2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВИБРАЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Поскольку функциональные (или измерительные) вибрационные преобразователи являются основными узлами вибрационных приборов, остановимся в первую очередь на более детальном их рассмотрении.

Важнейшие классификационные признаки, во многом определяющие не только внешние, но и внутренние характеристики ФВП, могут характеризовать входной сигнал ФВП; функциональное преобразование, выполняемое ФВП; выходной сигнал ФВП; колебательную систему ФВП.

Как входной, так и выходной снгналы ФВП (первая и третья группы признаков) могут быть охарактеризованы одними и теми же признаками, в числе которых в

первую очередь следует указать: а) число независимых составляющих (число измерений, топологическая размерность) сигнала; б) физический смысл и физическую размерность сигнала; в) вероятностные и динамические характеристики сигнала.

По числу измерений входные сигналы ФВП (а также и измерительных устройств и приборов) подразделяют на нульмерные, одномерные и многомерные. К приборам с нульмерным входом (т. е. к приборам, у которых входной сигнал отсутствует) относятся, в частности, такие важные устройства, как эталоны физических величин (генераторы стабильных частот и др.).

Большинство приборов, эксплуатируемых в настоящее время, имеет одномерные входные и выходные сигналы, однако с внедрением в практику контроля и измерений цифровой техники все большее применение будут находить, по-видимому, приборы с многомерными входными и выходными сигналами.

Выходные сигналы функциональных и измерительных преобразователей (приборов, устройств) могут быть либо одномерными, либо многомерными. В от ,ичие от приборов с нульмерными входными сигналами приборов с нульмерными выходными сигналами не бывает.

В качестве входных и выходных сигналов ФВП можно использовать разнообразные физические величины (и их совокупности):

1) механические — угловые и линейные перемещения, скорости и ускорения, силы и моменты сил, массы и массовые плотности, давления, упругие напряжения и деформации и т. д.;

2) электрические и магнитные — напряженности и индукции электрических и магнитных полей, разности потенциалов, силы токов, емкости, индуктивности, магнитные и диэлектрические проницаемости и т. д.;

3) термодинамические — температуры, теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности, производные различных физических величин по температуре и др.;

4) оптические — оптическая плотность, коэффициенты преломления, поглощения и отражения, оптическая поляризация и т. д.;

5) временные и частотные — частоты, периоды, временные интервалы и т. п.

ФВП, преобразующие электрические или магнитные величины в электрические, удобно называть ФВП электронного типа. Аналогичным образом ФВП, осуществляющие преобразование вида «механическая величина электрическая величина», — преобразователь механотронного типа (или вибрационный механотрон); вида «оптическая величина электрическая величина», — преобразователь оптронного типа (или вибрационный оптрон); вида «временной параметр - электрическая величина», — преобразователь хронотронного типа (или вибрационный хронотроп); вида «термодинамическая величина - электрическая величина», — преобразователь термотронного типа (или вибрационный термотрон).

Исчерпывающей вероятностной характеристикой сигнала является его закон распределения. Поскольку входной и выходной сигналы ФВП связаны определенным функциональным преобразованием, соответствующим преобразованием связаны также и законы их распределения. В тех случаях, когда точный закон распределения сигнала неизвестен, довольствуются конечным числом низших моментов этого распределения — средним значением сигнала, его дисперсией и другими, либо какими-либо другими эквивалентными величинами. Одной из существенных динамических характеристик сигнала является его частотный спектр.

Обращаясь к рассмотрению признаков второй группы (характеризующих выполняемое ФВП функциональное преобразование) отметим, что наиболее информативными из них являются: а) признаки, характеризующие физическое явление, лежащее в основе функционального преобразования, выполняемого ФВП; б) признаки, характеризующие математическую модель (или алгоритм) выполняемого ФВП преобразования.

В числе физических явлений, используемых для построения ФВП, в первую очередь должны быть названы:

упругость — свойство тел восстанавливать свою форму и объем (твердые тела), либо только объем (жидкие и газообразные тела) после прекращения действия сил, вызвавших их деформацию; в области упругих деформаций твердых тел справедлив во многих случаях закон Гука;

прямой пьезоэлектрический эффект — возникновение электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов-пьезоэлектриков (кварц, сегнетова соль и др.) при их механических деформациях;

обратный пьезоэлектрический эффект — деформация пьезоэлектрических кристаллов под действием внешнего электрического поля;

прямой пьезомагнитный эффект — возникновение в веществе-пьезомагнетике магнитного момента при его механической деформации;

обратный пьезомагнитный эффект — механическая деформация вещества-пьезомагнетика под действием внешнего магнитного поля;

фотоупругость — возникновение оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах при их механической деформации (под действием упругих механических напряжений).

С целью выявления признаков, характеризующих математическую модель (алгоритм) преобразования, осуществляемого ФВП, будем считать, что указанная модель всегда может быть адекватно представлена в канонической форме, имеющей вид

где входные сигналы размерность (число независимых составляющих) вектора наблюдений; — выходные сигналы размерность вектора измерений; число запоминаемых значений входного сигнала; запоминаемые значения входного сигнала

отсчитываемый от текущего момента в прошлое интервал времени, на котором распределены запоминаемые значения входного сигнала;

— число членов вида (2), удерживаемых в суммах (1); постоянные коэффициенты,

Записанная в таком виде математическая модель преобразования, выполняемого ФВП, характеризуется следующими существенными признаками: а) глубиной памяти, которая определяется, как наибольший из интервалов объемом памяти, который является функцией общего числа запоминаемых значений входных

сигналов, равного порядком модели, который определяется, как наибольшее из чисел

Модели первого порядка являются линейными, высших порядков — нелинейными. В моделях с нулевой глубиной памяти выходные сигналы зависят только от текущих значений входных сигналов.

Четвертая группа признаков (т. е. группа признаков, характеризующих колебательную систему в свою очередь подразделяется на следующие две подгруппы:

1) указывающие на особенности пространственного распределения упругих и массовых характеристик колебательных систем ФВП - системы с сосредоточенными параметрами (т. е. системы с одной, двумя и вообще с конечным числом степеней свободы) и системы с одно-, дву- или трехмерным распределением массовых и (или) упругих характеристик (т. е. системы с бесконечным числом степеней свободы);

2) характеризующие агрегатное состояние и структурные особенности упругих сред, образующих колебательную систему твердые среды (монокристаллические, поликристаллические, аморфные, композиционные — изотропные и анизотропные и др.), жидкие среды, газообразные среды, сложные многофазные и многокомпонентные среды (в том числе эмульсии, суспензии, дымы, туманы, гели и т. д.).

Преобразование, осуществляемое ФВП, в котором используется высокодобротная колебательная система, работающая в режиме, близком к резонансному, состоит в изменении собственных резонансных частот указанной колебательной системы в зависимости от изменения одного или нескольких ее параметров.

Из громадного числа созданных к настоящему времени ФВП первое место как по массовости и эффективности технических применений, так и по их разнообразию принадлежит, несомненно, объемным кварцевым резонаторам.

В простейшем случае кварцевый резонатор представляет собой конструктивно обособленную электромеханическую резонансную колебательную систему, активный (т. е. совершающий колебания) элемент которой изготовлен из монокристалла кварца [13]. Для построения систем самовозбуждения кварцевых резонаторов используют прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты, благодаря чему указанные системы получаются весьма простыми как в конструктивном, так и в схемном отношении.

На базе кварцевых резонаторов созданы такие приборы, как эталоны частоты, разнообразные электрические фильтры, частотные датчики различных физических величин (температуры, давления, плотности, сил и моментов и др.).

Другая группа ФВП, находящих широкое применение в современной информационной технике, — объемные резонаторы на базе пьезоэлектрической керамики (типа и др.). Для построения систем самовозбуждения здесь также используют прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Резонаторы этого типа применяют в различных частотных фильтрах и дискриминаторах, в звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуре, в качестве излучателей ультразвука и т. д.

Несколько меньшее распространение имеют ФВП в виде объемных резонаторов из магнитострикционных материалов (никель, ферриты марок СП и СК и др.). Такие ФВП называют иногда также магнитострикционными вибраторами. Для построения систем самовозбуждения таких ФВП используют прямой и обратный пьезомагнитный эффекты. Основные применения магнитострикционных резонаторов такие же, как пьезоэлектрических. ФВП указанных типов широко и всесторонне освещены в обширной технической литературе [1, 4, 6, 8, 11, 13, 14, 17—20].

Менее известны электромеханические ФВП с упругими колебательными системами в виде струн, мембран, пластин, оболочек. Струнные ФВП представляют собой конструктивно обособленные узлы или устройства, включающие механический резонатор с линейным одномерным распределением масс (т. е. струну) и встроенные элементы систем возбуждения и регистрации его колебаний — магниты, электроды и т. д. Как правило, струнные ФВП осуществляют преобразование силы натяжения струны в частоту одной из форм (обычно — низшей) ее собственных изгибных колебаний. На базе струнных ФВП созданы такие приборы, как датчики кажущихся ускорений (акселерометры), датчики давлений, датчики малых перемещений и др.

Из ФВП с механическими резонаторами, характеризующимися двумерным распределением масс (мембраны, пластины, оболочки), перспективными являются

преобразователи с резонаторами в виде тонкостенных цилиндрических оболочек. Так же как и другие ФВП, преобразователь с тонкостенным цилиндрическим резонатором выполняют обычно в виде конструктивно обособленного узла, включающего помимо самого резонатора элементы систем возбуждения и регистрации его колебаний. В известных зарубежных разработках (фирмы Solartron) в таких ФВП применяют электромагнитные системы как для возбуждения, так и для регистрации колебаний резонатора. В отечественных ФВП аналогичного типа в последнее время находит применение значительно более перспективное сочетание магнитоэлектрической системы возбуждения с емкостной системой регистрации.