ВИБРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Перемещение, скорость и ускорение при вибрации — величины переменные. Если необходимо рассмотреть весь процесс их изме­нения, производят регистрацию на осциллограмме или магнито­грамме. В обоих случаях регистрируемую величину фиксируют как функцию времени. Осциллограмма удобна своей наглядностью, возможностью геометрических сопоставлений и графической обра­ботки. Преимуществом магнитограммы является возможность мно­гократного воспроизведения электрического сигнала, пропорцио­нального зарегистрированной величине, с целью автоматического анализа и обработки, а также записи осциллограммы.

Иногда бывает желательно воспроизвести траектории точек ко­леблющегося тела или траектории состояния изображающих то­чек, т. е. кривые зависимости скорости от перемещения. Как отме­чалось в разделе 3, траектория состояния периодического процес­са представляет собой замкнутую кривую, наглядно показывающую его основные особенности. Осциллограмма потенциально содержит большую количественную информацию о процессе колебаний, но для выявления этой информации требуется трудоемкая, длитель­ная и дорогостоящая обработка. Поэтому нередко стремятся по­лучить важнейшую количественную информацию непосредственно в процессе измерения, например при помощи стрелочного или циф­рового указывающего прибора.

В зависимости от решаемой задачи возникает необходимость получить значения одной или нескольких следующих величин, ха­рактеризующих вибрацию: пикового (положительного или отрица­тельного) значения, полуразмаха, среднеквадратического значения, среднего значения модуля, амплитуд нескольких первых гар­моник перемещения, скорости или ускорения; основной частоты вибрации, начальных фаз нескольких первых гармоник, средне­квадратических значений в некоторых частотных полосах и т. д.

Виброизмерительные приборы — это приборы, предназначенные для измерения кинематических параметров вибрации: перемеще­ния, скорости, ускорения. Их можно классифицировать по различ­ным признакам. По принципу измерения виброизмерительные при­боры можно подразделить на два класса:

1) осуществляющие измерение относительно неподвижной или движущейся системы координат, принятой в качестве базы от­счета;

2) инерционные (сейсмические), связанные только с колеблю­щимся телом и содержащие упруго подвешенный инерционный элемент, причем измерению подлежит деформация упругой под­вески.

По принципу преобразования колебаний механических величин в другие виды колебаний виброизмерительные приборы делят на:

1) генераторные (энергетические), в которых энергия механи­ческих колебаний непосредственно преобразуется в другие виды энергии, преимущественно в энергию электрических колебаний;

2) параметрические (модуляторы), в которых измеряемые ко­лебания механических величин либо вызывают колебания нало­женного постоянного потока энергии, либо модулируют наложен­ные периодические колебания (преимущественно электрические), частота которых (несущая частота) гораздо выше частоты изме­ряемых колебаний.

По физическому явлению, положенному в основу преобразо­вания механических колебаний в другие виды колебаний, вибро­измерительные приборы можно подразделить, в частности, на сле­дующие группы:

1) механические с различного рода механическими преобразо­ваниями измеряемого колебательного движения или без преобразо­вания;

2) оптические;

3) с механоэлектрическими преобразователями (резистивны­ми, емкостными, индуктивными, индукционными, пьезоэлектриче­скими и др.);

4) электроконтактные (предельные) с разрывом или замыка­нием электрической цепи при достижении измеряемой величиной заданного предела.

Преимущественное распространение имеют инерционные виб­роизмерительные приборы. При пользовании ими необходимо учи­тывать систематические погрешности, вызванные несовершенством их амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик. Идеаль­ным был бы прибор с так называемой плоской амплитудно-частот­ной характеристикой, представляющей собой прямую, параллель­ную оси частот. Такой прибор измерял бы амплитуды вибрации всех частот в диапазоне плоской части характеристики в одинако­вом масштабе. Идеальный прибор должен иметь нулевую фазо­

частотную характеристику, т. е. сдвиг фазы зарегистрированной величины относительно измеряемой во всем частотном диапазоне равен нулю. В этом случае измеряемая вибрация воспроизводится без запоздания и без опережения по фазе, а следовательно без ис­кажения формы осциллограммы несинусоидальной вибрации. Та­кое отсутствие искажений достигается также при линейной фазо­частотной характеристике, которая (или ее продолжение) проходит через начало координат.

Инерционные виброизмерительные приборы могут работать в трех различных режимах:

1. Если собственная частота инерционного элемента на упругой подвеске значительно ниже частоты измеряемой вибрации, то при малом относительном демпфировании в приборе амплитуда дефор­мации упругого элемента приблизительно равна амплитуде пере­мещения измеряемых колебаний.

2. Если собственная частота приблизительно равна частоте из­меряемой вибрации, то при не очень малом относительном демпфи­ровании в приборе амплитуда деформации упругого элемента приб­лизительно пропорциональна амплитуде скорости измеряемых ко­лебаний.

3. Если собственная частота значительно выше частоты изме­ряемой вибрации, то при малом относительном демпфировании амплитуда деформации упругого элемента приблизительно пропор­циональна амплитуде ускорения измеряемых колебаний.

Инерционные виброизмерительные приборы, работающие во втором режиме, встречаются редко. Их основным недостатком яв­ляется узость частотного диапазона внутри околорезонансной зоны. Обычно применяют приборы, работающие в первом или третьем ре­жиме. У приборов, работающих в первом режиме, инерционный элемент при измерении периодической вибрации остается почти неподвижным, в то время как корпус прибора совершает измеряе­мую вибрацию. Поэтому размах относительной вибрации инерци­онного элемента почти равен размаху измеряемой вибрации и габа­ритные размеры прибора зависят от ее максимального размаха.. У этих приборов обычно устанавливают упругие ограничители хода инерционного элемента для предотвращения жестких разрушающих ударов, когда размах вибрации объекта измерений превышает до­пустимый предел.

Инерционные виброизмерительные приборы, работающие в третьем режиме,’ находят все более широкое применение. У них размах вибрации инерционного элемента практически равен разма­ху измеряемой вибрации, т. е. размаху корпуса прибора. Следова­тельно, сила, развиваемая упругим элементом, равна произведению массы инерционного элемента на его ускорение. Достоинствами этих приборов являются принципиальная возможность проводить измерения в широком диапазоне частот, нижней границей которого является 0 Гц (если это допускает преобразователь прибора), точ­но воспроизводить низкочастотные переходные процессы, а также простота конструкции датчика и его высокая надежность.

а) и

1

6) ,

2

8}

6

5

об

2 1 5 3 6

г)

Рис. 122

Преимущественное распространение имеет виброизмерительная аппаратура с механоэлектрическими датчиками, преобразующими механические колебания в электрические. Остановимся коротко на принципах действия пьезоэлектрических, резистивных, емкостных,

индуктивных, вихретоковых и ин­дукционных датчиков.

Один из простейших пьезо­электрических датчиков показан на рис. 122, а. Его корпус 1 жест­ко соединен с вибрирующим объ­ектом 2, к дну корпуса приклеен пьезоэлемент 3, а к последнему — инерционный элемент 4. На ме­таллизированных торцовых по­верхностях пьезоэлемента, при­мыкающих к днищу корпуса и пьезоэлементу, возникают проти­воположные по знаку электриче­ские заряды, пропорциональные деформации пьезоэлемента. Де­формация пьезозлемента пропор­циональна ускорению объекта, поскольку жесткость пьезоэле­мента очень высока и прибор ра­ботает в третьем режиме. Такие датчики относятся к группе гене­раторных. Во избежание искаже­ний необходимо обеспечивать весьма большое выходное элек­трическое сопротивление.

Из резистивных рассмотрим реостатные и с тензопреобразовате — лями. В схеме реостатного датчика (рис. 122, б) ползун 1 жестко соединен с вибрирующим объектом 2 и перемещается по резисто­ру 3, по которому течет ток (постоянный или синусоидальный) от внешнего источника, подаваемый на вход 4—5. Изменение напря­жения на выходе 5—6 при достаточно большом выходном электри­ческом сопротивлении пропорционально перемещению ползуна. Следовательно, это прибор параметрической группы. Серьезным не­достатком реостатных виброизмерительных приборов является трение ползуна о резистор, приводящее к износу последнего, а также ухудшающее частотные характеристики инерционных дат­чиков.

В другом резистивном датчике (рис. 122, в) основание 1 жестко соединено с вибрирующим объектом 2 и несет консольную балоч­ку 3, являющуюся упругим элементом. На ее конце закреплен инерционный элемент 4, а к верхней и нижней поверхностям при­клеены проволочные или фольговые тензопреобразователи 5 я 6. Их деформации, равные деформациям поверхностей балочки, про­порциональны относительному перемещению инерционного элемен-

та, т. е. прогибу балочки. Изменение электрического сопротивления тензопреобразователя пропорционально его деформации, поэтому протекающий по нему ток от внешнего источника оказывается мо­дулированным в соответствии с измеряемыми колебаниями. Моду­ляция может быть амплитудной, частотной или фазовой.

Одна из схем емкостного датчика показана на рис. 122, г. Об­кладка 1 конденсатора жестко связана с вибрирующим объектом и перемещается относительно второй обкладки 2, так что изменение активной поверхности обкладок пропорционально их относительно­му перемещению. На обкладки от внешнего источника подается синусоидальное напряжение несущей частоты. Поскольку емкость датчика изменяется пропорционально измеряемому колебательному перемещению, ток в цепи оказывается модулированным, причем огибающая, которая выделяется преобразующим устройством, пред­ставляет собой осциллограмму измеряемого перемещения. Вибро — измерительная аппаратура с емкостными датчиками применяется сравнительно редко.

индуктивных датчиков

Индукционные или электродинамиче­ские датчики относятся к генераторной группе. В довольно распространенной схеме такого датчика (рис. 123) измери­тельная катушка 1, входащая в кольце­вой зазор постоянного магнита или элек­тромагнита 2, жестко соединена с вибри­рующим объектом 3 и перемещается от­носительно магнита в осевом направле­нии. При этом в измерительной обмотке наводится электродвйжущаяся сила, про­порциональная скорости движения об­мотки относительно магнита.

Существует много разновидностей (рис. 124, а—д). Принцип их действия заключается в том, что отно­сительное перемещение ферромагнитного элемента 1 вызывает из­менение индуктивного сопротивления обмотки, на которую подается от внешнего источника синусоидальное напряжение. Ток в обмотке модулируется измеряемыми колебаниями.

На рис. 124, а ферромагнитный сердечник колеблется относи­тельно катушки 2. Сигнал снимается с концов 3 обмотки. Для уве­личения линейного участка амплитудного диапазона сердечник вы­полняется профилированным с переменным поперечным сечением. Такого рода датчики применяются для измерения сравнительно больших перемещений.

В других случаях ферромагнитный якорь 1 может двигаться па­раллельно (рис. 124, б) или перпендикулярно (рис. 124, в) поверх­ности полюсов сердечника 2, на котором имеется обмотка, питаемая от внешнего источника. Сигнал снимается с выхода 4. Последняя схема может обеспечить высокую чувствительность датчика, но обладает значительной нелинейностью^ амплитудной характери­стики.

Высокую чувствительность при наличии значительного, почти линейного участка амплитудной характеристики может обеспечить дифференциальная схема на рис. 124, г, где якорь 1 колеблется от­носительно сердечников 2 и 3, обмотки 4 я 5 которых питаются от источника, ток которого подается на вход 6. Измеряемый сигнал поступает на измерительное устройство 7 по дифференциальной схеме.

Рис. 124

В трансформаторной схеме датчика (рис. 124, д) якорь /, пере­мещаясь относительно сердечника 2, изменяет взаимную индуктив­ность обмоток. На обмотку 3 подается синусоидальное напряжение от внешнего источника, а с обмотки 4 снимается сигнал.

На рис. 124, е изображен вихретоковый датчик, сердечник 1 ко­торого несет обмотку, питаемую от внешнего источника синусои­дального напряжения. К вибрирующему объекту 2 прикреплена металлическая пластина 3, в которой ток обмотки сердечника на­водит вихревые токи. Их интенсивность зависит от величины зазора между сердечником и пластиной. Вибрация объекта вызывает из­менения вихревых токов в пластине, а эти изменения, в свою оче­редь, модулируют синусоидальный ток в обмотке сердечника. Сиг­нал снимается с выхода 4. Преимуществом вихретоковых датчиков является отсутствие контакта датчика с вибрирующим объектом.

В состав виброизмерительной аппаратуры могут входить в раз­личных сочетаниях следующие элементы: датчики, источники пита­ния (например, стабилизированные выпрямители, батареи, акку­муляторы, генераторы несущей частоты), усилительные и преобра­зующие устройства (например, катодные повторители, усилитель­ные каскады, дифференцирующие и интегрирующие цепи, демоду­ляторы), фильтры (например, нижних или верхних частот, октав­

ные, третьоктавные, узкополосные), указывающие приборы (на­пример, стрелочные, цифровые), регистрирующие приборы (напри­мер, осциллографы, магнитографы, самописцы), коммутирующие устройства, соединительные кабели, сигнальные устройства, прибо­ры для автоматической обработки получаемой при измерениях ин­формации (например, спектрального состава, корреляционных функций).

Для выбора подходящей виброизмерительной аппаратуры, оцен­ки ее возможностей и анализа результатов измерений необходи­мо знать основные характеристики аппаратуры: чувствительность, поперечную и ротационную чувствительность, пределы линейного участка амплитудной характеристики, диапазон частот измеряемой вибрации, разрешающую способность, погрешности измерения, требования, предъявляемые к условиям работы, напрцмер к темпе­ратуре, давлению, влажности, требования к характеру измеряемой вибрации, например направлению вибрации (горизонтальное, вер­тикальное, наклонное), наличию непериодических составляющих, наличию ударных импульсов.

Чувствительностью называют отношение выходного электри­ческого сигнала к измеряемому параметру вибрации. Так, напри­мер, чувствительность акселерометра (прибора, предназначенного для измерения ускорения) может измеряться отношением напря­жения на выходе датчика (в милливольтах) к величине измеряемо­го ускорения (в единицах ускорения свободного падения).

Датчик может обладать паразитной чувствительностью к неиз — меряемым составляющим вибрации — к поперечным составляющим (поперечная чувствительность) и угловым составляющим (ротаци­онная чувствительность). Поперечная чувствительность обычно за­дается в процентах от основной.

Амплитудной характеристикой аппаратуры называют кривую (в идеальном случае — прямую) зависимости амплитуды выходно­го электрического сигнала от амплитуды измеряемой синусоидаль­ной вибрации.

Разрешающей способностью виброизмерительной аппаратуры называют наименьшую разность между двумя значениями переме­щения, скорости или ускорения, которую может различить аппара­тура.

Технические характеристики виброизмерительной аппаратуры варьируют в широких пределах. Она нуждается в калибровке (та­рировании), т. е. экспериментальном определении характеристик (амплитудной, амплитудно-частотной, фазо-частотной). Калибров­ка должна производиться по специальной методике с применением калибровочных стендов или другими способами.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *