методы вибрационной диагностики состояния инженерных

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ НГТУ. – 2010. – № 2(60). – 59–64
УДК 621.357.087.9
МЕТОДЫ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ
СОСТОЯНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ,
КОНСТРУКЦИЙ И АГРЕГАТОВ 
Е.В. ПРОХОРЕНКО, С.В. БУГРОВ, В.А. ЖМУДЬ
Обсуждены методы измерений вибраций для диагностики состояний сложных инженерных сооружений, таких как мосты, плотины, башни, краны, агрегаты электростанций
и т. д.
Ключевые слова: измерения вибраций, лазерная физика, метрология
ВВЕДЕНИЕ
Задачи измерения вибраций актуальны во многих отраслях науки и техники. Особенно это важно для диагностики состояний сложных инженерных
сооружений, таких как мосты, плотины, башни, краны, агрегаты электростанций, включая элементы конструкции атомных электростанций. Известно множество оптических измерителей расстояний [1–4]. Погрешность лучших из
них составляет единицы миллиметров [4]. В [5] показано, что в случае применения инфракрасных лазеров на длину волны 10 мкм с обеспечением высокочастотной несущей частоты F от 10 до 80 МГц на выходе фотоприемников,
работающих в гетеродинном режиме, обеспечивается чувствительность по
фазовой модуляции на уровне 2105 . Это соответствует диапазону по вибрациям менее 1 пм. Даже с учетом того, что шумы атмосферы ухудшают эту
чувствительность примерно на два порядка, оптическими методами удается
измерять вибрации объекта с чувствительностью порядка тысячных долей
длины волны [5]. Это относится лишь к положению усредненной отражающей
поверхности, так как ни одно зеркало не может быть выполнено с неровностями поверхности менее 1 пм [5–7]. Разработка наиболее эффективного метода таких измерений требует рассмотрения и анализа известных устройств
аналогичного назначения.

Получена 15 мая 2010 г.
Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по образованию,
конкурс НК-630П
Е.В. Прохоренко, С.В. Бугров и др.
60
1. ПЕРСПЕКТИВЫ ЛАЗЕРНОЙ ВИБРОМЕТРИИ
Схема простейшего лазерного измерителя вибраций показана на рис. 1.
Акустооптический модулятор (АОМ) разделяет луч света на два луча, один из
которых сдвинут по частоте на величину F. Один луч поступает на объект и
возвращается обратно в оптическую схему, поэтому накопленное приращение
фазы пропорционально удвоенному расстоянию до объекта. Второй луч поступает на тот же фотоприемник, на который фокусируется возвращенный от
объекта первый луч. В режиме гетеродинного приема на выходе фотоприемника формируется разностная частота, фаза которой несет информацию о
расстоянии до объекта.
Зондирующий луч
Объект
Лазер
Генератор
ФМ2
АОМ
Ф
ФМ1
Рис. 1. Схема лазерного измерителя вибраций:
АОМ – акустооптический модулятор, Ф – фотоприемник, ФМ – фазометр
Выходной сигнал фотоприемника поступает на цифровой фазометр. Для
исключения влияния нестабильности частоты генератора, питающего АОМ,
может быть применен второй фазометр или дифференциальный фазометр [7–9].
Для получения отраженного сигнала от объекта может использоваться специальный отражатель, однако эксперименты показали, что в большинстве случаев при расстояниях до объекта до 10 м успешно может быть использовано его
естественное диффузное рассеяние. На рис. 2 показана упрощенная схема
лазерного дифференциального измерителя перемещений и вибраций. Преимущество такой схемы состоит в частичной компенсации влияния свойств
Методы вибрационной диагностики...
61
атмосферы (давления, температуры, влажности) на точность измерений, что
более важно для измерений перемещений.
Зондирующий луч 1
Объект
Лазер
Генератор
АОМ
Зондирующий луч 2
Ф1
Ф2
ФМ1
ФМ2
Рис. 2. Схема лазерного дифференциального измерителя вибраций
Медленные приращения фазы в различных каналах этой схемы имеют
противоположные знаки, а паразитные приращения фазы одинаковы.
В результате вычитания фаз полезный сигнал удваивается, а шумовой
частично вычитается. В отношении измерений вибраций преимущества
этой схемы опровергаются практическими измерениями. Это объясняется
тем, что микровибрации различных областей поверхности объекта не связаны детерминированной зависимостью. Даже при практически полном
совпадении спектра этих вибраций их распределение по фазе для различных частотных компонент неодинаково. Поэтому для высокочастотных
компонентов вибраций дополнительный оптический канал измерений нецелесообразен.
В [10–12] описаны результаты, полученные с помощью измерительной
схемы на основе двух связанных по фазе лазеров. Упрощенная оптическая
схема такой установки показана на рис. 3. Такая схема намного сложнее
и дороже и кроме дополнительных лазера и системы фазовой автоподстройки (ФАП) требует и дополнительного канала измерения фаз, по-
Е.В. Прохоренко, С.В. Бугров и др.
62
скольку фазовая автоподстройка возможна только в ограниченной полосе
частот.
Зондирующий луч 1
Объект
Лазер1
Зондирующий луч 2
Лазер2
Ф3
ФАП
Ф1
Ф2
ФМ3
ФМ1
ФМ2
Рис. 3. Схема лазерного дифференциального измерителя перемещений
на двух лазерах:
ФАП – фазовая автоподстройка (частоты)
Преимущества такой системы по сравнению со схемой рис. 2 состоят в
повышении мощности каждого из зондирующих пучков. При измерении медленных перемещений недостатки этой схемы оказываются несущественными,
а достоинства более весомыми.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для вибрационной диагностики целесообразно применение схемы, показанной на рис. 1. Надежность такой системы выше, а стоимость ее использования ниже.
[1] Бесконтактные измерители скорости и длины. Интернет ресурс: актуален на 15.05.2010. http://www.sedatec.ru/products/lasersensors/lsv/
Методы вибрационной диагностики...
63
[2] Лир-5. Лазерный измеритель расстояния. Интернет ресурс: актуален на
15.05.2010. http://oit.itp.nsc.ru/modules/products/lir5.php
[3] Лазерные измерители расстояния с дальностью действия до 200 футов.
Интернет ресурс: актуален на 15.05.2010. http://www.ddrservice.info/news/
show/12892/
[4] Лазерный измеритель расстояния LDM43 с Profibus DP и интерфейсом
SSI. Интернет ресурс: актуален на 15.05.2010. http://www.rual-interex.ru/news/
ldm43/
[5] Аксенов В.А., Ильянович Ю.Н., Фомин Ю.Н. Интерференционное устройство дистанционной регистрации акустических колебаний диффузно отражающих поверхностей. Патент РФ № 2138013, М., 1999, МПК G01B9/00.
Интернет ресурс: актуален на 15.05.2010. http://ru-patent.info/21/3539/2138013.html
[6] Васильев В.А., Жмудь В.А. и др. Детектирование приращения текущей
фазы в лазерном измерителе малых вибраций на больших базовых расстояниях // Приборы и техника экспериментов. – 2002. – № 3. – C. 98–100.
[7] Гончаренко А.М., Бугров С.В., Жмудь В.А. Мониторинг фазовых приращений прерывистого сигнала // Вестн. НГУ. – Сер. «Физика». – 2007. – Т. 2.
Вып. 1. – С. 61–64.
[8] Гончаренко А.М., Жмудь В.А. Прецизионный высокочастотный фазометр для измерений нановибраций // Сб. науч. тр. НГТУ. – 2009. – 1(55). –
С. 108–117.
[9] Воевода А.А., Гончаренко А.М., Жмудь В.А. Фазометры для радиочастотных и лазерных измерителей перемещений и вибраций. Ч. 1. // Науч. вестн.
НГТУ. – 2009. – № 4(37). – С. 29–36; Ч. 2 // Там же. – 2010. – № 1(38). –
С. 35–74.
[10] Багаев С.Н., Дычков А.С., ОмА. Э. и др. Двухчастотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений // Патент RU
№ 1362923, приоритет от 13.08.85г.
[11] Багаев С.Н., Орлов В.А., Фомин Ю.Н. и др. Гетеродинные лазерные
деформографы для прецизионных геофизических измерений // Изв. РАН. –
Сер. «Физика Земли». – 1992. – № 1. – С. 85–91.
Е.В. Прохоренко, С.В. Бугров и др.
64
[12] Багаев С.Н. Орлов В.А. Рыбушкин А.Ю. и др. Двухчастотная лазерная
интерферометрическая система, для измерения линейных перемещений //
Патент RU №2082085, приоритет от 22.04.94.
Прохоренко Евгений Валерьевич – доцент кафедры автоматики Новосибирского государственного технического университета.
E-mail: [email protected]
Бугров Семен Владимирович – аспирант Института лазерной физики
СО РАН.
E-mail: [email protected]
Жмудь Вадим Аркадьевич – заведующий кафедрой автоматики Новосибирского государственного технического университета.
E-mail: [email protected]
E.V. Prokhorenko, S.V. Bugrov, V.A. Zhmud
The methods of engineering installations and constructions diagnostics by
use of vibrations measurements
The paper discusses the method of the vibration measurements for the diagnostics of the state of
complex engineering installations and constructions such as bridges, dams, towers, hoisting
cranes, electric power station assembly and so on.
Key words: vibrations measurements, laser physics, metrology