Разработка лазерного доплеровского метода и устройств для измерения параметров тангенциальной вибрации шероховатых поверхностей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ



ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

На правах рукописи

Чмутин Алексей Михайлович

УДК 621.373.826

РАЗРАБОТКА ЛАЗЕРНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО МЕТОДА И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТАНГЕНЦИАЛЬНОЙ ВИБРАЦИИ ШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

01.04.05 — оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Саратовском центре стандартизации, метрологии и сертификации Государственного Комитета РФ по стандартизации, метрологии и сертификации.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук,

профессор Б.С. Ринкевичюс

кандидат технических наук,

доцент Н.М. Зотов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Й.В. Ершов

кандидат физико-математических наук,

с. н. с. В.А. Зубов

Ведущая организация — Научно-исследовательский институт радиооптики, г. Москва.

Защита состоится "_" _ 1997 г. в_ч. на

заседании диссертационного совета Д 041.01.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений Госстандарта РФ по адресу:

103031, Москва, ул. Рождественка, 27, тел. (095) 923-2455

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений Госстандарта РФ по тому же адресу.

Автореферат разослан "_"_ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., с.н.с.

С.В.Тихомиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Цель работы. Целью исследования является разработка и анализ бесконтактного лазерного метода измерения параметров тангенциальной вибрации шероховатых поверхностей и создание на его основе лазерного доплеровского виброметра (ЛДВ). Объектами исследования являются метод измерения, измерительный прибор, его точность и вопросы метрологического обеспечения.

Актуальность темы и состояние проблемы. Из двух направлений впброметрии (контактная и бесконтактная) сегодня актуальным является лишь последнее. А во всей совокупности бесконтактных способов исследования вибраций перспективными являются методы, предусматривающие использование лазеров. Это связано с тем, что в лазерных виброметрах реализуется сравнение виброперемещения с длиной волны лазерного излучения, параметра, исключительно устойчивого к внешним воздействиям в силу своей физической природы. Особый интерес вызывают методики, не требующие применения ре-трорефлекторов или специальной подготовки поверхности объекта для измерений.

Научная новизна. Создана теория формирования доплеровского сигнала, учитывающая стохастический характер рассеяния зондирующего лазерного излучения шероховатой поверхностью объекта измерений. Ей дана наглядная физическая трактовка в рамках теории спеклов, причем методики, предусматривающие использование ретро-рефлекторов, могут быть истолкованы, как предельный случай статистической модели при устремлении шероховатости к нулю. Модель аналитически расчленяется на два режима работы ЛДВ: одночастичный (полностью соответствующий аналогичному режиму работы лазерного доплеровского анемометра) и интегральный, характерный только для протяженных объектов. Это позволило предложить разработанную "спекл-" модель в качестве обобщения на случай объекта любых размеров феноменологической интерференционной модели Радда, не описывающей доплеровского сигнала от протяженного объекта.

Практическая ценность. Разработанная теория ЛДВ позволяет вычислять значения статистических характеристик доплеровского сигнала в широком диапазоне шероховатости, цвета и фактуры поверхности объекта. Предложен и реализован оригинальный алгоритм цифровой обработки доплеровского сигнала, проведен метроло-

гически строгий анализ точности этого способа. Создан прибор для измерения тангенциальной вибрации шероховатой поверхности. Предложен и всесторонне обоснован упрощенный способ калибровки ЛДВ, не требующий ни воспроизведения вибрации, ни применения виброизмерительной аппаратуры.

Метод исследования. В работе использовались теоретические выкладки (спектральный анализ доплеровского сигнала), численное моделирование (изучение свойств доплеровского сигнала в зависимости от конструктивных параметров ЛДВ) и натурный эксперимент (оценка точности изготовленных виброметров).

Достоверность полученных результатов. Адекватность научных результатов определяется полученным качественным соответствием разработанных модельных представлений с выводами экспериментов, в том числе численных. В свою очередь, достоверность экспериментальных данных, оцениваемая по стандартным методикам с доверительной вероятностью Р = О,95, объективно подтверждена при проведении процедур государственной метрологической аттестации серийных и макетных образцов ЛДВ по ГОСТ 8.326-89.

Положения, выносимые на защиту:

1. Созданная теория лазерного доплеровского виброметра позволяет адекватно предсказывать поведение статистических характеристик доплеровского сигнала.

2. В зависимости от соотношения апертуры и заднего отрезка приемного объектива в ЛДВ могут реализоваться три режима работы: одночастичный, переходный и интегральный. Интегральный является предпочтительным, одночастичный (соответствующий аналогичному режиму лазерного анемометра) допустим, переходный — нежелателен.

3. Увеличение угла схождения зондирующих пучков вплоть до 90° ведет одновременно к росту разрешающей способности ЛДВ, к росту светосилы приемного тракта ЛДВ, к уменьшению конверсионной погрешности при информативной обработке доплеровского сигнала.

4. По сравнению со счетом импульсов, спектральным анализом и инструментальным фазовым детектированием (прямой обработкой) цифровая обработка доплеровского сигнала по предложенному алгоритму обеспечивает наиболее полное выявление измерительной информации, не уступая им точности.

5. Калибровка ЛДВ методом замещения и возможна, и не сопровождается снижением точности.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: конференциях "Новые материалы, конструкции и технологические процессы" (Волгоград, 1983), "Повышение роли стандартизации и метрологии в обеспечении интенсификации общественного производства" (Львов, 1985; Казань,

1987), "Оптические методы контроля качества продукции" (Гродно,

1988), "Конструкционная прочность двигателей" (Куйбышев, 1990), "LALS'90. Laser Scattering Spectroscopy and Diagnostics of Biological Objects" (Moscow, 1990), "Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров" (Харьков, 1990), "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1990), "ILLA'93. Лазерные технологии" (Шатура, 1993), "Оптика лазеров '93" (Санкт-Петербург, 1993), "Датчик-95" (Гурзуф, 1995), "МЕТРОЛОГИЯ-95. Метрология и измерительная техника" (Харьков, 1995) и семинарах "Применение лазеров в промышленности" (Ленинград, 1989), "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве" (Волгоград, 1989; 1990; 1991), "Метрология в прецизионном машиностроении" (Саратов, 1990), "Лазеры в приборостроении и машиностроении" (Пенза, 1990), "Применение лазеров в науке и технике" (Иркутск, 1990; Самара-Тольятти, 1991; Новосибирск, 1992), "Жизнь и компьютер" (Харьков, 1991), "Метрология лазерных измерительных систем" (Волгоград, 1991), "Лазеры и современное приборостроение" (Санкт-Петербург, 1991) а также при демонстрации лазерного виброметра на 46-й международной технической ярмарке (Пловдив, 1990), на конкурсе грантов СПб ГААП 1993 г. и на научных семинарах ВНШЮФП, СФ ИМАШ АН СССР, ВолгПП.

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано 48 работ. Перечень основных публикаций приведен в конце автореферата. Все теоретические и экспериментальные результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором в ходе многолетней (с 1981 по 1996 г.) самостоятельной работы. На отдельных этапах работы наряду с автором в обсуждении и интерпретации результатов исследований принимали участие B.C. Ринкевичюс, Н.М. Зотов, М.В. Кутьин, В.А. Чуйко, И.Н. Щеглов, при выполнении опытно-конструкторских работ и разработке компьютерных программ — остальные соавторы публикаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы. Об-

щий объем составляет 178 страниц машинописного текста, включая 54 рисунка, 67 п. библиографии и 5 приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, в рамках литературного обзора показано состояние проблемы, как следствие, сформулированы цель и основные решаемые задачи. Обоснован выбор в качестве конструктивного прототипа дифференциальной оптической схемы лазерного анемометра на обратном рассеянии (рис. 1).

\-/'

Рис. 1. Дифференциальная оптическая схема.

В первой главе кратко проанализированы известные модели сигнала лазерных доплеровских измерительных устройств и показана их неприемлемость для определения сигнала ЛДВ. Путем последовательного описания преобразований лазерного излучения, начиная от его генерации в резонаторе до рассеяния поверхностью исследуемого объекта и кончая детектированием излучения фотоприемником, построена модель доплеровского сигнала, статистичность которой обусловлена исключительно характером рассеяния излучения шероховатой поверхностью:

U(г)/CONST = U, UF cos

Мк

Т

J x(t)dt + Фс + Ф, + Ф/ - */2

где U, = +VP1 + P2; Ф» = arctg(p!/p2);

Pi,2 = 2/х/у Е1{х,у)Е2{х,у) cos[Ф2(z, у)+7г/4 — Ф1 (г, j/)^х/4]dxdj/; Ei,2(x>y)i Ф1,2(®)у) — распределения амплитуд и фаз в излучении рассеянном от 1 и 2 зондирующих пучков по плоскости фотоприемной апертуры; х,у — сетка декартовых координат на плоскости

фотоприемной апертуры; х,у — ее габаритные размеры; введение частотнозависимых амплитудного коэффициента (7р и фазовой компоненты Ф/ формализует паразитные искажения, сопутствующие инструментальному подавлению аддитивной составляющей; Мк — калибровочное число; х(Ь) — закон движения объекта; Фс — разность фаз пучков.

Проведен анализ полученной в интегральной форме статистической модели. В частности показано, что при устремлении размера фотоприемной апертуры к нулю модель теряет статистичность, приведенные выше выражения преобразуются к дифференциальной форме и модель принимает вид:

где и,{х,у) = +,/р1+р1; Ф»{х,у) = а^(р1/р2);

рх = 2Е1(х,у)Е2(х,у) соз[Ф2(г,у) - Ф^®,!/)],

Р2 = ^Е^Х, у)Е2(х, у) 5т[Ф2(г, у) - Ф^у)].

Отсюда (уже в детерминистском приближении) следует, что статистическая модель в дифференциальной форме вполне применима к объектам малых размеров, то есть адекватно описывает и сигнал исходного для настоящей разработки лазерного анемометра. Различие лишь в том, что входящие в построенную модель функции, для протяженного объекта определяемые статистическими характеристиками спекл-полей, применительно к лазерной анемометрии заменяются на дифракционные интегралы.

Приведены необходимые элементы спектральной теории доплеров-ского сигнала.

Во второй главе описано статистическое моделирование доплеров-ского сигнала. Алгоритм моделирования включает формирование поля, образованного переналожением двух (от двух зондирующих пучков) спекл-структур и суммирование вкладов от каждой области перекрытия спеклов, находящейся в пределах фотоприемной апертуры, при пошаговом смещении поля относительно апертуры. Последовательность полученных сумм, располагаемая по оси ординат, отождествлялась с некоторой случайной реализацией развертки (ось абсцисс — время) огибающей доплеровского сигнала.

В полученной развертке наибольший интерес представляют распределения доплеровских цугов по амплитуде (по длине) в случае дис-

т

CONST

о

кретной огибающей и средний уровень амплитуды сигнала (средний уровень сопутствующей амплитудной модуляции) в случае сплошной огибающей. Именно эти данные вычислялись и накапливались от реализации к реализации в виде гистограмм и полигонов.

Исследование положения максимумов гистограмм и анализ хода кривых в зависимости от размера апертуры Da или заднего отрезка z приемного объектива ЛДВ (что, как оказалось, одно и то же) позволило выявить три режима работы ЛДВ, предположить и обосновать два сугубо различных механизма возникновения характерных параметров (размера и интенсивности) доплеровского цуга. Моделирование подтвердило предположение о том, что характерный размер области переналожения спеклов определяется отношением z/Da• Моделирование позволило также установить, что центру переходного режима соответствует равенство диаметра апертуры и характерного размера области переналожения спеклов. Иначе говоря — Xz, а последняя формула соответствует математической формулировке теоремы Ван-Циттерта — Цернике и ее частному случаю — антенной теореме Зигмена, что подтверждает фундаментальный характер понятия о центре переходного режима. Моделирование показало, что в интегральном режиме с ростом диаметра приемной апертуры средний уровень амплитуды доплеровского сигнала линейно растет, а коэффициент его амплитудной модуляции падает (рис. 2). Таким образом, проведенное исследование дало возможность установить критерии для оптимизации оптической схемы ЛДВ.

Помимо этого, предложенная модель имеет и самостоятельную ценность не только для исследования свойств сигнала лазерного виброметра, но и для построения алгоритма цифровой обработки доплеровского сигнала.

Третья глава посвящена исследованию четырех способов обработки доплеровского сигнала, использующих счет импульсов, спектральный анализ, инструментальное фазовое детектирование и цифровые процедуры. Для каждого способа выведено уравнение измерений, проведен анализ его точности, а именно, определены и оценены составляющие основной погрешности ЛДВ применительно к рассматриваемому способу.

Функциональным преимуществом двух последних способов является возможность их использования при измерении негармонической вибрации. Приводятся ограничения, методически накладываемые на допустимый спектральный состав закона вибрации. Анализ показы-

Коэффициент амплитудной модуляции

Средняя амплитуда

-г 100000

10

1000

100

10000

0.1

I I I I [ I м

1—1 I N П

I I 111111

0.1

1

10

100

1000

Линейная апертура

Рис. 2. Статистические характеристики доплеровского сигнала.

вает, что заметную перспективу имеет только цифровая обработка, поскольку при этом утрачивается строгость требования периодичности движения объекта, что технически невозможно при аналоговом фазовом детектировании доплеровского сигнала. Пример выполнения цифровой обработки доплеровского сигнала приведен на рис. 3.

В четвертой главе обоснован выбор конструктивных решений при проектировании ЛДВ, описаны отличительные особенности изготовленного ЛДВ с компьютерной обработкой доплеровского сигнала (см. рис. 4). Отдельным блоком подробно рассмотрены метрологические вопросы: кратко изложена процедура первичной аттестации ЛДВ, подробно описана процедура его калибровки.

Предложено использовать для калибровки метод замещения и показана возможность замены впброперемещения тест-объекта простым его перемещением при калибровке ЛДВ. Проведены результаты калибровки прибора методом сличения, методом поэлементной аттестации и методом замещения, приведен сравнительный анализ результатов. Сделан вывод об избрании именно метода замещения для метрологического обеспечения ЛДВ в течение межповерочного интер-

Реконструкция огибающей

Рис. 3. Пример выполнения цифровой обработки доплеровского сигнала.

вала и внесении соответствующей методики в эксплуатационную документацию.

В заключении кратко перечислены основные результаты работы, приведены защищаемые положения. Сделана попытка оценить место полученных данных в современной метрологии виброизмерений.

К приложениям отнесены теоретические выкладки и материалы прикладного характера:

— вывод формул, описывающих спектр доплеровского сигнала при произвольной сопутствующей амплитудной модуляции, при произвольной вибрации объекта;

— алгоритмы статистического моделирования и цифровой обработки доплеровского сигнала, примеры их выполнения;

— иллюстративные и документальные материалы по всем реализованным конструкциям (макеты, опытные и серийные образцы) лазерного доплеровского виброметра.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

С учетом случайного характера рассеяния излучения на шероховатой поверхности объекта измерений построена статистическая модель доплеровского сигнала, позволяющая исследовать его аналитически и численно. Показано, что будучи представлена в дифференциальной форме (малая приемная апертура), эта модель соответствует канонической модели сигнала лазерного анемометра в одночастичном режиме его работы. В интегральной форме (большая приемная апертура) разработанная модель описывает доплеровский сигнал, для лазерного анемометра вообще не характерный. Для этого случая введен в рассмотрение режим работы ЛДВ, условно названный интегральным. Область смежности предельных одночастичного и интегрального режимов определена как переходный режим работы ЛДВ. Все три режима зарегистрированы и в эксперименте натурном.

В рамках выдвинутой статистической модели доплеровский сигнал исследован теоретически. Получены аналитические выражения для амплитудных спектров сигнала при произвольной огибающей и произвольном законе движения объекта измерений.

Исходя из известного по теории спеклов распределения последних по размерам, по интенсивности и по фазе, на основе разработанной модели доплеровского сигнала проведено статистическое моделирование его огибающей. Исследованы свойства смоделированной огибающей в зависимости от соотношения линейной апертуры и заднего отрезка

приемного объектива ЛДВ. При анализе характеристик огибающей установлено, что интегральный режим в силу статистической непрерывности д.с. более приемлем для выявления измерительной информации из доплеровского сигнала, нежели одночастичный с его дискретной (цуговой) структурой д.е., а переходный, имеющий точечные разрывы д.е., напротив, — нежелателен. Поведением характеристик определены и основные параметры зоны переходного режима — ее центр и ширина. Показаны инструментальные способы вывода ЛДВ из переходного режима.

Опираясь на полученные данные, проанализированы три способа обработки доплеровского сигнала (выявления искомых параметров вибрации из доплеровского сигнала): счет импульсов (counter), спектральный анализ и инструментальное фазовое детектирование — прямая обработка (tracker). Всесторонне оценена точность каждого способа обработки.

Предложен и апробирован оригинальный способ цифровой обработки доплеровского сигнала, реализующий метод косвенных измерений при использовании компьютерной технологии. Способ включает инструментальное аналого-цифровое преобразование сигнала и ввод его в оперативную память с последующим программным фазовым детектированием и вычислением закона движения объекта по разработанному алгоритму. Исследована точность цифровой обработки.

Построен лазерный виброметр тангенциальных колебаний, предназначенный для работы с шероховатыми поверхностями широкого класса исследуемых объектов и использующий цифровую обработку доплеровского сигнала. По результатам государственной метрологической аттестации установлено, что основная погрешность изготовленного макетного образца ЛДВ не превышает 6 %, а это позволяет квалифицировать его в ранге рабочих средств виброизмерений по ГОСТ 8.138-84.

Предложен и обоснован способ выполнения процедуры калибровки построенного лазерного виброметра путем замещения вибрации тест-объекта простым перемещением его в измерительном объеме дифференциальной схемы. В натурном эксперименте исследована точность калибровки замещением. Установлено, что значение соответствующей погрешности не превышает 0,5 %. Учтя это значение в составе основной погрешности, получаем основание и право рекомендовать предложенный способ калибровки для метрологического обеспечения лазерного виброметра в течение межповерочного интервала.

Основные результаты, полученные в процессе разработки диссертационной темы, изложены в следующих публикациях:

1. Зотов Н.М., Пономарев A.C., Чмутин A.M., Чуйко В.А. Применение лазерной доплеровской анемометрии к исследованию перемещений.// Известия вузов. Приборостроение. 1987. Т. 30. N 7. С. 69-72.

2. Зотов Н.М., Лунин М.А., Пономарев A.C., Чмутин A.M. Анализ точности лазерного доплеровского виброметра.// Измерительная техника. 1988. N 8. С. 27-28.

3. Zotov N.M., Chmutin A.M. Laser Doppler Vibrometry in Metrology.// Proc. Ill Int. conf. "LALS'90. Laser Scattering Spectroscopy and Diagnostics of Biological Objects". V. 2. — Moscow: MGU Publ., 1990. P. 126.

4. Зотов H.M., Пономарев A.C., Чмутин A.M. Калибровка лазерного доплеровского виброметра методом замещения.// Тез. докл. VIII Всес. науч.-тех. конф. "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". — М.: ВНИИОФИ, 1990. С. 264.

5. Куценко С.А., Чмутин A.M. Фазовые соотношения в сигнале лазерного доплеровского виброметра. Препринт N 7-90. — Волгоград: ВолГУ, 1990. 11 с.

6. Ринкевичюс B.C., Чмутин A.M. Установка для исследования метрологических характеристик лазерного доплеровского виброметра.// Тез. докл. науч.-тех. сем. "Лазеры в приборостроении и машиностроении". — Пенза: ПДНТП, 1990. С. 16-17.

7. Кибовский В.Т., Сытин В.А., Чмутин A.M. Измерительный преобразователь для целей лазерной интерферометрии.// Тез. докл. II Всес. науч.-тех. конф. "Метрологическое обеспечение частотных и спектральных характеристик излучения лазеров". — Харьков: НПО "Метрология", 1990. С. 202-203.

8. Чмутин A.M. Спектральная обработка сигнала лазерного доплеровского виброметра (ЛДВ).// Тез. докл. Всес. науч.-метод. сем. "Метрология в прецизионном машиностроении". — Саратов: СФ ИМАШ АН СССР, 1990. С. 70-72.

9. Зотов Н.М., Кириченко А.И., Курамин Е.И., Курчин В.В., Пев-нев В.И., Ринкевичюс B.C., Слышкин В.В., Черный В.В., Чмутин A.M., Шувалов Г.С. Лазерный доплеровский виброметр. Промышленный образец 05.1267.00.00.00.// Тез. докл. III науч. сем. "Диагностические применения лазеров". — Волгоград: ВолГУ,

1990. С. 79-80.

10. Ринкевичюс B.C., Чмутин A.M. Метрологические аспекты анализа шумов в лазерном доплеровском виброметре.// Тез. докл. Всес. науч. сем. "Метрология лазерных измерительных систем". Часть 2. — Волгоград: ВолГУ, 1990. С. 68-70.

11. Кириченко А.И., Черный В.В., Чмутин A.M. Агрегатирование лазерного виброметра для целей неразрушающего контроля прочности авиадвигателей.// Тео. докл. XII Всес. науч.-тех. конф. "Конструкционная прочность двигателей". — Куйбышев: КПтИ, 1990. С. 74.

12. Сытин В.А., Чмутин A.M. Лазерный виброметр с прямой обработкой доплеровского сигнала.// Известия вузов. Приборостроение. 1991. N 7. С. 68-72.

13. Кириченко А.И., Певнев В.П., Чмутин A.M. Лазерный допле-ровский виброметр с компьютерной обработкой сигнала.// Тез. докл. II Всес. науч.-практ. сем. "Жизнь и компьютер". — Харьков: Турбоатом, 1991, С. 134-138.

14. Чмутин A.M. Лазерный доплеровский виброметр.// Тез. докл. науч. сем. "Лазеры и современное приборостроение". — СПб.: ЛООЗ, 1991. С. 122-124.

15. Чмутин A.M. Принципы лазерной доплеровской виброметрии. // Тез. докл. V Междунар. сем. "Применение лазеров в науке и технике". — Новосибирск: СиЛаП, 1992. С. 30-32.

16. Чмутин A.M. К теории лазерного доплеровского виброметра.// Лазерная техника и оптоэлектроника. 1993. N 1. С. 46-49.

17. Белодедов М.В., Заярный В.П., Чмутин A.M. Анализ точности компьютерного лазерного доплеровского виброметра.// Известия вузов. Приборостроение. 1993. т. 36. N 11-12. С. 51-55.

18. Чмутин A.M. Эталонный лазерный виброметр.// Тез. докл. конф. "Оптика лазеров'93". Том 2. — СПб.: ГОИ, 1993. С. 508.