DD214923A1 - Anordnung zur messung mechanischer schwingungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine transportable Anordnung zur Messung mechanischer Schwingungen translatorischer Art, die eine hohe Messgenauigkeit fuer Schwingwegamplituden bis herab zur Groessenordnung der Wellenlaengen des sichtbaren Lichtes hat. Das wird erfindungsgemaess dadurch erreicht, dass im Zusammenwirken mit einem an sich bekannten Interferometer, dessen Auswerteelektronik nach der Methode der Geradeauszaehlung der Interferenzen arbeitet, eine elektrische Rauschquelle in Verbindung mit einem elektromechanischen Wandler verwendet wird, um in den Mess- oder Referenzstrahlengang des Interferometers eine stochastische Bewegungeinzuspeisen.

Description

Anordnung; zur Messung; mechanischer Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung mechanischer Schwingungen translatorischer Art mit hoher Genauigkeit, insbesondere zum Zweck des Prüfens.oder Sichens von Meßmitteln für die Schwingbeschleunigung, die Schwinggeschwindigkeit oder den Schwingweg,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Messung der Amplituden oder Sffektivwerte der Schwingbeschleunigung, der Schwinggeschwindigkeit oder des Schwingweges mit hoher Genauigkeit sind die Anordnungen bekannt, die ein Zweistrahlinterferometer mit nachgeschalteter Auswerteelektronik zur Messung der Schwingwegamplitude und einen elektronischen Zähler zur Messung der Schwingungsfrequenz enthalten« Aus" den Meßwerten für diese beiden Größen werden die Amplituden oder Effektivwerte von.Schwinggeschwindigkeit und Schwingbeschleunigung.über die bekannten^ für sinusförmige Schwingungen geltenden Umrechnungsbeziehungen rechnerisch bestimmt.

Die höchste Meßgenauigkeit der Schwingwegamplitude wird gegenwärtig mit einem Laserinterferometer in Verbindung mit einer Auswerteelektronik erreicht, die nach der Methode der Geradeauszählung der Interferenzstreifen arbeitet (ISO/DP 5347 Standard Methods for the Calibration of Vibration and Shock Pickups,

ISO/TC 108/SC 3 1979). Dabei wird der Meßwert S₃₁^ der Schwingwegamplitude im Falle einer Auflösung λ/2. des Interferometers

über die Beziehung

£ ZlL m

. . ^smeß ~ Qn . . ^KiJ

erhalten. In Gl. (1) bedeuten Z die Anzahl der gezählten Interferenzstreifen, X die Wellenlänge des Lasers ( /λ= 0,6328 /um bei He-Ne-Laser) und η die Anzahl der Schwingungsperioden, über die sich der ZählVorgang erstreckt. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß der durch die Auflösung bedingte'Amplitudenmeßfehler (Digitalisierungsfehler), der in .Abhängigkeit von der Lage des Schwingungsmittelpunktes bis zu + λ/8 bzw. - "X/8 betragen kann, die Anwendbarkeit auf die Messung von Schwingwegamplituden s f?λ/2 beschränkt. .

Eine YerkIeinerung des Digitalisierungsfehlers wird mit einer Anordnung erreicht, bei. der eine Relativbewegung in den Meß- strahlengang des Interferometers eingeführt wird (Hohmann, P. -

¹ -'.'

Schwingungsmessungen mit Laserinterferometern zur Kalibrierung von Aufnehmern. Acoustica Vol. 26 (1972).).-· Diese Relativbewegung wird durch Aufstellung des Laserinterferometers und des Schmngungserregers, der die zu messenden Schwingungen für Kalibrierzwecke erzeugt, auf: getrennt en Schwingfundament en erhalt en, wobei durch die Bodenunruhe, die tief abgestimmten Eigenfrequenzen der Schwingfundamente angeregt werden* Der Vorteil dieser Anordnung beruht darauf, daß die bei der Interferenzstreif enzählung , über η » 1 Schwingungsperiod.en . erfolgende arithmetische Mttelwertbildung im Falle von Änderungen des Schwingungsmittelpunktes im Meßzeitintervall zu engeren Grenzen für den resultierenden Digitalisierungsfehler führt, Nachteilig ist, daß die theoretisch mögliche Verkleinerung der Fehlergrenze auf - λ/8η in der Meßpraxis nicht erreicht wird, z. B« aufgrund der Mchtstationarität der Bodenunruhe, die zu zeitweiligen Unter- oder Überschreitungen der zweckmäßigen Intensität der Relativbewegung führt. Von Nachteil ist auch der zur Realisierung tief abgestimmter Schwingfundamente erforderliche hohe Aufwand, Hinzu kommt der für eine Meßanordnung mit tief abgestimmtem Schwingfundament typische Nachteil der Beschränkung auf den ortsfesten Einsatz, der die Anwendungs-

möglichkeiten einschränkt· .

Die bekannten Anordnungen zur Absolutmessung von Translationsschwingungen, die auf der Methode der Geradeauszählung der Interferenzstreifen beruhen, haben außer der begrenzten Auflösung auch den Nachteil, daß die zur Unterdrückung des· Fotoempfängerrauschens angewendete Triggerhysterese auch die Erichtauslösung eines zu zählenden Impulses jeweils im Gebiet der Bewegungsumkehr bewirken kann. Aufgrund dieser Nachteile wurde bisher die Bedingung s >? λ/2 als Voraussetzung für die Anwendbarkeit derartiger Anordnungen angesehen (siehe im vorigen genannte Informationsquellen).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine transportable Anordnung zur Messung mechanischer Schwingungen translator!scher Art zu schaffen, die eine hohe Meßgenauigkeit für Schwingwegamplituden bis herab zur Größenordnung der Wellenlängen des sichtbaren Lichtes hat·

Darlegung des Wesens der Erfindung

- Technische Aufgabe der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Messung von Schwingwegamplituden zu schaffen, welche die hohe Meßgenauigkeit eines Zweistrahlinterferometers mit nachgeschalteter Auswerteelektronik, welche nach der Methode der Geradeauszählung der Interferenzen arbeitet, mit einem verkleinerten Digitalisierungsfehler verbindet, so daß der Meßbereich in Richtung kleiner Schwingwegamplituden bis herab zur Größenordnung der Wellenlänge, des sichtbaren Lichtes erweitert wird·

- Merkmale der Erfindung

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß im Zusammenwirken mit einem an sich bekannten Interferometer, dessen

nachgeschaltete'Auswerteelektronik'nach, der Methode der Geradeauszählung der Interferenzen arbeitet, eine elektrische Rauschquelle in Verbindung mit einem elektromechanischen Wandler verwendet wird, um in den Meß- oder Referenzstrahlengang des Interferometers eine stochastisehe Bewegung einzuspeisen. Dadurch werden vom Potöempfanger zufallsbestimmte Änderungen des Schwingungsmittelpunktes wahrgenommen, die bei der Interferenzstreifenzählüng über mehrere Schwingungs-Perioden dazu führen, daß der nach Vorzeichen und Betrag von der Lage des Schwingungsnullpunktes abhängige Digitälisierungsfehler aufgrund der arithmetischen Mittelwertbildung verkleinert wird,_: , .

Ausführungsbeis-piel . . .

Anhand der zugehörigen Zeichnungen wird.die erfindungsgemäße Anordnung an zwei Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Pig, T Blockschaltbild einer Anordnung für Kalibrierzwecke mit stoehastischer Bewegung im Meßstrahlengang des Interferometers . .

Pig, 2 Ausführungsform der Anordnung mit stoehastischer Bewegung im Referenzstrahlengang des Interferometers

Gemäß Pig, 1 ist ein elektrodynamischer Schwingungserreger 5 vorhanden, dessen Schwingspule durch den Prequenzgenerator 1 über den Leistungsverstärker .4 mit sinusförmigem Strom gespeist wird. Die Messung der Schwingwegamplitude erfolgt mittels des. Laserinterferometers 6 und der nachgeschalteten.Auswerteelektronik, die aus dem Breitbandverstärker 7, dem abstimmbaren Tiefpaß 8, dem Trigger mit einstellbarer Hysterese 9 und dem Impulszähler 10 besteht. Die. Rauschspannungsquelle 2 dient in Verbindung mit dem abstimmbaren Tiefpaß 3 zur Anregung eines stochastischen Prozesses, Die stochastische Bewegung entsteht infolge; der Anregung der Aufhängeresonanz des Schwingteils durch den in die Schwingspule des Schwingungserregers 5 eingespeisten Rauschstrom, Dabei dient das Tiefpaßfilter 3 zur Band-

breitenbegrenzung des Rauschens. Im Ergebnis liegt ein mechanisches Schmalbandrauschen vor, dessen Mittenfrequenz weit unterhalb der vom Frequenzgenerator 1 erzeugten Schwingungsfrequenz liegt. Die Intensität der s't ο chastise hen -Bewegung wird auf einen Wertebereich eingestellt, wo die vom Fotoempfanger des Interferometers 6 wahrgenommenen zufallsbestimmten Änderungen des Schwingungsmittelpunktes als Störbewegung noch vernachlässigbar sind, aber ausreichen, um bei der Interferenzstreifenzählung in einem sich über η Schwingungsperioden erstreckenden Meßzeitintervall den Digitalisierungsfehler aufgrund der arithmetischen Mittelwertbildung genügend zu vermindern. Bei einem Interferenzstreifenabstand λ/2 ist eine Verminderung des Digitalisierungsfehlers auf i λ/8η erreicht, wenn die η Werte der Entfernung des vom SOtοempfänger wahrgenommenen Schwingungsnullpunktes einer Schwingungsperiode von dem Punkt, wo nach·· dem-Nulldurchgang ein Zählimpuls ausgelöst wird, innerhalb eines Intervalls der Breite %/2 mit konstanter Häufigkeitsverteilung liegen. Mittels des abstimmbaren Tiefpasses 8 wird bei der Messung kleiner Schwingwegamplituden in Anpassung an die niedrige erforderliche.Zählgeschwindigkeit das Fotoempfängerrauschen soweit unterdrückt, daß ein kleiner. Wert der einstellbaren Hysterese des Triggers 9 gewählt werden kann, um die Auslösung rauschbedingter Störimpulse zu vermeiden«

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist im.Gegensatz zur Anordnung nach Fig. 1 auch zur Messung mechanischer Schwingungen, denen keine zusätzliche, stochastische Bewegung überlagert werden kann, geeignet. Das Laserinterferometer β enthält außer dem Laser 11, dem Strahlenteiler 12, dem am schwingenden Objekt 13 befestigten Meßspiegel 14, dem Heferenzspiegel 15 und dem Fotoempfänger 16 einen elektrodynamischen Schwingungserreger17, mit dem das mechanische Schmalbandrauschen erzeugt und auf den angekoppelten Referenzspiegel übertragen wird.

Claims (3)

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1·. Anordnung zur Messung mechanischer Schwingungen, die ein Interferometer mit einer nach der Methode der Geradeauszählung der Interferenzen arbeitenden"Auswerteelektronik enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Rausch-. quelle in Verbindung mit einem elektromechanischen Wandler verwendet wird, um in den Meß- oder Referenzstrahlengang des Interferometers eine stochastisehe. Bewegung einzuspeisen, wobei der Fotoempfänger zufallsbestimmte Änderungen des "Schwingungsinittelpunktes wahrnimmt, dle~bei der Interferenzstreif enzählung^: über mehrere Schwingungsperioden dazu führen, daß der nach Torseichen und ;3_etrag von der Lage des Sehwingungsmittelpunktes abhängige Digitalisierungsfehler aufgrund der arithmetischen Mittelwertbildung verkleinert .wird· :.'

2· Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik einen abstimmbaren Tiefpaß zurünterrdrückung des Fotoempfängerrausehens und einen Trigger mit einstellbarer Hysterese, zur Vermeidung von Zählfehlern infolge des verbleibenden Restrauschens.enthält, wobei zur Messung kleiner Schwingwegamplituden die^Grenzfrequenz des Tiefpasses in Anpassung an die niedrige erforderliche Zählgeschwindigkeit soweit herabgesetzt wird, daß ein kleiner Wert der Triggerhysterese eingestellt werden kann*

3· Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zufallsbestimmten Änderungen des Sehwingungsmittelpunktes unter Verwendung eines elektrodynamischen Schwingungserregers erzeugt werden, wobei die Aufhängeresonanz des

SchwingteiIs als mechanisches Schmalbandfilter für den von der elektrischen Rauschquelle erregten und vom elektrodynamischen Wandler umgewandelten stochastischen Prozeß wirkt·