литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 13. Датчики вибраций

В пьезотронной системе миниатюрный преобразователь полного сопротивления встроен в датчик. Для питания и формирования сигнала между датчиком, индикатором или прибором для обработки данных измерения необходим пьезотронный элемент связи [26]. При этом датчик имеет низкоомный электрический выход (специальных кабелей не требуется).

Технические данные некоторых акселерометров фирмы Kistler приведены в табл. 13.1.

Таблица 13.1. Технические данные акселерометров фирмы Kistler

Фирма Brьel & Kjer является лидером в производстве приборов в области измерения вибраций, ударов, шумов. В табл. 13.2 приведены технические характеристики акселерометров этой фирмы [25].

Таблица 13.2. Технические данные акселерометов фирмы Brьel & Kjer

13.10. Пьезоэлектрические акселерометры

Продолжение табл. 13.2

Упрощенная конструкция пьезоэлектрического акселерометра, выпускаемого этой фирмой с фирменной маркой Delta Shear, показана на рис. 13.27. Активные элементы этого акселерометра изготовлены из пьезоэлектрического материала (кварц или керамика) и соединены с основанием в виде стойки треугольного сечения и тремя сейсмическими (инерционными) массами. Воздействующие на основание акселерометра механические колебания приводят к

тому, что на каждый пьезоэлемент действует динамическая сила, равная произведению ускорения на соответствующую массу.

Пьезоэлементы генерируют электрический заряд, пропорциональный действующей на них динамической силе. Поскольку амплитуда и фаза ускорения сейсмических масс в широком частотном диапазоне идентичны амплитуде и фазе ускорения основания акселерометра, электрический заряд пропорционален ускорению механических колебаний поверхности объекта, на котором акселерометр закреплен.

Обладая высокими характеристиками, акселерометры этих фирм вместе с тем имеют и ряд недостатков, среди которых существенная, изменяющаяся по

Глава 13. Датчики вибраций

азимуту, поперечная чувствительность, а также сравнительная сложность конструкции, требующая индивидуальной доводки. Последний недостаток определяет цену этих акселерометров.

Существенного упрощения конструкции при обеспечении высоких характеристик можно достичь при увеличении числа граней призмы до n ; , что соответствует переходу к цилиндру.

Два варианта такой конструкции показаны на рис. 13.28.

В первом случае (рис. 13.28, а) [23] упругий элемент 3 прижимает инерционные массы 2 к цилиндрическому поперечному пьезоэлементу 1, внутри которого находится цилиндрический металлический корпус 4. Во втором случае (рис. 13.28, б) пьезоэлемент 1, инерционные массы 2 и упругий элемент 3 находятся внутри корпуса 4.

Диаграмма направленности акселерометра, изображенного на рис. 13.28, а, показана на рис. 13.29.

Цилиндрический поперечный пьезоэлемент обладает достоинством — осевой симметрией, что делает его весьма привлекательным для использования в акселерометрах.

Для справедливости следует отметить, что осевой симметрией могут обладать и другие геометрические фигуры, например, многогранная призма с четным количеством граней. Пример акселерометра, построенного по аналогии с акселерометром Delta Shear фирмы Brьel & Kjer, показан на рис. 13.30.

Этот акселерометр имеет малую боковую чувствительность, но сложную конструкцию.

Еще более простую конструкцию имеют акселерометры с цилиндрическим пьезоэлементом, закрепленным на основании с цилиндрическим выступом [22, 23].

В [4, 5] описан акселерометр, у которого чувствительный элемент выполнен в виде пьезополимерной пленки 1, сложенной в четное число раз, с электродами 2 и 3, подключенными к сигнальной жиле 4 и экрану коаксиального кабеля (рис. 13.31).

13.10. Пьезоэлектрические акселерометры

Датчик наклеивают на контролируемый объект. Чувствительный элемент деформируется синхронно с исследуемой поверхностью и генерирует напряжение, пропорциональное ее деформации. Сигнал с датчика посредством соединительного кабеля подается на измерительную аппаратуру (не показана). За счет экранирования сигнального электрода повышается помехозащищенность датчика. В этом случае снижается нижняя граница его динамического диапазона.

Кроме того, расширение динамического диапазона происходит за счет улучшения согласования пьезоэлемента с соединительным кабелем. В этом случае увеличивается емкость сложенного чувствительного элемента без изменения его поперечных размеров. Если емкость одного слоя — С0, емкость кабеля — СК, число слоев — n, то чувствительность датчика и, следовательно, его динамический диапазон увеличиваются в х раз

x n C0 CK . nC0 CK

Акселерометры на основе биморфных и триморфных пьезоэлектрических чувствительных элементов

Биморфные чувствительные пьезоэлектрические элементы (биморфные пьезоэлементы) достаточно широко применяются в конструкциях акселерометров [7, 14, 23]. Они обладают рядом достоинств, среди которых прежде всего высокая чувствительность. Вместе с тем, они имеют сравнительно неширокий частотный и динамический диапазон, сравнительно высокую боковую чувствительность, невысокую стабильность чувствительности, связанную с использованием клеевых соединений.

Следует учесть, что некоторые параметры акселерометров связаны друг с другом. Например, в большинстве случаев, чем выше осевая чувствительность,

Глава 13. Датчики вибраций

тем уже динамический диапазон преобразователя. Поэтому не может быть одного рецепта по улучшению всех характеристик акселерометра одновременно. В большинстве случаев за улучшение одного из параметров приходится платить ухудшением второго (или даже нескольких). Разработчику следует трезво оценить получаемые при таком выборе результаты и выбрать разумный компромисс.

Следует также заметить, что в связи с отсутствием центровки и балансировки инерционных масс биморфные преобразователи имеют существенную, меняющуюся по азимуту поперечную чувствительность.

Разработан ряд конструкций, в которых указанные недостатки частично устранены. Конструкция чувствительного элемента акселерометра с двумя биморфными пьезоэлементами показана на рис. 13.32 [23].

Здесь биморфные элементы 1, 3 и 2, 4 закреплены в корпусе 8 и соединены друг с другом тягой 7. Инерционные массы 5, 6 закреплены на пьезоэлементах

этом аксиальная чувствительность по напряжению и рабочий диапазон частот увеличились примерно в полтора раза по сравнению с акселерометром с одним биморфным элементом [23].

13.10. Пьезоэлектрические акселерометры

Лучшими параметрами обладает акселерометр, изображенный на рис. 13.34. Здесь инерционная масса находится между биморфными элементами, а пьезоэлементы соединены параллельно [23].

Повышения чувствительности биморфных преобразователей при одновременном расширении частотного диапазона можно достичь, если снабдить биморфный чувствительный элемент еще одним пьезоэлементом, располагаемым к основному компланарно. По существу это превращает биморфный элемент в триморфный (cм. гл. 9).

Пьезоэлементы и металлическая мембрана могут крепиться друг к другу с помощью клея, низкотемпературного припоя или диффузионной сваркой, а пьезоэлементы в зависимости от электрической схемы соединяются последовательно или параллельно однополярными или разнополярными электродами.

Следует также отметить, что присоединение к биморфному элементу еще одного пьезоэлемента приводит к увеличению жесткости колебательной системы, повышению ее резонансной частоты и снижению чувствительности. Одновременно подключение второго пьезоэлемента приводит к увеличению чувствительности (при параллельном соединении — по заряду, при последовательном — по напряжению). Эти два процесса должны приводить к появлению максимума на зависимости чувствительности от отношения площадей дополнительного FДОП и основного FОСН пьезоэлементов.

Симметричный триморфный пьезоэлемент может быть также использован в качестве акселерометра. Чувствительность по напряжению этого преобразователя в среднем примерно в 1,4 раза выше, чем у асимметричного преобразователя (рис. 13.35) [23].

Введение второго пьезоэлемента открывает дополнительные возможности для конструирования пьезоэлектрических преобразователей. Например, благодаря этому пьезоэлементу в преобразователь может быть введена электромеха-

Глава 13. Датчики вибраций

ническая обратная связь, которая позволяет управлять его характеристиками (cм. гл. 9) [23].

Конструкция акселерометра с триморфным чувствительным элементом показана на рис. 13.35.

Акселерометр содержит металлическую мембрану 1, два дисковых пьезоэлемента 2 и 3, две инерционных массы 4, 5 и корпус 6.

При увеличении осевой чувствительности примерно в полтора раза по сравнению с биморфным элементом акселерометр с триморфным элементом имеет почти нулевую поперечную чувствительность.

Интересна серия пьезоэлектрических вибропреобразователей, разработанная в ЦНИИТМАШе (Москва) [23].

В преобразователе на чувствительный элемент в виде диска 1 прикреплен пьезоэлемент 2 (рис. 13.36). Диск 1 выполнен из диамагнитного материала, например, титана. На периферии диска 1 равномерно распределены идентичные грузы 4 инерционного элемента, выполненные, например, в виде цилиндрических вставок, материал которых должен иметь плотность в 2,5—10 раз больше плотности материала диска и также быть диамагнитным.

Таким материалом является, например, вольфрам. От пьезоэлемента 2 от-

13.10. Пьезоэлектрические акселерометры

центре и при действии ускорения испытывает изгибную деформацию. Размеры пьезоэлемента и упругого элемента выбраны таким образом, чтобы пьезоэлемент испытывал при этом деформацию только одного знака. Заряд с пьезоэлемента снимается при помощи гибкого проводника 3, который подпаивается к верхнему электроду и контакту 4, изолированному от корпуса фторопластовой прокладкой 5 и закрытому предохранительным колпачком 6.

Датчик герметизируется резиновой прокладкой 7, зажимаемой гайкой 8. Масса датчика — 100 г. Чувствительность S = 20 мВ/м/с2, частотный диапазон — 20...500 Гц, собственная емкость — 3400 пФ, входное сопротивление усилителя напряжения — 2 МОм.

Доменно-диссипативные акселерометры и акселерометры с обратной связью

К недостаткам рассмотренных ранее акселерометров можно отнести сравнительно узкий рабочий диапазон частот, а также сравнительно невысокую точность измерения и стабильность параметров под воздействием дестабилизирующих факторов.

Расширения рабочего диапазона частот пьезоакселерометров можно достичь построением их по схеме доменно-диссипативных преобразователей, описанных в гл. 9. Один из примеров показан на рис. 13.38, а [23].

а)

Рис. 13.38. Доменно-диссипативный акселерометр: а — схема; б — АЧХ домен- но-диссипативного акселерометра; в — АЧХ традиционного акселерометра; 1 — пьезоэлемент; 2, 3 — электроды; 4 — основание; 5 — стойка

Для этого электроды на пьезоэлементе располагают таким образом, чтобы вектор напряженности электрического поля выходного сигнала создавал с вектором поляризации Р угол , причем 0 == 900. Это, как было описано в гл. 9, приводит к увеличению собственного сопротивления пьезоэлемента преобразователя (внутреннего трения), за счет чего резонансный пьезоэлектрический элемент превращается в апериодическую цепь. В результате этого амплитуд- но-частотная характеристика выравнивается (исчезают резонансы), а значит, расширяется рабочий диапазон частот (рис. 13.38, б). АЧХ традиционного акселерометра имеет два резонанса в исследуемом диапазоне (рис. 13.38, в).

Другой вариант доменно-диссипативного акселерометра приведен на рис. 13.39 [23].

13.10. Пьезоэлектрические акселерометры

ния под углом 90° к данной оси сигнал на чувствительном элементе не должен образовываться, т.е. поперечная чувствительность должна быть равна нулю.

При действии вектора ускорения под углом 45° к данной оси уровень сигнала должен быть в несколько раз меньше, чем при действии ускорения аксиально.

При воздействии ускорения на пьезоэлементы, закрепленные на гранях, расположенных нормально к вектору ускорения, один из пьезоэлементов сжимается под действием ускорения, а второй растягивается, что приводит к появлению на них зарядов одного знака. Это соответственно вдвое увеличивает чувствительность по заряду.

При изменении направления вектора ускорения на 180° знак заряда изменяется на противоположный. При действии на те же пьезоэлементы поперечных ускорений в них образуются заряды противоположного знака, но одного уровня, что приводит к их полной компенсации. При этом образуются заряды на парах пьезоэлементов, расположенных на других гранях нормально к вектору ускорения. Таким образом, разработанный акселерометр выдает однозначную информацию о величине и направлении вектора ускорения.

Описанный выше акселерометр сравнительно сложен, так как содержит 6 пьезоэлементов.

Разработан также акселерометр, состоящий из трех чувствительных элементов, располагаемых по осям координат. Один элемент такого акселерометра показан на рис. 13.42.

Диаграмма направленности разработанного акселерометра представлена на рис. 13.43.

Следует отметить, что инерционная масса и упругий элемент являются возможными, но не необходимыми элементами акселерометров. В качестве таких элементов может использоваться сам пьезоэлемент. Так, например, если имеется пьезоэлемент некоторой толщины, то при действии ускорения верхняя часть пьезоэлемента действует на нижнюю как инерционная масса. В качестве упругого элемента используется материал пьезоэлемента.

При этом, однако, уменьшается чувствительность, но одновременно расширяется частотный диапазон акселерометра.