Датчики измерения вибрации и ускорений

В системах, где требуются измерения вибрации и колебаний, широко применяют колебательные системы (рис. 6.8). Из теории колебаний следует, что перемещения у массы т связаны с ускорением у уравнением

1 л •

У = —у ' Л • У,

ю0

где ю0 = — — частота собственных колебаний массы т на упругом

V т

элементе жесткостью С;

А — коэффициент пропорциональности, зависящий от отношения частот с/ и степени демпфирования (коэффициент периодичности) е. Частота

Q

В

где QB — частота вынужденных колебаний, возбуждаемых силой р = = • sin ?2Вt, а 8 =

кй коэффициент сопротивления демпфера.

При оптимальном демпфировании можно получить наибольший диапазон рабочих частот, в пределах которого упругую систему можно использовать как преобразователь ускорения.

В первичных преобразователях вибрации измеряется смешение корпуса системы относительно неподвижной инерционной массы, сохраняющей свое положение в пространстве при увеличении частоты колебаний, начиная с величины (2...3) • со(). Отношение относительного перемещения инерционной массы и корпуса прибора уотн к перемещению корпуса qK вместе с исследуемой точкой (рис. 6.8, б) равно:

•Уота - А ? yl + е2 d2 - 1.

Когда А стремится к нулю, отношение перемещений уотн стремится к значению минус единица (-1). Знак минус свидетельствует о смене фазы между перемещениями. Таким образом, для измерения вибраций и ускорений можно использовать такое же устройство, но час-

А 3

Кинематическая схема колебательной системы с одной степенью свободы при различном возбуждении колебаний (а, б) и амплитудно-частотная характеристика колебательной системы (в)

Рис. 6.8. Кинематическая схема колебательной системы с одной степенью свободы при различном возбуждении колебаний (а, б) и амплитудно-частотная характеристика колебательной системы (в):

а — при силовом воздействии; б — при кинематическом воздействии; в — зависимость амплитуды А от (1 и є

О 0,5 1,0 1,5 2,0 а=2/й)0

в

  • 2
  • 1

тотный диапазон должен быть больше (2...3) • со0. Нижний предел диапазона частот зависит от величины демпфирования, а верхний — ограничен частотными характеристиками усилительной или регистрирующей аппаратуры.

Конструкция преобразователей ускорения и вибрации зависит от способа преобразования перемещений инерционной массы в электрический сигнал.

В случае применения тензометрических преобразователей тензо-резисторы реагируют на деформацию упругих элементов, поддерживающих инерционную массу, что позволяет использовать типовую тензоизмерительную аппаратуру.

В индуктивных преобразователях перемещение инерционной массы изменяет индуктивность обмоток (рис. 6.8, б), что определяет величину выходного сигнала датчика.

Пьезоэлектрические преобразователи, имеющие небольшие габариты и массу всего несколько граммов, работают в широком диапазоне частот, но непригодны для измерения постоянных составляющих процессов вибрации, поэтому в этих случаях применяют индуктивные и тензорезистивные преобразователи.

Преобразователь ускорений (рис. 6.9, а) не имеет жидкостного демпфирования, его характеристику (кривая А на рис. 6.9, а) корректируют с помощью фильтров (кривая Б).

Конструктивные схемы и характеристики индуктивных преобразователя

Рис. 6.9. Конструктивные схемы и характеристики индуктивных преобразователя

ускорения (а) и преобразователя вибрации (б): а: 1 — инерционная масса; 2 — пластинчатая пружина; 3 — сердечник; 4 — измерительные и питающие обмотки; б — жидкостной преобразователь вибрации: 7 — корпус; 2 — крышка; 3 — упругие элементы; 4 — инерционная катушка; 5 — инерционная масса

Преобразователь вибрации (рис. 6.9, б) имеет жидкостное демпфирование, его конструкция имеет возможность для измерения вертикальных и горизонтальных вибраций, различающихся установкой пружин 3.

Для измерения ускорений широко применяются акселерометры, выполненные по различным технологиям и с применением различных эффектов, используемых в чувствительных элементах датчиков. Сравнительный анализ преимуществ и недостатков таких датчиков приведен в табл. 6.1.

Анализ преимуществ и недостатков показывает, что наибольшие преимущества имеют поверхностные емкостные МЕМБ-датчики, однако при проектировании ЭСАУ тип и технологическое исполнение датчика зависит от многих факторов, в первую очередь от чувствительности, линейности и стоимости.

Таблица 6.1. Сравнительный анализ преимуществ и недостатков различных технологий акселерометров

Тип датчика

Преимущества

Недостатки

Бесконтактные датчики магнитного поля

(эффект Холла, Виган-да, АМР, ГМР)

Детектирование статического ускорения. Интегрирован в микросхему обработки информации

Большой вес инерционной массы датчика.

Старение магнита датчика

П ьезоэл ектрические датчики

Высокие: линейность, динамический диапазон, разрешение.

Широкий частотный диапазон 1...20 кГц.

Малые размер и вес. Высокая прочность

Чувствительность к шумам, высокой влажности и загрязнениям.

Требуют калибровки. Невозможность детектировать статический сигнал

П ьезоэлектрические датчики фирмы Measurement

Specialties, Inc. (MSI)

Высокие: разрешение, линейность, чувствительность.

Простота и малые размеры чувствительного элемента. Устойчивость к влаге и загрязнению.

Малые размер и вес

Невозможность детектировать статических нагрузок. Чувствительность к электромагнитным помехам.

Сложность технологии изготовления

Пьезопленочные датчики фирмы MSI

Широкий динамический диапазон измерений. Высокие: чувствительность, разрешение, линейность.

Интегральное исполнение. Малые вес и габариты. Низкая стоимость

Невозможность детектировать статические нагрузки. Сложность технологии

производства. Температурная чувствительность

Объемные пьезорезистивные датчики

Высокие уровни детектируемых ускорений, включая статические.

Высокие: чувствительность, линейность, разрешение

Низкая частотная полоса в несколько кГц. Чувствительность к механическим воздействиям и к температуре.

Требуют схемы согласования, калибровки и подгонки.

Схема обработки не интегрирована с кристаллом датчика.

Высокая цена

Окончание табл. 6.1

Тип датчика

Преимущества

Недостатки

Объемные емкостные кремниевые датчики МЕМБ-акселерометры

Простота конструкции. Детектирование ускорений, в том числе статических ДО ±100?.

Высокие: разрешение, точность, стабильность.

Малый дрейф параметров. Схемы обработки сигналов интегрируются в одном корпусе с микросхемой обработки.

Низкая стоимость

Ограниченная частотная

полоса.

Нелинейность характеристики.

Большая площадь емкостного элемента. Ограниченное число осей восприятия детектируемого

сигнала

Поверхностные кремниевые емкостные

датчики МЕМБ-аксе-лерометры

Простота конструкции. Детектирование ускорений, в том числе статических.

Улучшение шумовой характеристики.

Малый дрейф параметров. Схемы обработки сигналов интегрируются в одном корпусе с микросхемой обработки.

Способность к самотестированию и программируемости.

Однокристальное исполнение.

Малое энергопотребление. Высокая надежность. Низкая стоимость

Ограниченная частотная полоса.

Требуется доработка в части снижения шумового порога, разрешения и точности

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >