4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ И АБСОЛЮТНОЙ ВИБРАЦИИ

Относительная и абсолютная вибрация. Вибрацию, параметры которой измеряют тносительно подвижной системы отсчета, называют относительной [33]. Так, вибрация колеблющихся деталей друг относительно друга является относительной. Вибрацию, параметры которой измеряют относительно системы отсчета, принимаемой той или иной степенью точности за инерциальную, называют абсолютной (см. рздел 4 гл. 1). Для большинства технических измерений за инерциальную систему отсчета можно принять систему отсчета, неподвижную относительно Земли. При практических измерениях в качестве такой системы отсчета иногда могут быть взяты

фундамент здания, фундамент машины, защищенные от вибрации массивные тела. Иногда, имея в виду вышеизложенное, говорят об измерении параметров вибрации в относительных и абсолютных координатах, хотя это не очень строго, так как речь может идти не только о перемещениях.

Собственная и назначенная системы отсчета. Собственная система отсчета (ССОН жестко связана с самим движущимся телом. Назначенная система отсчета (НСО) с самим движущимся телом не связана. В общем случае ССО являетсяподвижной и неинерциальнон. НСО может быть как подвижной, так и «неподвижной» инерциальной, т. е. в НСО можно измерять параметры как относительной, так и абсолютной вибрации. В последнем случае часто используют инерционно-упругую систему и За. резонансном режиме работы для имитации инерционным телом инерцизльнон системы отсчета (рис. 8). В ССО, как правило, измеряют параметры абсолютной вибрации с помощью приборов инерционного действия сейсмического типа. Многомерную абсолютную вибрацию тел можно измерять с помощью совокупности датчиков как в ССО, так и в НСО, однако в последнем случае перемещения объекта измерения должны быть малыми (см. также разделы 1, 9 и 10 гл. VII).

Недостатком устройств, измеряющих параметры абсолютной вибрации в НСО, является меньшая универсальность по сравнению с устройствами инерционного действия сейсмического типа, измеряющими параметры вибрации в ССО и устанавливаемыми на объект измерения. Действительно, первые устройства необходимо связывать не с одним, а с двумя объектами, причем оба узла крепления должны быть строго определенно ориентированы в пространстве. Однако не всегда удается заранее спроектировать измерительное устройство так, чтобы оно удовлетворяло этим требованиям для разных условий применения; по этой причине подобные устройства получили меньшее распространение.

Инерциальиые измерительные устройства. Измерительные устройства, работа которых основана на использовании законов инерции, называют инерциалышми. Разновидностью этих устройств являются устройства инерционного действия (ИД), кратко называемые инерционными, в основе работы которых лежит использование сил инерции-, эти устройства используют для измерения параметров абсолютной вибрации. Устройства ИД, в свою очередь, можно подразделить на устройства ИД с удерживающими и неудерживающими связями (см. том 1, гл II, раздел 1).

Устройства ИД с удерживающими связями представляют собой инерционно-упругие системы, движение которых происходит под действием сил инерции (подробнее см. гл VII). Вместо упругих могут использоваться квазиупругие восстанавливающие силы. Как известно, связи описывают с помощью равенств и неравенств относительно координат и скоростей точек системы. Условия удерживающих связей выражаются в виде равенств.

Рассматриваемые устройства ИД применяют для измерения параметров абсолютной вибрации в НСО и ССО. В первом случае используют зарезонансный режим работы инерционно-упругой системы (рис. 8), которая является только частью измерительного устройства и предназначена для задания «инерциальной» системы отсчета; остальная часть измерительного устройства имеет кинематический принцип действия и крепится к инерционному элементу, удерживаемому «неподвижным» в пространстве с помощью сил инерции. Средняя скорость основания измерительной системы относительно объекта измерения обычно равна нулю.

При измерении в ССО применяют как дорезонансный, так и зарезонансный режимы работы системы, а силы инерции используются непосредственно для измерения параметров вибрации. С их помощью измерение абсолютной вибрации исследуемого объекта сводится к измерению вынужденной относительной вибрации объекта и упруго связанного с ним инерционного элемента (рис. 9). Эти устройства имеют динамический принцип действия, поскольку в основе измерений лежит решение уравнений динамики измерительной механической системы [30]. В измерительных устройствах обоих видов силы инерции создаются с помощью инерционного элемента массы

где а — абсолютное ускорение объект, к которому прикреплена измерительная система. Уравнение связи задает расстояние от центра масс С инерционного элемента

и места крепления измерительной системы:

где расстояние, отвечающее состоянию покоя; относительное перемещение инерционного элемента; с — коэффициент жесткости упругого элемента.

В устройствах ИД динамического принципа действия в качестве инерционно элемента можно использовать твердые тела, жидкости, газы, элементарные частицы. При использовании в качестве инерционного элемента твердого тела в устройствах применяют дорезонансный (режим акселерометра) и зарезонансный (режим виброметра) режимы работы. В первом режиме деформация пружины пропорциональна силе инерции, которая в свою очередь пропорциональна абсолютному ускорению объекта; во втором режиме деформация пружины равна абсолютному перемещению объекта измерения.

Рис. 8. Схема измерения параметров абсолютной вибрации в назначенной инерциальной системе отсчета: 1 - основание измерительной системы; 2 — пружина; 3 — инерционный элемент, имитирующий в зарезонансном режиме работы измерительной системы инерциальную систему отсчета; 4 — объект измерения; 5 — датчик; С — центр масс инерционного элемента

Рис. 9. Схема измерения параметров абсолютной внбрацни в собственной системе отсчета: 1 — объект измерения; 2 — пружина; 3 — инерционный элемент (С — центр масс инерционного элемента)

Рис. 10. Датчик инерционного действия с жидкостным наполнением: 1 — корпус датчика; 2 — упругий элемент; 3 — твердый инерционный элемент; 4 — жидкость

Существует еще один способ построения устройств ИД с твердым инерционным элементом [11]. На рис. 10 изображена схема сейсмической системы, отличающейся от общепринятой тем, что инерционный элемент 3 имеет малую среднюю плотность масса тела 3; его объем), а внутренний объем датчика заполнен жидкостью, имеющей высокую плотность: Принцип действия устройства нагляднее можно показать при его работе в дорезонансной области частот. При движении датчика с ускорением а жидкость воздействует на тело 3 с силой что следует из закона Архимеда. Эта сила в раз больше той силы инерции которая сжимала бы пружину сейсмической системы в отсутствие жидкости. Таким образом, при малой величине удается получить высокую чувствиьельность, что иногда может дать значительный положительный эффект, например, в тех случаях, когда желательно добиться высокой чувствительности при общей небольшой массе датчика. В послерезонансной области частот (режим виброметра) также происходит увеличение чувствительности из-за воздействия большой ускоряющей силы ржа на малую массу [10].

Рассмотренный вариант сейсмической системы можег быть использован для измерения виброперемещений, превышающих предельное перемещение инерциального элемента относительно корпуса датчика. Датчик линейного виброперемещения должен иметь уменьшенную чувствительность, поэтому плотность жидкости выбирают близкой к плотности твердого инерционного элемента:

При этом уменьшается чувствительность в 6 раз за счет уменьшения деформации упругого элемента [10].

В ряде устройств ИД используется вращение инерционного элемента для осуществления принципа действия (например, круговой маятник) или увеличена, инерционности.

При измерении ускорений можно использовать инерционные свойства жидкостей. Полезным эффектом может быть возникновение давления в жидкости, находящейся в замкнутом сосуде. Так, если сообщить ускоренное движение некоторому жесткому сосуду, наполненному несжимаемой жидкостью (см. рис. 10), то на расстоянии от передней по направлению движения стенки возникает давление Как видно из этого простого соотношения, измеряя дав ление в сосуде, можно однозначно судить ускорении его движения.

Рис. 11. Максимальный акселерометр с прижатым инерционным элементом: 1 — корпус акселерометра; 2 — инерционный элемент: 3 — пружина

Рис. 12. Крешерный акселерометр: ! — корпус акселерометра: 2 — инерционный элемент; 3 — пластично деформируемый элемент

Давление можно измерить, используя изменения физико-химических свойств жидкости, происходящие в ней под влияиеч давления, либо перемещения жидкости в результате давления. Конструктивные пути осуществления этого способа могут быть различными.

По аналогии с жидкостью в качестве источника сил инерции можно использовать газообразную среду Информацией об ускорении может быть пространственный градиент давления газа внутри закрытого со суда при ускоренном движении последнего. Однако ввиду малости градиента дав ления при ускорениях, представляющих практический интерес, этот путь неприго ден для виброметрии. Можно также использовать инерционные свойства электронов протонов и других элементарных частиц. В качестве примера укажем на исполь зование инерционности электронов, например, в акселерометре со сверхпроводящим резонансным контуром [11].

Устройства ИД с неудерживающимн связями. Измерительные устройства этого вида представляют собой систему, содержащую два соприкасающихся твердых тела — инерционный элемент и корпус измерительного устройства (рис. 11 и 12) Связь этих тел является неудерживающй, она описывается неравенством т. е. контакт тел нарушается, если расстояние от центра масс С инерционного элемента до основания корпуса измерительного устройства превысит величину Сила инерции используется для измерения максимальных мгновенных значений линейного ускорения. Устройства этого вида обычно называют максимальными акселерометрами. В одних максимальных акселерометрах используют нарушение безотрывного следования инерционного элемента за корпусом, связанным с объектов измерения (см. рис. 11). Сила в состоянии прижать инерционный элемент, если измеряемое ускорение меньше значения масса инерционного элемента). При большем ускорении между инерционным элементом и корпусом датчика возникает зазор, появление которого и регистрируют. Значение можно изменять, если имеется возможность изменять силу например, с помощью прижимной пружины с переменным натягом или электромагнитных устройств.

Возможен и другой путь построения максимального акселерометра. На рис. инерционный элемент 2 в виде бойка соприкасается с пластично деформируемой

деталью 3. при действии ускорения в показанном на рис. 12 направлении на детали остается вмятина, площадь которой пропорциональна максимальному значению ускорения Это так называемый крешерньш акселерометр разового дейсшия.