2 Принципы измерения параметров вибрации.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

2.1 Основные характеристики измерительных преобразователей. Принципы организации измерений параметров вибрации.

В соответствии с ГОСТ 16263—70 измерительным преобразователем называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосред­ственному восприятию наблюдателем.

Измерительные преобразователи характеризуются чувствительностью, динамическим диапазоном, пределом и погрешностями преобразований

Под чувствительностью преобразователя понимают отношение изменения сигнала на выходе к вызывающему его изменению измеряемой величены. Различают абсолютную и относительную чувствительность.

Абсолютная чувствительность:

,

Относительная чувствительность:

,

где L  изменение сигнала на выходе;

Х  измеряемая величина;

Х  изменение измеряемой величины.

Предел преобразования  наибольшее значение входной величины, которое воспринимается измерительными преобразователями без искажений и повреждений.

Динамический диапазон измерений характеризуется наибольшим и наименьшим значениями входных величин, измерения которых производятся без искажений.

Под погрешностью измерений в общем случае понимают отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Измерительные преобразователи определяются также динамическими характеристиками, которые описывают их поведение при быстрых изменениях измеряемых величин.

К динамическим характеристикам, в частности, относят амплитудно-частотные и фазовые характеристики. Частотная характеристика определяет зависимость чувствительности измерителей преобразования от частоты изменения вход­ного сигнала, а фазовая характеристика  зависимость сдвига фаз между векторами входной и выходной измеряемых величин от частоты синусои­дального изменения входной измеряемой величины.

При измерении параметров вибрации используют два принципа изме­рения. Кинематический принцип заключается в том, что измеряют коор­динаты точек исследуемого объекта относительно выбранной неподвижной системы координат, например неподвижных элементов измерительного прибора или неподвижных объектов вне прибора.

Приборы, действие которых основано на кинематическом принципе измерения, называют приборами измерения параметров вибрации отно­сительно неподвижных координат.

Динамический принцип заключается в том, что параметры исследуемого вибрационного процесса измеряют относительно искусственной неподвиж­ной системы отсчета, в большинстве случаев инерционного элемента, сочленяемого с вибрирующим объектом через упругий подвес.

Измерительные преобразователи инерционного действия, реализующие динамический принцип изме­рения, являются измерителями абсолютных значений параметров вибрации исследуемых объектов. Абсолютные измерения вибраций обеспечиваются за счет использования инерционной массы, вывешенной на упругом под­весе, который при достаточно высоких частотах вибрации сохраняет инерционный элемент практически в состоянии покоя.

2.2 Классификация и особенности применения измерительных преобразователей вибрации.

По принципу работы измерительные преобразователи абсолютной вибрации разделяют на гене­раторные и параметрические. Измерительные преобразователи абсолютной вибрации являются контактными измерителями (рисунок 1).

Генераторные измерительные преобразователи осуществляют прямое преобразование механической энергии в электрический сигнал. К ним относят измерительные преобразователи, действие которых основано на эффекте Холла, пьезоэлектрические, индукционные и другие.

Рисунок 1 Классификация преобразователей абсолютной вибрации

Параметрические измерительные преобразователи представляют собой устройства, в которых под действием измеряемых входных механических величин изменяются электрические параметры схем: сопротивление, емкость, частота и так далее. Особенностью параметрических измерителей, является наличие внешних источников питания и демодуляторов, фиксирующих изменение электрических параметров.

К параметрическим измерительным преобразователям относят: резистивные, реостатные, тензорезисторные, емкостные, индуктивные, трансформаторные, магнитоупругие, вихретоковые, вибрационночастотные, электронно-механические и другие.

Из всего многообразия существующих измерителей преобразования наибольшее распростране­ние получили преобразователи с пьезоэлектрическим, тензорезистивным; электромагнитным (индуктивным), емкостным и струнным чувствитель­ными элементами. Каждый из перечисленных измерительных преобразователей имеет свою область рационального применения. Так, пьезоэлектрические измерительные преобразователи наиболее целесообразно использовать при наличии в динамическом процессе широкого спектра частот (до нескольких десятков тысяч герц) и больших значений ускорений. Тензорезистивными, индуктивными, вибрационно-частотными и емкостными измерителями преобразования целесообразно одновременно измерять переменную и постоянную составляющие динамического процесса.

Рассматриваемые измерители преобразования являются контактными, их закрепляют на исследуемом объекте и кабелем соединяют с контрольно-измерительной аппаратурой. При исследовании крупногабаритных объектов и узлов такое выполнение является оправданным и обеспечивает достаточно высокую точность измерений. Однако в ряде случаев при испытании малогабаритных изделий (радиодетали и другие) применение контактных измерителей преобразования не представляется возможным.

Размеры (масса) измерителей преобразования часто превышают размеры элементов исследуемых объектов.

В ряде случаев при установке измерителей преобразования на объекте нарушается истинный режим испытаний, а при наличии соединительного кабеля искажается полезный сигнал.

Преимущества бесконтактных измерителей вибрации заключаются в возможности проведения измерений с повышенной точностью в трудно доступных местах в условиях высоких температур и агрессивных сред при наличии различных внешних полей.

В бесконтактных измерителях реализуется кинематический принцип измерения параметров относительных вибраций и используются оптиче­ские, радиоволновые, акустические, радиационные, электромагнитные и магнитные методы (смотри рисунок 2).

Рисунок 2  Классификация измерителей относительной вибрации

Оптические методы измерения параметров вибрации по способу выде­ления информации об измеряемом параметре делят на амплитудные и частотные.К амплитудным методам измерений относят фотоэлектрон­ные, дифракционные и интерференционные методы измерения, а также методы с использованием пространственной модуляции светового потока.

Измерение параметров вибрации, основанное на изменении частоты излучения оптического генератора, отраженного от объекта, производя измерительными устройствами, действие которых основано на использо­вании эффекта Допплера.

Метод измерения выбирают с учетом конкретной задачи, а также с учетом возможности обеспечения необходимой погрешности измерения, чувствительности метода, диапазона измеряемых параметров и так далее

3 РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА ПЕРВИЧНОГО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВИБРАЦИИ

3.1 Выбор типа измерительного преобразователя.

В качестве первичных измерительных преобразователей наиболее распространены в настоящее время емкостные, индуктивные и пьезоэлектрические преобразователи, со­ответственно применяемые для непосредственного изме­рения смещения, скорости и ускорения.

Емкостные датчики используются для измерения вибра­ционных смещений от 1 до 500 мкм в диапазоне частот от 50 Гц до 2 кГц. Выходной сигнал с емкостного датчика, как правило, необходимо усиливать. Существенным не­достатком емкостных измерительных преобразователей яв­ляется их низкая помехозащищенность. В связи с этим область применения таких преобразователей весьма ог­раничена. Их используют, как правило, в тех случаях, когда при измерениях недопустима реакция датчика на колеблющуюся поверхность.

Типичным примером емкостного датчика может служить емкостной преобразователь типа ММ0004 датской фирмы «Брюль и Къер». Электрод датчика покрыт золотом и эк­ранирован корпусом от влияния паразитных наводок. Нагрузкой датчика является предусилитель (типа 2615 или 2619) с высоким входным сопротивлением (от 700 мОм до 4000 мОм). При установке емкостного преобразователя на необходимом расстоянии от испытуемого объекта между ними образуется воздушный конденсатор, который заря­жается постоянным напряжением 200 В от предусилителя. При изменении расстояния между датчиком и испытуемым объектом в результате вибраций возникает переменное на­пряжение, пропорциональное величине вибросмещения. В отличие от емкостных, индуктивные, датчики облада­ют повышенной помехоустойчивостью и надежностью. Од­нако эти датчики имеют весьма ограниченный частотный диапазон, обычно не превышающий 500 Гц. Такие датчики входят, например, в комплект виброизмерительной ап­паратуры ВИ6-5МАД (ДУ-5). Недостатком индуктивных датчиков являются их значительные габариты и масса, что часто ведет к искажениям результатов измерений из-за реакции датчика на колеблющуюся поверхность.

Для измерения напряжений в сложных механических конструкциях используются тензометрические элементы. Они представляют собой параметрические элементы, сос­тоящие из резисторов, включаемых в ветви электронного измерительного моста. При растягивании или сжатии элемента конструкции изменяется сопротивление накле­енного датчика, а следовательно происходит соответству­ющая разбалансировка электронного моста. Вследствие зависимости сопротивления тензоэлемента от температуры необходимо использовать термокомпенсацию. Для этого используется второй тензометрический элемент, наклеен­ный на то место конструкции, где отсутствуют деформации.

Диапазон измеряемых частот с помощью тензометрических приборов достаточно высок. Так, например, измеритель­ный прибор датской фирмы «Брюль и Къер» (тип 1516) позволяет производить измерения частоты до 3000 Гц. Существуют приборы, позволяющие измерять частоту и в более широких пределах (от 0,5 Гц до 20 кГц).

На практике наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи виброускорения  акселерометры, применяемые для измерений на высоких частотах. Обычно верхняя рабочая частота для них со­ставляет 1520 кГц. На выходных зажимах акселерометра напряжение пропорционально виброускорению. Преобра­зующий элемент акселерометра состоит, как правило, из двух пьезоэлектрических дисков, на которых закреплена тяжелая масса. Эта масса предварительно нагружена жесткой пружиной. При вибрациях масса создает переменные усилия на пьезоэлементы, пропорциональные виброускорению. Вследствие пьезоэффекта на обкладках дисков возникает переменное напряжение, пропорциональное прилагаемому усилию, а следовательно, виброускорению.

Основными параметрами пьезоэлектрического преобра­зователя являются:

1) чувствительность, которая зависит от используемого пьезоматериала, а также от массы преобразователя. С уменьшением размеров пьезодатчика увеличивается его частотный диапазон, но соответственно уменьшается его чувствительность. Так, например, акселерометр типа 8306 фирмы «Брюль и Къер», масса которого 600 г, обладает чувствительностью 10 В/(мс²), а акселерометр этой же фирмы типа 8307, масса которого 0,4 г, обладает чувстви­тельностью 2 мВ/(мс²) (тоесть в 500 раз меньшей).

2) поперечная чувствительность, представляющая со­бой чувствительность к ускорениям, действующим в плос­кости, перпендикулярной к главной оси акселерометра. Она обычно выражается в процентах и для высококачест­венных измерительных преобразователей меньше 3%.

3) устойчивость к внешним воздействиям. Температур­ный диапазон пьезодатчиков, как правило, равен 260° С, хотя в настоящее время существуют датчики, работающие при более высоких температурах (до 1000° С).

4) стабильность во времени. Уход параметров боль­шинства датчиков за год составляет 2%.

3.2 Физические основы пьезоэлектрического эффекта.

Действие пьезоэлектрических датчиков основано на исполь­зовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключаю­щегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристал­лов на их гранях появляется электрический заряд, величена которого пропорциональна действующей силе: q =d₁F₁

где q  электрический заряд, Кл/м²;

d₁  пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н;

F сила, приложенная к кристаллу, Н.

Пьезоэффект обратим, то есть приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца, то есть сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты.

Датчики, в основе действия которых лежит прямой пьезоэффект, используют для измерения переменных механических усилий. Заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента под действием внешних сил, очень мал и сохраняется лишь при отсутствии утечки, то есть при бесконечно большом входном сопротивлений измерительной цепи. Поскольку это практически невыполнимо, то необходимо заряд постоянно восполнять, что возможно при воздействии переменных сил. Поэтому пьезоэлектрические пре­образователи применяют только для измерения быстроменяющихся величин: давлений во взрывных процессах, в двигателях внутрен­него сгорания, звуковых колебаний, вибрационных ускорений и тому подобное.

Пьезоэффектом обладают диэлектрические кристаллы  кварц, турмалин, сегнетовая соль, титанат бария и другие. Наибольшее распространение получил кварц, так как он при наличии сильно выраженного пьезоэффекта одновременно имеет высокую ме­ханическую прочность, отличается высокими изоляционными свойствами, кроме того, его свойства мало зависят от темпера­туры.

В кристалле кварца, представляющем собой шестигранную призму, показанную на рисунке 3, различают три главные оси: оптическую zz, электрические xх и механические уу. Если из кристалла кварца вырезать соответствующим образом ориентированный по отношению к осям кристалла параллелепипед, то при приложе­нии сил Fx и Fy, действующих перпендикулярно оптической оси, на гранях b и с возникают заряды, не зависящие от геометрических размеров параллелепипеда.

Пьезоэффект, возникающий под действием сил Fx вдоль электрической оси, называется продольным пьезоэффектом, а пьезоэффект, возникающий при действии сил Fу, направленных вдоль механической оси, поперечным пьезоэффектом. При действии силы Fz, вдоль оптической оси пьезоэффект не наблюдается.

Для изготовления пьезодатчиков из кристаллов вырезают пластинки, ориентированные обычно вдоль электрической оси, то есть с про­дольным пъезоэффектом

Рисунок 3  Кристалл кварца с осями симметрии.

Пьезодатчик в простейшем исполнении показан на рисунке 4, он состоит из двух пьезопластин 1, между которыми расположен металлический электрод 2, имеющий изолированный вывод 3. Внешние стороны пьезопластин электрически соединены с корпусом 4. Толщина применяемых кварцевых пластин около 4 мм. При этой толщине частота собственных колебаний пластин составляет примерно 600 кГц, что определяет очень высокие динамические свойства кварцевых пьезодатчиков.

Рисунок 4  Конструкция пьезоэлектрического датчика

Измеряемое усилие F действует на пластины, расположенные так, что на их внутренних гранях, соприкасающихся с металли­ческим электродом, возникают отрицательные одноименные за­ряды, а на внешних  положительные. Заряд с электрода 2 подается к измерительному прибору.