Виброизмерительные преобразователи (стр. 2 из 3)

Разрешающая способность метода измерений характеризует его способность обеспечивать раздельное наблюдение и измерение параметров вибрации близко расположенный друг к другу элементов конструкций или изделий. При измерении линейной вибрации следует пользоваться разрешающей способностью в плоскости и разрешающей способностью по зазору, т.е. по расстоянию от источника (излучателя) колебательной энергии до вибрирующего элемента конструкции или изделия.

Разрешающей способностью в плоскости называется минимальное расстояние между элементами конструкции или изделия, расположенными в одной плоскости, при котором возможно раздельное измерение их параметров вибрации.

Разрешающей способностью по зазору называется минимальная разность зазоров между элементами конструкции или изделиями и вибропреобразователем или источником (излучателем) колебательной энергии, при котором возможно раздельное измерение их параметров вибрации. При измерении угловой вибрации следует пользоваться разрешающей способностью по зазорам и разрешающей способностью по угловым координатам.

Разрешающей способностью по угловым координатам называется минимальная разность угловых координат элементами конструкции или изделиями, находящимися на одинаковом расстоянии от вибропреобразователя или источника (излучателя) колебательной энергии, при котором возможно раздельное измерение их параметров угловой вибрации.

Критичность к качеству механической развязки вибратора и вибрирующего изделия с виброизмерительной системой (излучатель энергии и вибропреобразователь) связана с тем, что в основу бесконтактных методов положен кинематический метод преобразований.

4. Понятие пьезоэффекта и его основные параметры

В настоящее время наиболее широкое применение контактные пьезоэлектрические вибропреобразователи инерционного действия. Пьезоэлектрические вибропреобразователи основаны на использовании явлений прямого и обратного пьезоэффектов. При прямом пьезоэффекте под действием механических сил на некоторые вещества с кристаллической структурой возникает деформация элементарных ячеек кристалла, приводящая к смещению положительных и отрицательных ионов относительно друг друга, что вызывает электрическую поляризацию вещества. При обратном пьезоэффекте воздействие внешнего электрического поля вызывает относительное смещение положительных и отрицательных ионов, что приводит к деформации вещества. Пьезоэффект наиболее сильно выражен у кварца, сегнетовой соли, титаната бария, цирконата титана свинца (ЦТС), ряда других материалов.

Основными параметрами, характеризующими Пьезоэффект являются: напряженность электрического поля £, поляризация Р (или электрическая индукция D), упругое напряжение <3 и деформация С3. Упругое напряжение (СТ) определяется как сила, действующая на единицу площади. Деформация L, объема пьезоэлемента сопровождается некоторым его смещением Y, которое может быть представлено вектором с компонентами Yx, YY, Yz, направленными по осям симметрии кристалла. Поляризация Р изотропного диэлектрика, помещенного в электрическое поле 8, определяется следующей формулой:

где X – коэффициент поляризации. Величины Р и 8 являются векторами, Электрическая индукция:

где ЕО – электрическая постоянная;

Е – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Если пренебречь анизотропными свойствами диэлектрика и предположить однонаправленность электрического поля, то математическое выражение прямого пьезоэффекта имеет вид:

где d – пьезомодуль, характеризующий взаимозависимость между механическими и электрическими величинами;

– упругое напряжение; D – электрическая индукция. При этом обратный пьезоэффект описывается выражением:

где

– деформация;

– напряженность электрического поля. Численное значение пьезомодуля различно для различных кристаллических веществ. Из формул (3) и (4) следует, что

Индекс –

означает, что при прямом пьезоэффекте напряженное состояние кристалла создается в отсутствии внешнего электрического поля (т.е. к обкладкам кристалла не подводится внешнее напряжение).

Индекс

означает, что при обратном пьезоэффекте создается внешнее поле в отсутствии напряжений в кристалле (кристалл не задан).

5. Условия применения вибропреобразователей инерционного действия

1. Габаритные размеры и массы измерительных преобразователей должны быть достаточно малы, чтобы они не оказывали обратного действия на испытываемые изделия, а также чтобы обеспечивались измерения вибрации в «точке», а не на «площади». 1 Известно, что скорость распространения продольных колебаний в твердых телах составляет 5*103 м/с. При воздействии вибрации в механических элементах конструкции преобразователя возникают стоячие волны, длина которых оказывается соизмеримой с габаритными размерами указанных элементов, в результате чего форма частотной характеристики преобразователя искажается. Поэтому необходимо, чтобы максимальный габаритный размер преобразователя L был бы значительно меньше длины (К) распространяющейся волны, т.е.

При выполнении данного требования можно считать, что вибропреобразователь позволяет измерять параметры вибрации в определенной точке испытываемого изделия.

2. С целью уменьшения габаритов преобразователя необходимо изготавливать инерционный элемент из металлических сплавов с большой плотностью.

3. Создание восстанавливающей силы, обеспечивающей демпфирование инерционного элемента, достигается с помощью специальных пружин, обеспечивающих подвес инерционного элемента к корпусу преобразователя. ' При выборе материала пружины следует учитывать, что величина коэффициента упругости, изготовленной из него пружины, существенно влияет на собственную частоту механического резонанса преобразователя, а также, что он определяет статическую прочность упругого подвеса. Необходимо также, чтобы его допустимая деформация была достаточно большой. При этом пределы пропорциональности не должны нарушаться.

4. Как указывалось, наибольшее применение получили преобразователи направленного действия. Однако, при испытаниях, в некоторых случаях, на преобразователь может действовать произвольная вибрация и тогда возникает вопрос, действие какой из компонент измеряется преобразователем. Для уменьшения чувствительности преобразователи к неизмеряемым компонентам прибегают к различным конструктивным усовершенствованиям.

5. Анализ приведенных выше условий применения измерительных преобразователей позволяет сделать вывод о предпочтительном использовании акселерометров, а не велосиметров, т. к. они могут иметь меньшие габариты и более широкий частотный диапазон. Необходимость измерения параметров вибрации в диапазоне высоких частот обусловлена быстрым развитием скоростных видов транспорта и особенно авиации и космонавтики.

6. Причины неравномерности амплитудно-частотной характеристики пьезоэлектрических вибропреобразователей

Одним из основных параметров вибропреобразователей является действительный коэффициент преобразования (Кл), характеризующий чувствительность преобразователя к ускорению. Пользуясь приводимыми выше формулами можно вывести уравнение для определения Кд, дающее возможность проанализировать амплитудно-частотную характеристику пьезообразователя.

где: Свх – входная емкость вместе с приведенной емкостью кабеля, измеренные на входе измерительной схемы;

– частота колебаний; гвх. входное сопротивление измерительной схемы;

k=(k) d=o – коэффициент упругости пьезоэлемента при отсутствии заряда;

h – коэффициент демпфирования. В области низших частот можно пренебречь суммой С0 + Свх по сравнению с

и тогда:

Анализ приведенной формулы показывает, что амплитудно-частотная характеристика пьезопреобразователя имеет завал в области низких частот, который тем ближе к О.=0, чем сильнее неравенства:

Физически этот завал объясняется тем, что заряды на гранях пьезопреобразователя относительно быстро стекают через RBX, а также через изоляцию и по поверхности пьезокристалла. Поэтому с уменьшением частоты колебаний это стекание зарядов заметнее. Уменьшение завала частотной характеристики достигается за счет применения соответствующих пьезоматериалов, улучшения изоляции, укорочения кабеля, использования в измерительной схеме входных устройств с большим RBX, а также включение дополнительных конденсаторов, ёмкость которых позволяет сдвигать завал характеристики ближе к W=0. С целью уменьшения завала амплитудно-частотной характеристики преобразователя в области низших частот целесообразно увеличивать собственную ёмкость Со за счет увеличения толщины кристалла, что ведет к снижению чувствительности, но к возрастанию упругости К и изменению