Структура вибрационного сигнала

 

Датчики для измерения виброакустических колебаний объекта

Математическая модель вибродатчика

Практически всегда первичный преобразователь исходного колебатель­ного движения в электрический сигнал измеряет только один параметр, и пере­ход к другому параметру осуществляется путем дифференцирования либо ин­тегрирования измеряемого сигнала аппаратурными средствами или расчетными методами.

Вибродатчик инерционного действия, сейсмический датчик - это датчик на основе механической системы второго порядка (масса-пружина), в котором смещение массы относительно корпуса датчика пропорционально измеряемому параметру вибрации [84].

Уравнение движения вибродатчика инерционного действия имеет вид:

 

,                                     (3.1)

где: M – масса инерционного элемента; h – коэффициент демпфирования; k – коэффициент упругости;   x – относительное перемещение массы; S (t) – виброперемещение объекта контроля.

В зависимости от расположения области рабочих частот датчика относи­тельно резонансной различают три режима его работы: режимы измерения виброперемещения, виб­роскорости и виброускорения.

В режиме измерения виброперемещения датчик работает в области час­тот, лежащих выше собственной частоты датчика.

В режиме измерения виброскорости датчик работает в области частот, лежащих в области задемпфированной собственной частоты датчика.

В режиме измерения виброускорения датчик работает в области частот, лежащих ниже собственной частоты датчика.

Кинематический принцип измерения вибрации заключается в измере­нии параметров вибрации исследуемого объекта относительно какого-либо другого объекта, принятого за неподвижный.

Динамический принцип измерения вибрации заключается в создании в датчике, воспринимающем вибрацию, искусственной неподвижной точки, от­носительно которой измеряются параметры вибрации исследуемого объекта.

Динамический принцип измерения реализуется в вибродатчиках инерци­онного действия, в которых инерционная масса и упругий элемент, соединяю­щий массу с основанием датчика, крепятся на объекте контроля, причем в силу инерционности масса отстает от колебаний объекта и, начиная с некоторой час­тоты, остается неподвижным в пространстве, позволяя измерять абсолютную вибрацию объекта.

Акселерометр

Пьезоэлектрический акселерометр – это датчик ускорения, в котором сейсмическая масса закреплена на пьезоэлементе или прижата к нему. Пьезоэлемент создает электрический заряд, пропорциональный инерционной силе и, следовательно, перемещению сейсмической массы.

Пьезоакселерометры на сегодняшний день являются стандартными датчиками, при­меняемыми для измерений вибраций машин. Они могут иметь различные кон­струкции [22]. Нагляднее всего принцип их действия можно описать на примере компрессионной конструкции (рис. 3.1). Сейсмическая масса крепится к основанию осевым болтом, который прижимает кольцевую пружину. Между массой и основанием вставляется пьезоэлемент. При перемещении акселеро­метра вверх или вниз, на сейсмическую массу воздействует сила F(t). Это единственная сила, действующая на массу m, и поэтому она пропорциональна ускорению последней, т. е. ускорению всей системы:

                                                            (3.2)

Когда на пьезоэлемент действует сила, на его поверхностях появляется электрический заряд. Масса воздействует на чувствительный элемент с такой же по величине и противоположной по направлению силой. Так как заряд Q (t)и напряжение U (t)на пьезоэлектрическом элементе прямо пропорциональны величине этой силы, то на обкладках чувствительного элемента появляется за­ряд, пропорциональный ускорению:

                                           (3.3)

где d – пьезомодуль керамики (d_max ≈3^.10^-10К л /Н); Q –заряд; K –коэффициента преобразования потоку.

 

 

Рис. 3.1.  Разрез датчика                   Рис. 3.2.  Современный акселерометр

 

Пьезоакселерометры имеют чувствительность не только в основном (главном) направлении, но и преобразуют сигнал в поперечном направлении.

Поперечная чувствительность вибродатчика - это относительная вели­чина, равная отношению максимальной величины сигнала на входе датчика от вибрации, действующей в направлении, перпендикулярном рабочей оси, к сигналу от вибрации того же уровня, действующего вдоль рабочей оси.

     Данные о поперечной чувствительности датчика представляются в виде диаграммы направленности либо указанием максимального значения поперечной чувствительности, определенного по диаграмме направленности. Поперечную чувствительность датчика рекомендуется определять на базовой частоте или одной из частот, лежащей в рабочем диапазоне частот датчика, с учетом характеристик вибростенда.

Кроме того, датчик обладает деформационной чувствительностью, кото­рая возникает из-за изгибных деформаций объекта в месте крепления акселеро­метра, что вызывает деформацию пьезопластин и возникновение на выходе датчика паразитного сигнала.

Для коэффициента преобразования по напряжению пьезоэлектрического датчика вибрации справедлива следующая формула:

 

                                                            (3.4)

 

а для коэффициента преобразования по заряду:

 

K = dQ,                                                           (3.5)

 

где d – пьезомодуль; Q – заряд; C - емкость чувствительного элемента.

На коэффициент преобразования пьезоэлектрического датчика, включенного на вход усилителя напряжения, влияет длина соединительного кабеля (активное и емкостное сопротивления) Сдвиговые и изгибные конструкции пьезодатчиков принципиально обла­дают наибольшей чувствительностью и наименьшей поперечной чувствитель­ностью.

Пьезоэлемент может быть выполнен из кварца или синтетических кера­мических пьезоматериалов, которые работают достаточно надежно, причем да­же при более высоких температурах, чем позволяет кварц. Если температура пьезоэлемента повышается и достигает так называемой температуры Кюри, то его пьезоэлектрические свойства утрачиваются. В этом случае датчик считается неисправным и не подлежащим ремонту.

Среди других конструкций одной из наиболее популярных является так называемый бендер (от англ. bend – изгиб), в котором используется консольно закрепленный пьезоэлемент с расположенным на нем небольшим гру­зом.

Пьезоакселерометры обладают чрезвычайно большой линейностью по амплитуде, поэтому у них очень большой динамический диапазон. Нижний предел ускорения, который они могут воспринимать, определяется только элек­трическим шумом электроники, а высшие уровни ограничены только пределом разрушения самого пьезоэлемента. Диапазон допустимых амплитуд может ох­ватывать восемь порядков, или 160 дБ!

При правильном обслуживании  пьезоакселерометр сохраняет стабиль­ность и калибровку в течение длительного времени. Акселерометр можно по­вредить двумя способами: подвергнуть его воздействию избыточной темпера­туры или уронить его на твердую поверхность. Общим правилом является еже­годная поверка акселерометров.

Частотный диапазон акселерометров очень широк и может простираться от очень низких частот до десятков килогерц. Высокочастотная характеристика ограничена резонансной частотой системы сейсмическая масса – пьезоэлемент. Ориентировочно, акселерометр считается применимым для измерений на час­тотах, не превышающих 1/3 его собственной частоты (при более жестких тре­бованиях к линейности верхнюю границу устанавливают равной около 1/5 соб­ственной частоты). Выше этой величины сигнал будет усиливаться, однако его можно использовать, если сделать соответствующую поправку на изменение чувствительности.

Некоторые из применяемых сегодня в промышленности акселерометров принадлежат к типу ICP, т. е. имеют встроенный микропредусилитель. Этот предусилитель питается постоянным током по сигнальному проводу, и поэтому для него не требуются дополнительные кабели. Устройство, к которому под­ключается такой акселерометр, должно обеспечивать соответствующее питание датчика. Из-за наличия предусилителя  ICP-акселерометры имеют спад частот­ной характеристики в области низких частот. Обычно  у большинства распро­страненных акселерометров общего назначения этот спад начинается прибли­зительно с 1 Гц. Для измерений в области очень низких частот используют спе­циальные модели, допускающие измерения вплоть до 0,1 Гц.

Для усиления сигнала пьезоэлектрического датчика часто применяют дифференциальные усилители. Преимущество дифференциального согласую­щего усилителя перед недифференциальным заключается в том, что он компен­сирует синфазные помехи.

Помимо пьезоэлектрических производятся также так называемые пьезорезистивные датчики, использующие эффект пьезорезистивности – изменения электрического сопротивления некоторых кристаллов под действием прило­женных механических сил. Пьезорезистивные датчики позволяют производить измерения вплоть до 0 Гц.

Для получения сигнала, пропорционального смещению, скорости или ускорению, вводят операции интегрирования сигнала с акселерометра. При однократном интегрировании сигнал пропорционален скорости, при двойном интегрировании – смещению. Вид преобразования и, соответственно, частотный диа­пазон определяются характером исследуемых процессов. В низкочастотном диапазоне (0 – 500 Гц) колебательные процессы целесообразно измерять в ре­жиме измерения перемещения, в диапазоне средних частот (500 - 2000 Гц) – в режиме измерения скорости, а в высокочастотном диапазоне (2 - 20 кГц и вы­ше) – в режиме измерения ускорения.

 

Датчик скорости

Датчик скорости (велосиметр) был од­ним из первых вибропреобразователей. Он со­стоит из проволочной катушки, внутри кото­рой находится магнит на пружинах (pис. 3.3). Когда корпус датчика приходит в дви­жение, магнит по инерции стремится остаться в покое. Вследствие относительного переме­щения катушки и магнита, в первой возникает индукционный ток, который пропорционален скорости перемещения корпуса датчика.

Напряжение на выходе датчика пропорционально не только скорости V                      

относительного перемещения катушки и магнита, но и длине проводника в катушке:

 

U_ВЫХ=-BlV= -Blx(t),   (3.6)

 

где B –магнитная индукция, Тл; l – общая длина проводника, находящегося в поле, м.

Таким образом, это устройство вырабатывает электрический сигнал, пря­мо пропорциональный виброскорости. Он является самогенерирующим и не требует дополнительной согласующей электроники, а также обладает сравни­тельно невысоким выходным электрическим импедансом, что делает его слабо чувствительным к наводкам.

 

 

                                                                                                                                                               

 

Рис. 3.3. Датчик скорости (велосиметр)

Наряду с перечисленными достоинствами, датчик скорости обладает и большим количеством недостатков. Он достаточно тяжел, сложен и дорогостоящ. Кроме того, его частотная характеристика охватывает диапазон от 10 до 1000 Гц. Пружина и магнит образуют систему с собствен­ной частотой порядка 10 Гц. Этот резонанс демпфируют. На практике демпфи­рование чувствительно к температуре из-за чего амплитудно-фазочастотная ха­рактеристика датчика также зависит от температуры.