Разработка первичного преобразователя_Для системы контроля вибрации технологического оборудования / Зписка / Текст-Пьезодатчики

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

В настоящее время для измерений динамических процессов наиболее широко применяют пьезоэлектрические измерительные преобразователи, то есть преобразователи, в которых в качестве чувствительного элемента используют монокристаллические или поликристаллические материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами.

Область применения пьезоэлектрических датчиков непрерывно расширяется. Раньше их применяли только для измерения вибрации и удара в области высоких частот. Сейчас пьезоэлектрические датчики начали успешно исполь­зовать для измерения виброскорости и виброперемещения. Уже разрабо­таны схемы измерительных усилителей, позволяющих осуществлять изме­рения от единиц и десятых долей герца.

Успехи в смежной области приводят к качественным изменениям в под­ходе к разработке и использованию пьезоэлектрических датчиков. Так, разра­ботки полевых транзисторов модульных элементов, позволяющих умень­шить объем схемы согласующего усилителя, привели к созданию пре­образователей, совмещенных в одном корпусе с согласующим усилителем, так называемых пьезотронов.

Для пьезотронов не требуются дефицитные специальные антивибра­ционные кабели, они позволяют устанавливать датчики на любом расстоянии от измерительного прибора (в пределах нескольких сот метров). Однако их технические характеристики (например, динамический диапазон и тем­пература) ограничены возможностями деталей согласующего усилителя. Эти преобразователи перспективно использовать для эксплуатационного контроля вибрации машин с ограниченным динамическим диапазоном (до 200 м/с²) при температурах до 100°С.

Благодаря созданию пьезотронов и схем усилителей заряда изменился взгляд на возможности кварцевых датчиков, которые стали конкурентоспособ­ными с датчиками, имеющими керамический чувствительный элемент.

Используя усилители заряда, можно устранить влияние длины соеди­нительного кабеля на коэффициент преобразования датчика. Широкому при­менению пьезоэлектрических датчиков для измерения динамических процессов способствовало появление новых типов пьезоэлементов. Так, американская фирма «Эндевко», разработав высокотемпературные пьезоэлементы, создала высокотемпературные пьезоэлектрические датчики нескольких моделей, способ­ные работать при температурах до 760 ⁰С.

Действие пьезоэлектрических датчиков основано на использовании прямого пьезоэффекта, то есть свойств некоторых материалов (пьезоэлектриков) гене­рировать заряд под действием приложенной к ним механической силы. Конструктивная схема пьезоэлектрического из­мерительного преобразователя ускорения показана на рисунке .

Рисунок  Конструктивная схема пьезоэлектрического из­мерительного преобразователя ускорения:

где 1 – инерционный элемент;

2 – пьезоэлемент;

3 – выводы;

4 – корпус.

Инерционный элемент 1 прикреплен к верхней грани пьезоэлемента 2, а нижняя грань пьезоэлемента прикреплена к корпусу 4. При установке преобразователя на исследуемом объекте преобразователь вос­принимает вибрацию объекта. Вследствие стремления инерционного эле­мента сохранить состояние покоя, пьезоэлемент деформируется от воз­действия на него инерционной силы

F = ma,

где m – масса инерционного элемента;

а – ускорение объекта.

Деформация пьезоэлемента и возникающий при этом электрический заряд пропорциональны ускорению. Поэтому эти преобразователи часто называют пьезоакселерометрами.

В качестве пьеэоэлемента используют поликристаллические и монокри- сталлические пьезоэлектрические вещества.

Основные преимущества пьезоэлектрических датчиков:

простота конструкции;

широкий диапазон рабочих частот;

малая чувствительность к магнитным полям;

большая вибрационная и ударная прочность;

возможность создания высокотемпературных преобразователей;

возможность создания преобразователей с малыми размерами и массой.

Основными недостатками пьезоэлектрических датчиков являются:

наличие большого выходного сопротивления;

зависимость выходного сигнала от длины кабеля (при работе с усилителем напряжения);

невозможность измерения постоянной составляющей динамического процесса.

Основными техническими характеристиками пьезоэлектрических датчиков являются:

коэффи­циент преобразования, мВс²/м;

резонансная частота закрепленного преобразователя, кГц;

относительный коэффициент поперечного преобразования, %;

емкость, пф;

диапазон рабочих температур, °С;

динамический диапазон;

предельное ускорение, м/с²;

температурная погреш­ность, м/с²;

акустическая чувствительность, м/с²;

чувствительность к деформации, м/с²;

чув­ствительность к переменному магнитному полю, м/с²;

размеры, масса и тип крепления на объекте.

Конструктивные схемы основных типов датчиков представлены на рисунке . Существует большое количество моделей пьезоэлектрических датчиков, кото­рые можно классифицировать по следующим признакам:

- по виду деформации пьезоэлемента (работающие на сжатие-растя­жение, сдвиг, изгиб);

- по способу закрепления пьезоэлемента (клееные, с предварительным поджатием, клеено-поджатые);

- по способу закрепления на объекте (прижимные, клеено-прижимные и приклеиваемые).

По принципу использования различают пьезоэлектрические датчики:

обла­дающие высоким коэффициентом преобразования (больше 10 мВс²/м);

вибро­ударопрочные (больше 10000 м/с²);

высокочастотные (больше 10 кГц);

высокотемпера­турные (больше 80°С);

устойчивые к воздействию различных влияющих факто­ров (акустических шумов, механических деформаций, электрических и маг­нитных нолей, температуре, давлению, радиации и тому подобное);

имеющие малый коэффициент поперечного преобразования;

обладающие низкой доброт­ностью;

совмещенные в одном корпусе с согласующим усилителем;

оснащенные внутренним калибровочным устройством;

предназначенные для эксплуатационного контроля;

эталонные.

Совершенствование конструк­ций пьезоэлектрических датчиков направлено по пути улучшения их техниче­ских характеристик и создания более совершенных и надежных моделей.

Рисунок  Конструктивные схемы основных типов пьезоэлектрических измеритель­ных преобразователей ускорения:

a  клееный датчик;

б  клеено-поджатый;

в  с параллельно включенными пьеэоэлементами;

г  с последовательно включенными пьезоэлемеитами;

д  с использованием поперечного пьезоэффекта;

е  центрированные;

ж с пьезоэлементом, работающим на сдвиг;

з  схема тандем;

ик с изгибным консольным элементом, подкрепленным и биморфным cоответ­ственно;

л — с изгибным грибообраэным чувствительным элементом

Большие значения коэффициента преобразования в пьезоэлектри­ческих датчиках в основном получаются четырьмя путями:

увеличением инер­ционного элемента;

уменьшением емкости пьезозлемента;

использованием изгибных или сдвиговых деформаций пьезоэлемента; использованием пьезокерамики с большим значением пьезомодуля.

Следует помнить, что с увеличением коэффициента преобразования в большинстве случаев снижается резонансная частота датчика.

Вибрационную и ударную прочность датчиков можно повысить, применив клеено-поджатые чувствительные элементы и датчики, работающие на сдвиг; увеличив прочность сцепления инер­ционного элемента с пьеэокерамикой и последней с корпусом и повысив требования к материалам и качеству контактирующих поверхностей, выбрав диаметр и высоту инерционного элемента и величину поджатия послед­него.

Частотный диапазон пьезоэлектрических датчиков является одной из самых важных его технических характеристик. Нижняя граница диапазона рабо­чих частот датчиков определяется ее емкостью (вместе с соединительным кабелем) и входным сопротивлением используемого в комплекте с ним измерительного прибора. Поэтому для понижения границы частотного диапазона используют датчики с большой емкостью и измерительные при­боры с высоким входным сопротивлением. Как правило, большой емкостью (несколько тысяч пикофарад) и высоким коэффициента преобразования обладают пьезо­электрические датчики с чувствительным элементом, работающим на изгиб,

В последнее время для снижения нижней границы диапазона рабочих частот применяют усилитель зарядов.

Верхняя граница частотного диапазона f_В определяется значениями установочного резонанса (который всегда лежит ниже частоты собствен­ных колебаний) и затуханием датчиков.

Установочный резонанс повышается при увеличении площади и повы­шении качества контактных поверхностей между чувствительным элемен­том и корпусом, корпусом и объектом, размещении чувствительного элемента непосредственно в корпусе объекта, уменьшении массы корпуса. Увеличение контактной площади обеспечивается:

плотным резьбо­вым соединением акселерометра с объектом;

по­садкой акселерометра на конусную поверхность.

Для уменьшения массы корпуса используют материалы малой плотности типа: титана, дюралюминия.

Указанные меры позволяют значительно повысить установочный резо­нанс и приблизить его к частоте собственных колебаний акселерометра.

Диапазон частот пьезоэлектрических ИП можно расширить также путем коррекции (с помощью корректирующих цепей) амплитудночастотной характеристики датчиков или усилительного канала.

Относительный коэффициент поперечного преобразования яв­ляется важной метрологической характеристикой пьезоэлектрических датчиков. Значение коэффициента поперечного преобразования наиболее распространенных датчиков с пьезоэлементом, рабо­тающим на растяжение-сжатие, зависит от многих факторов, поэтому создание датчиков с малой поперечной чувствительностью не простая задача.

Коэффициент поперечного преобразования можно уменьшить следующими способами:

 применением ИП правильной геометрической формы, с однородным составом по механическим и электрическим свойствам;

 использованием нескольких пьезоэлементов в чувствительном эле­менте, что позволяет усреднить механическую и электрическую неодно­родности отдельных пьезоэлементов;

 совмещением центра тяжести инерционного элемента со средней плоскостью пьезоэлемента;

 созданием конструкций датчиков, в которых сохраняется электрическая симметрия чувствительного элемента при изготовлении и эксплуатации.

Для отдельных образцов датчиков значения коэффициента поперечного преобразования равны 1%, однако для большинства такого типа датчиков коэффициент поперечного преобразования составляет больше 4  5%. Малые значения коэффициента поперечного преобразования можно получить для датчиков с пьезоэлементом, работающим на изгиб и на сдвиг.

Температурный диапазон датчиков можно расширить за счет использования кварца или температуростойкой пьезокерамики и компенсации погрешности от температуры с помощью температурно-зависимых элементов (конден­сатора, резистора). Таким путем в определенном температурном диапазоне можно добиться отсутствия зависимости коэффициент поперечного преобразования от температуры.

Температурный диапазон датчиков можно расширить также, применив воздушное или водяное охлаждение или с помощью охлаждаемого переходника.

Температурную стабильность пьезоэлектрических датчиков повышают искус­ственным старением пьезоэлементов путем их нагрева или механического и электрического нагружения, а также применением температуростойких клеев и материалов.

На используемые в промышленных условиях датчики часто воздействуют различные электрические и магнитные поля, акустические шумы, механи­ческие деформации и другие помехи.

Пьезоэлектрические датчики малочувствительны к различным помехам электрического, акустического и механического происхождения, но в ряде случаев, особенно при исследовании малых вибраций, влияние той или иной помехи является существенным.

Иногда между объектом, на котором закреплен преобразователь, и местом заземления вторичного прибора существует достаточно большая разность потенциалов. В случае применения преобразователей с токоведущими элементами, электрически связанными с корпусом, на входе изме­рительного прибора, с которым соединен преобразователь, появится зна­чительная величина паразитной наводки.

При креплении преобразователей через изоляционную прокладку электрическая помеха на входе измерительного прибора снижается при­мерно в сто раз.

Способы электрической изоляции преобразователей от объекта пред­ставлены на рисунке .

Рисунок . Способы электри­ческой изоляции преобра­зователей от объекта:

1  преобразователь;

2 – переходник;

3 и 5 – изоляторы;

4  объект;

6  винт.

Описанные выше преобразователи с изолированными от корпуса токо­ведущими элементами иногда называют дифференциальными. Большин­ство конструкций датчиков с изолированными токоведущими элементами имеют не полностью симметричный выход.

Дифференциальные преобразователи обладают еще большей помехо­защищенностью. Дифференциальные датчики и преобразователи с изолированными токоведущими элементами обладают также малой чувствитель­ностью к влиянию деформаций кабеля, переменным магнитным полям и другим помехам.

При измерении вибрации статоров, корпусов, подшипников и фунда­ментов электрических машин типа электрических двигателей и генера­торов измерительные преобразователи могут подвергаться воздействию интенсивных переменных магнитных полей, напряженность которых иногда достигает десятков тысяч ампер на метр.

Влияние переменного магнитного поля на пьезоэлектрический датчик обусловлено тремя причинами:

 наведением электромагнитной ЭДС на выводные провода и токоведущие элементы;

 явлением магнитострикции в деталях из ферромагнитных материалов;

 возникновением вихревых токов в деталях датчиков.

Чувствительность пьезоэлектрических датчиков к переменному магнитному полю носит нелинейный характер, поэтому ее нельзя характеризовать величиной электрического напряжения на выходе преобразователя (поме­щенного в магнитное поле), отнесенного к единице индукции или напря­женности магнитного поля. При этом следует указывать значение индук­ции или напряженности магнитного поля, при которых преобразователь испытывался. Вследствие нелинейносги этой характеристики электрическое напряжение помехи, вызванной магнитным полем, содержит ряд гармо­нических составляющих: 50, 100, 150 Гц и так далее. Основными являются составляющие 50 и 100 Гц.

Чувствительность датчиков к механическим деформациям особенно проявляется при установке их на тонких стенках таких объектов, как редукторы, насосы и тому подобное. В этих случаях в местах установки преобразователя могут возникнуть большие изгибные деформации, которые вызывают в корпусе и в пьезоэлементе значительные механические напряжения, что приводит к изменению коэффициента преобразования.

Для уменьшения влияния механической деформации (уменьшения тензочувствительности) датчиков:

увеличивают толщину основания между пьезоэлементом и корпусом акселерометра вводят промежуточный элемент;

используют двухкорпусную конструкцию;

применяют переходник, удаляющий пьезоакселерометр от объекта; преобразователь приклеивают через прокладку или устанавливают на мастику.

Виброизмерительные преобразователи с чувствительным элементом, работающим на изгиб вследствие особенности конструкции, практически не подвержены влиянию механических деформаций.

В большинстве случаев при измерении вибраций механическая дефор­мация в месте установки преобразователя бывает небольшой, поэтому изменением коэффициента преобразования можно пренебречь.

Схема крепления преобразователя на переходнике показана на рисунке .

Следует иметь в виду, что в это случае его установочный резонанс снижается в полтира, два раза. Наименьшей чувствительностью к механическим деформациям объекта обладают двухкорпусные преобразователи, а также преобразователи, у которых чувствительный элемент значительно удален от места крепления корпуса к объекту.

Рисунок . Cхема крепления преобразователя на переходнике.

1  преобразователь;

2  переходник;

3  объект.

При нагреве пьезоэлектрического преобразователя его основные характеристики (коэффициент преобразования и емкость) значительно изменяются. Это происходит вследствие зависимости пьезомодуля и диэлектрической проницаемости от температуры. У различных материалов эти параметры изменяются по разному. Существуют материалы, пьезомодуль которых с повышением температуры изменяется мало, а диэлектрическая проницаемость значительно. Поэтому для уменьшения температурной погрешности датчика эти материалы следует использовать в преобразователях, работающих с усилителем заряда.

При создании высокотемпературных датчиков используют высокотемператур­ные клеи, провода, изоляционные материалы и высокотемпературные антивибрационные кабели.

При нагреве преобразователя на электродах пьезоэлемента появляется статический заряд, вызванный явлением пироэффекта и температурной деформацией пьезоэлемента. При включении преобразователя на вход измерительного прибора, имеющего входное сопротивление мене 100 МОм, этот заряд обычно не оказывает влияния на показания прибора при неболь­шой скорости нагрева или охлаждения датчика. В случае применения прибора с входным сопротивлением более 200 МОм или при значительной скорости нагрева и охлаждения могут наблюдаться нарушения работы прибора. Если преобразователь необходимо использовать в условиях термоциклирования, то его следует подвергнуть дополнительным испытаниям. Большинство моделей преобразователей не предназначено для работы в этих условиях, и заводы-изготовители не проверяют их на термоциклирование.

Вибрация некоторых агрегатов (высокооборотные компрессоры, насосы, редукторы и другие) при определенных режимах сопровождается интенсивным акустическим шумом, который из-за акустической чувствительности пьезо­электрических преобразователей (чувствительности к давлению) оказывает влияние на выходной сигнал последних. Как правило, это влияние невелико, но при измерении вибрации небольшого уровня для оценки

погрешности измерения важно знать акустическую чувствительность преобразователей.

Пьезоэлектрические датчики большинства моделей обладают высокой виб­рационной и ударной прочностью и устойчивостью, причем наибольшие значения имеют преобразователи с чувствительным элементом, поджатым в корпусе и работающим на сдвиг.

Преобразователи с чувствительным элементом, работающим на изгиб, характеризуются меньшей вибрационной и, особенно, ударной прочностью. Эти преобразователи не следует применять для исследования вибрацион­ных процессов или ударных импульсов, частотный спектр которых содер­жит составляющие ускорения значительного уровня (до 200—500 м/с²), а частота совпадает с собственной частотой преобразователя, так как может нарушиться целостность пьезоэлемента, приклеенного к стальному упругому элементу. По этой же причине нельзя допускать падения таких преобразователей. При падении преобразователя на цементный или метал­лический пол может возникнуть значительное ускорение (до 10000 м/с² и более). В случае использования преобразователей для измерения боль­ших ускорений (более 10000 м/с²), особенно в области низких частот (менее 1000 Гц), из-за больших перемещений возникает опасность повреждения выводного кабеля вблизи места заделки его в корпусе преобразователя или у разъема. Для предохранения кабеля, оставляя небольшую петлю, его следует крепить через мягкую прокладку к корпусу преобразователя или к объекту, на котором установлен преобразователь.

Для стационарного эксплуатационного контроля вибрации машин, а также в случае затруднений при съеме датчика с машины удобно исполь­зовать датчики, имеющие внутреннее калибровочное устройство (в виде дополнительного пьезоэлемента или электромагнитного возбудителя коле­баний).

Известны и другие схемы контроля исправности датчиков, например путем подачи на пьезоэлемент импульсного напряжения и съема с него отклика. Большим недостатком пьезоэлектрических датчиков является ограниченная длина выводного кабеля, соединяющего акселерометр с высокоомной частью измерительного прибора. С увеличением длины кабеля уменьшается коэф­фициент преобразования датчика при работе последнего с усилителем заряда. Кроме того, применяемый для этой цели антивибрационный радиочастот­ный кабель дефицитный и дорогостоящий. Поэтому создание датчиков, совме­щенных с входным усилителем (пьезотронов) является важной задачей.

В каждом конкретном случае для измерения параметров вибрации или удара выбирают датчики наиболее подходящей модели.

Для измерения низкочастотных вибраций малого уровня ускорений необходимы преобразователи, обладающие высоким коэффициентом преобразования.

В условиях высоких температур при наличии других влияющих факто­ров (акустических шумов, механических деформаций, электрических или магнитных полей, давлений, радиации и тому подобного) необходимо применять малочувствительные к влияющим факторам датчики или принимать меры по защите преобразователя от их воздействия.

Для контроля вибрации в эксплуатационных условиях главными харак­теристиками являются надежность преобразователя, его вибрационная и ударная прочность и устойчивость, способность длительное время работать в условиях непрерывного воздействия различных влияющих факторов.

Частотный диапазон датчиков определяют исходя из спектра частот вибра­ционного или ударного ускорения испытуемого объекта. Если спектр частот неизвестен, то следует использовать широкодиапазонные датчик. Коэффициент преобразования датчиков обратно пропорционален квадрату частоты его резонансных колебаний, поэтому целесообразно выбирать датчики, имеющий установочный резонанс, в два, три раза превышающий верхнюю границу спектра частот ускорений объекта. При заданной неравномер­ности амплитудно-частотной характеристики датчика верхнюю границу неиска­женного воспроизведения спектр частот исследуемого объекта (без учета затухания) определяют из выражения:

 = 1/(1-(f/f₀)²)

где f, fо  текущая и резонансная частоты соответственно, Гц.

Установочный резонанс можно значительно снизить, если датчик закре­пить на объекте через маложесткий переходник или на маложесткой части объекта. Установочный резонанс закрепленного датчика следует прове­рять непосредственно на объекте.

Широкие возможности пьезоэлектрических датчиков могут быть реализованы только при соблюдении правильных методов использования преобразова­телей в сложных условиях эксплуатации.

На точность измерения влияют следующие факторы:

способ и качество крепления преобразователя на объекте;

возможная вибрация выводного кабеля;

температура;

переменные электрические и магнитные поля;

механические деформации;

акустические шумы;

перепады давления;

проникновение к токоведущим элементам датчика влаги или масла.

При установке преобразователя на исследуемом объекте часто используют различные переходники.

Примеры крепления преобразователя приведены на рисунке .

Рисунок . Примеры крепления преобразователя на подшипнике:

а  на консольной пластине;

б  на П-образном переходнике;

в  на Г-образном переходнике;

г  на приваренном или приклеенном фланце;

1— преобразователь;

2 — переходник;

3-подшипник.

Если невозможно выполнить крепежные отверстия на объекте, то для крепления преобразователя может быть рекомендован способ, на рисунке ,б. При этом способе крепления небольшую легкую планку с крепежными отверстиями приваривают или приклеивают на объекте (установочный резонанс для высокочастотных преобразователей может уменьшится почти в два раза).