CC BY
37
УДК 534.647.087.92
ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ АКУСТООПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИИ
E.H. Леун
Представлены акустооптические датчики, преобразующие смещения объекта Д1. ортогональные лазерному лучу в сдвиг фазы Д<р выходного электрического сигнала. При определенном соотношении мевду параметрами датчиков функция преобразования Аф(Д1) является нелинейной и максимум этой функции предлагается использовать для контроля виброперемещений с перестраиваемым уровнем. Повышение разрешающей способности акустооптических датчиков возможно за счет использования дифракционных решеток или периодических структур в виде концентрических колец.
Введение
К настоящему времени накоплен большой опыт в создании лазерных виброметров при движениях объекта параллельно лазерному лучу /1/. Необходимость увеличения числа координат привела к разработке многокоординатных методов выброизмерений 121. Также перспективны вибродатчики, в которых контролируются параметры движений объекта ортогонально лазерному лучу. Цель данной работы - исследование перестраиваемых акустооптических вибродатчиков с повышенной разрешающей способностью.
Большой задел в области создания лазерных аку-отооптическик датчиков накоплен в МГТУ «Станкин» на кафедре «Измерительные информационные системы и технологии», руководимой д.т.н„ проф., чл.-корр. Метрологической академии РФ Телешевским В.И.
Прототип представленных ниже датчиков был предложен в /3/. В нем нулевой Ео и первый Ец дифракционные порядки, образующие мееду собой малый угол а=А/А, где Л и Л - длины световой и ультразвуковой волн, формируют пространственную интерференционную картину (ИК), которая регистрируется в ближней (френелевской) зоне. Показано /4/, что ИК фактически является пространственно чувствительной областью и введение Д1 в нее детали приводит к фазовому сдвигу Дер выходного электрического сигнала. Датчик изображен на рис. 1 и состоит из акустооптического модулятора (АОМ) 1, диафрагмы 2, фотоприемника 3 и генератора 4. Выходным сигналом является сдвиг фазы Дср(Д1) между выходами а и б.
В работе /5/ рассмотрен процесс образования ИК как результат сложения комплексных амплитуд статической ИК иСт(1)=и1(1)ехр(1ф1) и динамической ИК ид(Д1)=и2(Д1)ехр(1ф2(Д1)). Амплитудная 11(Д1) и фазовая Дф(Д1) характеристики суммарной ИК зависят от соотношений 111(1)- иг(Д1), ф1.фг(Д1) и при начальных условиях и1>1)2; ф1>ф2 в фазовой характеристике Дф(Д1) возникает нелинейный участок с одним максимумом (зависимость 1 на рис. 2а). Эта особенность используется в предельном вибродатчике - сигнализаторе виброперемещений с перестраиваемым предельным уровнем, который рассмотрен в разделе 1.
При оптимальном подборе положения диафрагмы фотоприемника на линии соединения энергетических центров дифракционных порядков Ео и Е-1 и при начальных условиях и1>иг; ф1<фг фазовая характеристика Дф(Д1) (зависимость 2 на рис. 2а) линеаризуется и описывается следующим выражением:
Д<р(Д1)=2лД1/Лик (1)
где Л1 - перемещение границы детали (перемещение динамической ИК), Лик- шаг ИК.
ЛКА!). л<л(Д1)
«л
sfl-b)
Рис. 1. Схема акустооптического датчика смещения границы детали
Рис. 2. Выходные характеристики датчика:
а) фазовые характеристики Дф(Д1)
1 - нелинейная зависимость д<р(д|) с локальным максимумом,
2 - линейная зависимость дф(д1).
б) импульсная функция Дирака 5(1-12)
Экспериментально для коллимированного лазерного пучка диаметром 2 мм значение шага ИК Лик составило 200 мкм при использовании в качестве светозвукопро-вода дистиллированной воды (узв - 1500 м/с), при частоте модуляции МГц. Чувствительность датчика Дф/Д1 с фазовым выходом составила - 0,0314 рад/мкм, диапазон измерений для виброперемещений - 1,0 - 600 мкм (Дф(Д1)=бтт), а для виброскорости может быть от 0 до 20 м/с. Использование твердотельных акустооптических модуляторов (стекло ТФ-7, частота модуляции до 80 МГц) позволит повысить предел виброскорости на порядок.
1. Перестраиваемый акустооптический датчик контроля виброперемещений
В данном устройстве используется такое соотношение амплитуд и фаз, при котором образуется нелинейная фазовая характеристика Дф(Д1) с одним максимумом (зависимость 1 на рис. 2а). Это позволяет создать дат-
чик контроля виброперемещений с перестраиваемым предельным уровнем Ь с функцией преобразования в виде функции Дирака 6(1 -/2) (рис. 2 б). Особенность такого режима работы заключается в возможности формирования импульсного сигнала лишь при прохождении границы детали через координату Ь
Этот максимум может явиться пространственным эквивалентом предельного виброперемещения. Тогда точность фиксации положения границы детали зависит от точности фиксации этого максимума и определяется «пространственной добротностью» Опр датчика. Введение такого термина удобно для описания сути вопроса. Под «пространственной добротностью» Опр датчика понимается ширина функции преобразования на участке, прилегающем к максимуму фазовой характеристики, на уровне спада на 3 дБ
0„р= 12/(13-1,), (2)
где Ь - координата максимума фазовой характеристики, 1-1, 1з — координаты, для которых значение функции Д<р(Д1) уменьшается на 3 дБ.
Положебние координаты Ь и «пространственная добротность» Опр зависят от соотношений начальных значений 111 - 112, ф1 - Фг и параметров оптической схемы.
2. Акустооптический датчик с перестройкой направления чувствительности
Использование акустооптического датчика с линейной шкалой Аф(Д1) позволяет определять параметры вибродвижений в одном пространственном направлении. В реальных условиях в процессе измерений необходимо подстраивать направление чувствительности датчика (линия соединения энергетических центров ди-
а)
■онтролдрумая дл-агь
в)
Рис. 3. Акустооптический датчик для определения параметров вибрации границы детали и его пространственные диагрваммы:
а - структурная схема датчика; 6 - измерение параметров вибрации в полярной системе координат; в - измерение параметров вибрации в декартовой системе координат.
фракционных порядков Ео и Е,|) в соответствии с выбранной системой координат. В данной работе предлагается датчик с перестройкой направления чувствитель-
ности за счет управления пространственного положения дифракционного порядка Е+1.
На рис. За приведена структурная схема такого датчика. Он состоит из лазера 1, коллиматора 2, акустооптического модулятора 3, генератора 4, измерительного канала 5, включающего светоделитель 6, диафрагму 7, фотоприемник 8; пространственного модулятора, состоящего из зеркала 10 и пьезокерамического дефлектора 11.
На рис. 3 представлены траектории движения дифракционного порядка Е+1 в пределах Ео при повороте (рис. 36) и при линейном движении (рис. Зв). Расширение функциональных возможностей осуществляется за счет контроля парамтеров вибрации как в декартовой (линейные смещения А1) (рис. 36), так и в полярной системах координат (угловые повороты Ау) (рис. За). Вращение по круговой траектории дифракционного порядка Е+1 позволяет сформировать «коаксиальный» пространственно-чувствительный оптический луч, у которого чувствительность равна во всех направлениях на плоскости ХОУ.
Использование подвижной пространственно-чувствительной области позволяет поочередно контролировать параметры в двух ортогональных направлениях одним датчиком. Время переключения с одной координаты на другую может составлять не более 10 мкс.
Повышение разрешающей способности акустооптических датчиков
Один из способов повышения разрешающей способности акустооптических датчиков заключается в уменьшении шага ИК Ли*. Это возможно при увеличении угла (3 между интерферирующими пучками Лик = А/эюр. Однако для эффективного фотоэлектрического преобразования необходимо выполнение условия Лик>Од, где Од - диаметр диафрагмы. Так как реальные размерь; диафрагмы не могут быть меньше, чем = 0,1-0,5 мм, то пределы уменьшения Л», и, соответственно, возможности повышения разрешающей способности датчика ограничены.
Для разрешения этих противоречивых требований перед диафрагмой фотоприемника предлагается устанавливать дифракционную решетку с периодом Л1. Тогда ИК, освещая дифракционную решетку, формирует на ней комбинационные (муаровые) полосы с периодом
Лп = Л,ЛИЛЛ, - ЛИ1С), (3) где Лп - период комбинационных полос, Л1 - шаг дифракционной решетки, Л»« -период интерференционной картины.
Оптимальный подбор параметров оптической схемы датчика позволяет увеличить значение Лп, и при условии Л-|» (Л1 - Лик), осуществить эффективное фотоэлектрическое преобразование. Так, подбирая угол (3 между интерферирующими пучками, чтобы период ИК был равен Лик = 9,9 мкм и при использовании дифракционной решетки с Л1 = 10 мкм значение Лп = 1 мм. Для этого случая размер диафрагмы может быть ¿0,3 мм.
В случае использования датчика для измерения двух ортогональных координат направлениях или при угло-
вых поворотах пространственно-чувствительной области повышение разрешающей способности датчиков осуществляется за счет использования периодических структур в виде концентрических колец /61.
Заключение
1. Использование максимума нелинейной фазовой характеристики Дср(Д1) позволяет сформировать координату 1г предельного виброперемещения и функцию преобразования соответствующей функции Дирака 8(1 -12).
Управление параметрами датчика позволяет перестраивать предельный уровень виброперемещений.
2. Управление пространственным положением пространственно-чувствительной области датчика позволяет измерять параметры вибрации как в декартовой, так и в полярной системах координат.
3. Повышение разрешающей способности однокоор-динатного датчика возможно при использовании дифракционных решеток, а для двухкоординатного - периодических структур в виде концентрических колец.
Представленные датчики могут быть применены в вибродиагностической аппаратуре промышленного назначения, успешно создаваемой НПЦ «Динамика» (г. Омск) под руководством В.Н. Костюкова. Результаты исследований могут быть полезны сотрудникам отделов метрологии ОКБ имени Баранова, ПО «Полет», НПО «Сибирские приборы и системы», Омского СКБ приборов, преподавателям и аспирантам физических и приборостроительных специальностей ОмГТУ, ОмГУ, ОмИИТ, СибАДИ.
Литература
1. Иванов В.А., Привалов В.Е. Применение лазеров в приборах точной механики.- СПб.: Политехника, 1993. -216 с.
2. Яковлев H.A. Построение лазерных систем для измерения перемещений по трем координатам на основе акустооптического преобразования измерительной информации: Автореф. ... канд. техн. наук: 05.11.16. -М * Мосстэнкин 1992
3. A.c. № 1714359 (СССР) МКИ G 01 В 21/00. Способ определения положения границы объекта. В.Ид Теле-шевский, H.H. Абдикаримов. - Опубл. в Б.И.-1992, № 7.
4. Телешевский В.И., Абдикаримов H.H. Гетеродинный акустооптический сенсор для бесконтактного определения положения границ объектов // Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Тез. докл. 8-й науч.-техн. конф. М.: ВНИИОФИ, 1990,- С. 242.
5. Пеун Е.В., Абдикаримов H.H. Акустооптоэлектрон-ный сенсор для измерения смещений границы объеста с фазовым выходом // Состояние и проблемы технических измерений: Тез. докл. 4-й науч.-техн. конф.- М.: МГТУ, 1997.- С. 208.
6. Преснухин Л.Н., Майоров С.А., Меськин И.В. Фотоэлектрические преобразователи информации / Под ред. Л.Н. Преснухина. - М.: Машиностроение, 1974,- 376 с.
24.12.98 г.
ЛЕУН Евгений Владимирович - кандидат технических наук, доцент, докторант Московского государственного технологического университета.
УДК 62-523-83
УПРАВЛЕНИЕ ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПРИ МИНИМИЗАЦИИ ПОТЕРЬ
В. 3. Ковалев, Д. В. Поляков
Вентильный электропривод (ВЭП) является наиболее перспективным типом электропривода для турбомеханизмов, для которых по технологическим условиям необходимо регулирование производительности в процессе их функционирования. Применение регулируемого электропривода для таких механизмов позволяет снизить потери энергии на 10-20%. ВЭП турбомеханизмов преимущественно строится на базе преобразователя частоты (ПЧ) с зависимым инвертором тока (ЗИТ). Это позволяет решить проблему коммутации вентилей ПЧ большой мощности при минимально возможном количестве полупроводниковых приборов и конденсаторно-реакторного оборудования в силовых цепях ВЭП при хороших энергетических и динамических показателях. Разработанные и реализованные в современных системах автоматического регулирования (САР) ВЭП законы регулирования координат электроприводов обеспечивают удовлетворительные показатели ВЭП в целом, в том числе и энергетические. Целью данной работы является разработка на основе модели и реальных ограничений ВЭП такого оптимального закона регулирования координат ВЭП центробежного насоса, при котором суммарные потери электроэнергии в электроприводе будут минимальными.
Поставленная в данной статье задача оптимизации формулируется следующим образом: для математической модели синхронной неявнополюсной машины с учетом насыщения по основному магнитному потоку и выполнении обязательных требований к электроприводу - требований к моменту и скорости изменения момента в различных режимах, а также при учете ограничений, накладываемых параметрами ПЧ и возбудителя найти относительный экстремум (минимум) суммарных потерь мощности в синхронном двигателе, преобразователе частоты и возбудителе:
M=hq 'УМ ~hd 'Wsq =VS COSÖ-i^ --y/s sinS-i^ +y/s s\n9 ifd
(3)
(ab -ä)-J(/^ - У
+ +
w\
kv-ifd}-
c4 =0
(4)
в соответствии с условиями минимума потерь:
/-ft. о
(1)
(2)
/з =
дЭ дАР
при ограничениях, накладываемых на переменные состояния синхронного двигателя:
Здесь ¡б - действующее значение тока якоря, ¡Иэ - ток возбуждения; коэффициенты г8э, д(ю) учитывают основные и добавочные потери, зависящие соответственно от тока якоря и основного потока [1]. При этом коэффициент д(ш) потерь, зависящих от потока, представляет собой функцию скорости (частоты): g(a)) = aг(o + amlco2, где аг и овг - коэффициенты потерь на гистерезис и вихревые токи. Эквивалентные сопротивления цепей якоря и возбуждения учитывают как потери в обмотках машины (Гер. ги), так и потери в цепях преобразователей (Гпр, г«*). гп=гч> + : г/<ь = + геР Модуль основного потокосце-
пления Уб. угол 6 между осью <3 и вектором \|/б и ток ро-
