automated; Only the diffuse component of the radiation reflected by the object carries useful information.

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.The objectives of the invention are to increase the efficiency of the vibration displacement meter by using both diffuse and mirror components of the radiation reflected by the oscillating object and automation of the measurement process due to computer image processing.

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.These problems are solved due to the fact that in the laser meter the amplitudes of angular and linear vibratory displacements containing the laser, a translucent mirror mounted at an angle of 45 °, a television camera with a FPS matrix, according to the invention, a second camera with a FPS matrix is also introduced, the photosensitive area of which located in the focal plane of the camera lens with the optical axis oriented perpendicular to the vibrating surface, a two-channel interface device, a PC. If in the radiation reflected by the vibrating surface there are diffuse and mirror components insufficient for the operation of both cameras, then a translucent plate with a matte and mirror surface is fixed on the vibrating object.

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.The introduced second camera with FPSS-matrix in the focal plane of the lens fixes mainly the mirror component and serves as a sensor of angular vibrations, while the first camera fixes mainly the diffuse component and serves as a sensor of translational vibrations. As a result, in the field of view of each of the cameras, and therefore in the image entered into the PC, from each of the cameras there is an image of only one beam, which greatly simplifies their processing. The presence of the interface device and the PC allows you to automate the measurement of the amplitudes of the angular and translational vibratory displacements from the images.

На чертеже показана схема лазерного измерителя.The drawing shows a diagram of a laser meter.

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 φ с полупрозрачной пластиной 3 и вибрирующей поверхностью 14, значение которого определяется расстоянием до поверхности 14 и амплитудой ее виброперемещений.The device contains optically coupled laser 1, a translucent mirror 2 mounted at an angle of 45 °, a translucent plate 3 with a matte 4 and a mirror 5 surfaces, a camera 6 with a lens 7 and a FPSS-matrix 8, a camera 9 with a lens 10 and a FPSS-matrix 11, two-channel interface device 12, PC 13. 14 - vibrating surface. The outputs of the cameras 6 and 9 are connected to the inputs of the two-channel interface device 12, the output of which is connected to the input of the PC 13. The translucent plate 3 is fixed on the vibrating surface 14 with the opaque side 5 to the vibrating surface, the FPSS-matrix 8 of the cameras 6 is installed in the focal plane of the lens 7, FPSS the matrix 11 of the camera 9 is mounted at a sharp image distance from the lens 10 of the spot of laser collimated radiation on the matte surface 4. The optical axis of the camera 6 and the laser beam after reflection from the semi the mirror 2 are perpendicular to the translucent plate 3 and the vibrating surface 14. The optical axis of the camera 9 is a certain angle φ with the translucent plate 3 and the vibrating surface 14, the value of which is determined by the distance to the surface 14 and the amplitude of its vibration displacements.

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 φ с нормалью к матовой поверхности 4 полупрозрачной пластины 3.The device operates as follows. In the absence of vibrations, the device is adjusted so that the collimated radiation falls perpendicular to the mirror surface 5 of the translucent plate 3, the reflection reflected by the mirror surface 5 of the translucent plate 3, the radiation propagates along the optical axis of the camera 6, and the optical axis of the camera 9 makes a known angle φ with the normal to the matte surface 4 of the translucent plates 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.The mirror component of the collimated radiation reflected by the translucent plate 3 is collected by the lens 7 of the camera 6 on the photosensitive area of the FPSS matrix 8. The location of the photosensitive area of the FPSS matrix 8 in the focal plane of the lens 7 allows the angular displacements of the translucent plate 3 reflected by the mirror surface 5 caused by vibrations to be converted into displacements focal spot along the photosensitive area of the FPGA matrix, proportional to the focal length of the lens 7. Normal incidence not reflected from the translucent mirror 2 of the laser beam on the vibrating surface and the perpendicularity of the optical axis of the lens 7 to the same surface provides the same sensitivity to the angular displacements of the surface 14 relative to two mutually perpendicular axes lying in its plane. In the presence of angular vibrations of the surface 14, the trajectory of the laser beam in the focal plane of the lens 7 will describe one of the Lissajous figures whose parameters calculated by the PC 13 using the digitized interface device 12 images at a known focal length of the lens 7 will give the values of the angular vibrations of the surface 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 φ 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.The translational vibrational displacements of surface 14, which have a nonzero component in the direction of the incident laser beam, will cause the image of its trace to move on the matte surface 4 of the translucent plate 3 along the surface of the FPGA matrix 11 of the camera 9. At a high frequency of vibrations compared to the frame frequency of the camera, the trace image will be have the shape of a cut. The length of the segment, together with the known angle φ and the parameters of the lens 10, are the initial data for calculating the amplitude of vibration displacements in the direction of the optical axis of the laser beam incident on the surface using a PC 13. The length of the section is determined by the digitized interface device 12 images also using a PC 13.

Claims (2)

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.1. A laser meter for the amplitude of angular and linear vibratory displacements, including a laser, a semitransparent mirror mounted at an angle of 45 ° sequentially along the optical axis, and a camera with a photosensitive CCD matrix, characterized in that a second camera with a photosensitive CCD matrix is additionally introduced into it located in the focal plane of the lens of the second camera, a two-channel device for interfacing with a personal computer and a personal computer, and the laser beam after reflection from a translucent mirror and an optical the lens of the second camera is perpendicular to the vibrating surface, and the optical axis of the first camera with a photosensitive CCD matrix mounted from the lens at the distance of the sharp image of the laser spot is oriented obliquely to the optical axis of the laser beam incident on the vibrating surface, the outputs of both cameras are connected to the inputs of the two-channel device interface, the output of which is connected to the input of the PC. 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.2. The meter according to claim 1, characterized in that a translucent plate is inserted, which is mounted on a vibrating object, one surface of which is mirrored and the other matte, the mirror surface being the first along the laser beam incident on the object and the matte second.