3.4 Особенности работы и применения пьезоэлектрических преобразователей. Требования к измерительной цепи.

Пьезоэлектри­ческий датчик является преобразователем генераторного типа, величина заряда на обкладках которого определяется соотношением:

(1)

где q  заряд на обкладках датчика; u  напряжение на конденсаторе, образованном обкладками; с  емкость это­го конденсатора. Таким образом, виброускорение вызы­вает как напряжение на обкладках пьезоэлектрических шайб, так и заряд. Необходимость учета при измерениях чувствительности по заряду или по напряжению определя­ется схемой построения предусилителя.

Для получения правильных и стабильных результатов измерения величин вибраций имеет значение характер креп­ления приемников вибраций к измеряемому объекту.

Существуют следующие способы крепления:

 прижатие приемника с помощью специальных виб­рощупов в месте измерения (этот способ рекомендуется использовать при частотах выше 1000 Гц);

 резьбовыми шпильками, ввинчиваемыми в тело измеряемого объекта и головку виброприемника;

 посредством резьбовых вту­лок, привариваемых к объекту;

 с помощью магнита;

 с помощью воска и пластилина;

 с помощью клеев.

Результаты исследования показали, что наиболее ста­бильные результаты обеспечиваются при использовании жестких типов крепления, то есть посредством шпилек или втулок. Если поверхность, на которую монтируется аксе­лерометр, не очень гладкая, то ее рекомендуется покрыть тонким слоем силиконовой смазки.

Прогиб основания отрицательно влияет на чувствитель­ность акселерометра, поэтому закрепленный винт должен быть не до конца ввинчен в основание. Наибольший раз­брос результатов измерений получается при крепле­нии с помощью клеев вследствие упругих свойств клеево­го слоя.

Виброприемник, установленный на элемент конструк­ции, где должны быть измерены вибрации, может сущест­венно изменить характер колебаний элемента. Влияние виб­роприемника будет мало, если его масса на единицу площади будет значительно меньше, чем масса измеряемых элементов конструкций, а габаритные размеры приемника  зна­чительно меньше габаритных размеров измеряемых эле­ментов и длины звуковой волны в конструкциях. Влияние нагрузки, вызванной массой акселерометра, можно оценить, применяя следующую формулу:

, (2)

где  характеристика ускорения конструкции с ак­селерометром;  характеристика ускорения конструк­ции без акселерометра;  эквивалентная масса части конструкции, к которой присоединен акселерометр;  масса акселерометра.

Малогабаритные акселерометры (например, типа 8307) большей частью удовлетворяют поставленным условиям.

При измерениях вибраций особое внимание следует уделять качеству заземления кабеля и его крепления, так как акселерометры являются приборами с высоким входным сопротивлением. Измерительная схема, во из­бежание появления блуждающих токов на входе, должна быть заземлена в одной точке. В ряде случаев желательно изолировать акселерометр от вибрирующей конструкции с помощью изолирующих шпильки и прокладки. Механи­ческие колебания кабеля могут привести к появлению мик­рофонного эффекта, особенно на низких частотах. Исклю­чить подобное явление можно при жестком его креплении к вибрирующей поверхности с помощью воска, смолы или клейкой изоляционной ленты.

Виброизмерительные комплекты, как правило, снаб­жаются штатными кабелями, соединяющими виброприем­ник с предусилителем. При использовании других кабе­лей чувствительность виброизмерительных трактов по на­пряжению может изменяться. Важное значение при этом имеет тип примененного предусилителя.

Предусилители включаются в измерительную схему как для усиления слабого выходного сигнала акселерометра, так и для согласования высокоомного выхода акселеромет­ра с низкоомными последующими каскадами.

Усилитель напряжения предназначен для создания наиболее высокого входного сопротивления во избежание снижения чувствительности акселерометра. Такой усили­тель обычно устанавливается в непосредственной близости к измерительному преобразователю и соединяется с ним при помощи коротких кабелей. После преобразования вы­сокоомного входного сопротивления акселерометра в низкоомное сопротивление выхода усилителя дальнейшая длина кабелей не лимитируется. В качестве усилителей напря­жения могут быть использованы, например, усилители типов 2616, 2623, 2625 фирмы «Брюль и Къер».

При применении усилителей заряда в измерительном тракте емкость кабеля почти не оказывает никакого влия­ния на точность измерения, так как изменение входного сигнала вследствие изменения емкости кабеля компенси­руется в усилителе. Таким образом, в случае использования усилителей заряда можно использовать соединительные кабели любой длины. Необходимо отметить, что предусили­тели напряжения обычно имеют более простую конструк­цию и содержат меньшее количество радиокомпонентов, чем предусилители заряда, а следовательно, они обладают повышенной надежностью и более дешевые.