3. Вимірювання параметрів вібрацій

Під вібрацією розуміють механічні коливання об'єкта у певних межах. Параметрами вібрацій є амплітуда, швидкість та прискорення центру маси досліджуваного об'єкта. Коливання можуть мати характер:

- детермінованих процесів, тобто процесів, які підпорядковуються певному математичному законові і повторюються в часі;

- стохастичних процесів, тобто безладних процесів, які не опису­ються математично і визначаються випадковою послідовністю різних причин.

Зауважимо, що здебільшого для вимірювань амплітуди вібрацій, швидкості та прискорення використовують один і той же первинний перетворювач (інерціальну систему) з використанням для визначення окремих параметрів інтегрально-диференціального зв'язку між ними.

Рис.5. Схема індукційного віброакселерометра

Прикладом такого віброакселерометра може служити індукційний віброакселерометр (рис. 5), принцип роботи якого такий. На плоскій пружині 1 закріплена вимірювальна котушка 2, яка одночасно виконує роль інерційної маси. До корпуса віброперетворювача прикріплений постійний магніт, а сам перетворювач кріпиться до досліджуваного об'єкта.

Вихідною величиною індукційного віброперетворювача є швидкість коливного руху досліджуваного об'єкта. Для одержання показів вихідного вимірювального приладу в одиницях вимірюваного прискорення використовують проміжну диференціювальну ланку, а для побудови віброметра - інтегрувальну ланку (рис. 5).

Для розширення частотного діапазону в сторону низьких частот та підвищення точності використовується зворотний зв'язок. Сигнал з виходу інтегратора подається на вхід компенсаційної котушки, меха­нічно з'єднаної з вимірювальною котушкою. Компенсаційний струм, взаємодіючи з полем постійного магніту, створює компенсувальну силу, спрямовану назустріч силі інерції, зменшуючи амплітуду коливань інерційної маси при наближенні частоти коливань досліджуваного об'єкта до резонансної частоти інерціальної системи.

Розглянутий віброакселерометр призначений для роботи в частот­ному діапазоні 20...500 Гц, похибка не перевищує 1 %.

Найпростішим конструктивно є пружинний віброметр (акселеро­метр) з первинним перетворювачем у вигляді інерційної маси 1, закріп­леної на кінці плоскої пружини 2 (рис.6), по обидва боки від якої наклеєні тензорезистивні перетворювальні елементи, які сприймають деформацію пружини при її коливанні. Інерційна маса буде коливатись з амплітудою, що дорів­нює амплітуді коливань досліджуваного об'єкта. Два робочі тензорезистори, один з яких сприймає деформацію розтягу, а інший деформацію

273стискування, увімкнені в схему подільником напруги (рис. 17.6, б). Вимірювальне коло живиться від джерела постійної напруги. Для виключення сталої складової у вихідній напрузі використовують роздільний конденсатор С.

Рис.6. До принципу дії тензорезистивного акселерометра

Для контролю параметрів динамічних процесів, переважно в об­ласті підвищених частот, широко застосовують п'єзоелектричні перетво­рювачі. Існує багато різновидів таких перетворювачів, які відрізняються один від одного видом використовуваної деформації п'єзоелемента, способом його кріплення до інерційної маси тощо.

Не зупиняючись на особливостях конструкції, принцип діє п'єзо­електричного акселерометра можна пояснити рис. 17.7. При прискоре­ному русі закріпленого до досліджуваного об'єкта акселерометра на п'єзоелемент 1 буде діяти сила Fx. Під дією цієї сили п'єзоелемент деформується і в ньому виникають механічні напруження, що спричинюють виникнення на обкладках п'єзоелемента електричного заряду.

Еквівалентна електрична схема такого перетворювача наведена на рис. 7, б. де R₀ і С₀ - еквівалентний опір та еквівалентна ємність перетворювача.

Рис.7. П'єзоелектричний перетворювач акселерометра та його еквівалентна електрична схема

Мала потужність при великому внутрішньому опорі п'єзоелек­тричного перетворювача зумовлюють певні вимоги до вторинних пере­творювачів, тобто - до вимірювальних підсилювачів, основною з яких є необхідність дуже високого вхідного опору підсилювача. Серед схем підсилювачів, які можуть бути використані, можна виділити два різно­види. Це - електрометричні з вхідним опором до 10¹⁴ Ом і так звані під­силювачі заряду. Сьогодні останні майже повністю витісняють елек­трометричні.

Підсилювачі заряду (рис. 8, б) - це підсилювачі сталої напруги з коефіцієнтом підсилення більше ніж 20000 побудовані на основі операційного підсилювача.

Особливою сферою застосування п'єзоелектричних перетворюва­чів віброприскорень є досліджування імпульсних процесів, наприклад, під час випробування вогнепальної зброї, експериментальних дослід­жень транспортних засобів. Через малі розміри та малу масу вони працюють практично без зворотної дії на досліджуваний об'єкт і тому придатні також для досліджень об'єктів малих геометричних розмірів (малих мас).