2.7. Датчики вибраций

Вибрация – это механическое колебание объекта. Колебательный процесс может быть детерминированным (описывается определенным математическим законом) и стохастическим (беспорядочным), который не описывается математической функцией, а определяется случайной последовательностью различных причин.

В большинстве случаев вибрации являются нежелательным явлением (шумом), часто накладывающимся на закономерный процесс движения. В этом случае требуется защита объекта от чрезмерных вибраций. Однако в ряде случаев вибрации полезны и их создают принудительно, как это делается, например, в вибропитателях, обеспечивающих транспортировку материала из бункеров.

Вибрации могут возникать как при поступательном, так и при вращательном движении. Вибрации при поступательном движении описываются следующими механическими параметрами:

• виброперемещение х(t), мм;

• виброскорость dх/dt, мм/с;

• виброускорение d²х/dt², мм/с².

Угловые колебания характеризуются угловыми виброперемещением (рад), виброскоростью (рад/с), виброускорением (рад/с²).

Параметры вибраций могут быть измерены при помощи соответствующих вибропреобразователей (ВП) относительного или абсолютного перемещения. Первые ВП измеряют параметры колебаний объекта относительно внешней неподвижной опорной точки. Однако их применение на станках, машинах, зданиях, судах и т.п. либо невозможно, либо затруднено. В этих случаях используют преобразователи абсолютных перемещений, широко применяемые в сейсмотехнике. Они позволяют измерять вибрации в определенных диапазонах частот с помощью внутренних колебательных систем, встроенных в объект, используя так называемую «сейсмическую массу».

По измеряемому параметру вибрации различают следующие ВП:

• виброметры, измеряющие амплитуду вибраций на транспорте, машинах и сооружениях;

• велосиметры, измеряющие виброскорость, характеризующую интенсивность колебаний;

• акселерометры, измеряющие виброускорение, характеризующее величину инерционных нагрузок, возникающих в объектах.

Ниже рассматривается устройство и принцип действия датчиков вибраций.

Датчик виброперемещения (рис. 2.48) состоит из корпуса, внутри которого размещены сейсмическая масса m, пружина с жесткостью С, гаситель колебаний с коэффициентом демпфирования β и индуктивный преобразователь виброперемещений ИП в электрическую величину. Обмотки ИП включаются по схеме дифференциального индуктивного преобразователя (подключаются к трансформатору со средней точкой вторичных обмоток). Сигнал на выходе измерительной схемы будет пропорционален амплитуде колебаний объекта.

Корпус датчика крепится к объекту и перемещается вместе с ним. Индуктивный преобразователь измеряет перемещение массы относительно корпуса, так как его обмотки перемещаются вместе с корпусом относительно сердечника, жестко связанного с сейсмической массой. На массу действуют сила пружины, пропорциональная относительному перемещению массы, сила демпфирования, пропорциональная относительной скорости , движения массы и сила инерции, пропорциональная абсолютному ускорению массы. Таким образом, уравнение движения массы можно записать в виде

Су + β = m или

Су + β = m( ).

После преобразования последнего выражения получим уравнение движения массы в следующем виде

,

где – круговая частота собственных колебаний системы масса-пружина – демпфер; степень успокоения (затухания) колебаний.

Рис. 2.48. Датчик виброперемещения (виброметр): х – виброперемещение объекта (корпуса датчика) относительно неподвижной системы координат; z – абсолютное виброперемещение массы относительно корпуса датчика

Коэффициент преобразования чувствительного элемента датчика является зависимым от частоты вибраций объекта (рис. 2.49).

Анализ характеристики 1 показывает, что при больших частотах вибрации f >> f₀, существенно (в 1,5 и более раза) превышающих собственную частоту колебаний измерительной системы, вибропреобразователь без погрешности воспроизводит гармонические колебания корпуса: у = х (измеряются колебания корпуса относительно массы, остающейся в покое).

Акселерометр конструктивно подобен виброметру, но его измерительная система настраивается подбором массы и жесткости пружины таким образом, чтобы перемещение массы было пропорционально виброускорению. Это достигается при настройке частоты собственных колебаний измерительной системы существенно больше частоты вибраций объекта, т.е. при условии f₀ >> f. В этом случае сила инерции сейсмической массы слишком мала, чтобы удержать ее в покое. Для расширения диапазона f частота f₀ должна быть по возможности высокой (масса небольшой, а пружина очень жесткой). Зависимость коэффициента преобразования чувствительного элемента акселерометра от частоты колебаний объекта представлена на рис. 2.50.

Рис. 2.49. Зависимость коэффициента преобразования виброперемещений объекта в перемещение массы от частоты вибраций и коэффициента демпфирования: 1 – при  = 0,65; 2 – при  = 0

На рис. 2.49 обозначено: f – частота колебаний корпуса датчика (объекта); f₀= собственная частота колебательной системы датчика.

Датчики виброскорости (велосиметры) конструктивно аналогичны датчикам виброперемещений. Разница состоит лишь в замене измерительного преобразователя перемещения массы на преобразователь скорости ее перемещения. В велосиметрах в качестве измерительного преобразователя применяется магнитоиндукционный преобразователь, постоянный магнит которого жестко связан с корпусом датчика виброскорости, а катушка связана с сейсмической массой. При наличии вибраций в катушке генерируется ЭДС, величина которой будет пропорциональна скорости вибрации.

Велосиметром можно измерить также виброперемещение, если применить интегратор сигнала виброскорости, или виброускорение, используя дифференцирующее устройство и предварительно расширив диапазон рабочих частот в сторону их уменьшения.

Рис. 2.50. Зависимость коэффициента преобразования ЧЭ акселерометра от частоты вибраций объекта