6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ДАТЧИКОВ ИНЕРЦИОННОГО ДЕЙСТВИЯ

Прямолинейные и угловые датчики могут быть использованы для измерения перемещений, скоростей, ускорений, резкости. Как следует из материала предыдущих разделов, чаще используют датчики перемещений и скоростей, работающие в зарезонансном режиме, либо датчики ускорений, работающие в дорезонансном режиме В последнее время датчики ускорений применяют для измерения как ускорений, так и скоростей и перемещений, используя одно- и двукратное интегрирование сигнала датчика.

Датчики перемещения. Прямолинейные и угловые датчики перемещения, ботающие в зарезонансном режиме (см. разделы 3 и 4), имеют, как правило, направленные инерционные элементы и применяются для измерения низкочастотных сигналов. Свойства датчика описываются уравнением (62). При малом демпфировании сдвиг по фазе входных гармонических сигналов в датчике мал и форма сложною сигнала, спектр частот которого лежит в рабочем диапазоне частот датчика, практически не искажается (см. на рис. 11). Вследствие крутого хода амплитудно-частотной характеристики датчика гармонические составляющие в наибольшей степени изменяются по амплитуде. При введении в датчик существенного демпфирования плоскую часть амплитудно-частотной характеристики датчика можно значительно распространить в область низких частот (см. на рис. 10). При измерении только амплитуд гармонических составляющих сигнала это позволяет значительно расширить рабочий диапазон частот. Однако при всех значениях демпфирования, отличных от нуля фазовый

сдвиг датчика не пропорционален частоте (см. на рис. 12) в рабочем диапазон частот, поэтому сигнал сложной формы искажается. Только при оптимальном демпфировании в узком диапазоне частот вблизи час резонанса можно найти участок, где фазовый сдвиг еще можно считать пропорциональным частоте [6]

Верхний предел измеряемых перемещений определяется, как правило, условиями линейности датчика Размеры корпуса датчика должны позволять ему пере мещаться относительно почти неподвижного в пространстве инерционного элемента. Большинство датчиков этого вида имеет упоры, ограничивающие относительное перемещение и, следовательно, верхний предел измеряемых перемещений Нижний предел измеряемых перемещений определяется шумами или разрешающей способностью используемых механоэлектрических преобразователей.

Уравнение (62) описывает свойства идеализированною датчика, у которого рабочий диапазон частот сверху не ограничен. На практике верхняя граница рабо чего диапазона частот датчика ограничена вторичными резонансами в пружинах [17]

Датчики скорости. Прямолинейные и угловые датчики скорости, работающие в зарезонансном режиме, применяют в основном для измерения низкочастотной вибрации. Выходной сигнал датчика пропорционален относительной скорости инерционного элемента (см. разделы 3 и 4), что достигается применением чувствительных к скорости механоэлектрических преобразователей. Свойства датчика описываются уравнением (61) [сравните с уравнением (62)]. Датчик скорости работает в том же частотном диапазоне, что и датчик перемещения, имеет такие же частотные характеристики и ограничения по входным перемещениям к частотному диапазону

Датчики ускорения. Прямолинейные и угловые датчики ускорения, работающие в дорезонансном режиме (см разделы 3—5), применяют для измерения вибрации в широком диапазоне частот, начиная от нуля, если это позволяет используемый механоэлектрический преобразователь. Свойства датчика описываются уравнением (60). При малом демпфировании ( сдвиг по фазе измеряемых гармонических сигналов в датчике мал и форма сложного сигнала, спектр частот которого не превосходит верхней граничной частоты датчика (см. раздел 3), практически не искажается. Введя в датчик существенное демпфирование можно значительно расширить его рабочий диапазон частот (см. на рис. 10), в котором незначительны искажения формы сигнала. При (при относительном демпфировании и в более широком диапазоне частот, датчики ускорения имеют пропорциональный частоте фазовый сдвиг (см. на рис. 12). Поэтому входному сигналу вида соответствует выходной сигнал вида

Следовательно, при постоянной амплитудно-частотной характеристике датчик осуществляет только сдвиг сигнала во времени на величину а без искажения его формы При Как видно на рис. 12, при любых значениях относительного демпфирования, кроме фазовый сдвиг датчика в широком диапазоне частот не пропорционален частоте и, следовательно, форма сигнала искажается.

Рабочий диапазон частот датчика пропорционален собственной частоте а чувствительность датчика обратно пропорциональна поэтому при измерении вибрации малого уровня не следует брать датчики, имеющие запас по диапазону частот.

Датчики ускорения наиболее пригодны для измерения ударных процессов, поскольку позволяют измерять гармонические составляющие, начиная с низких частот. На рис. 22—24 представлены кривые отклика датчика ускорения на типовые импульсы [19]. Импульсы показаны штриховыми линиями. Кривые отклика датчика, показанные сплошными линиями, вычислены для четырех значений относительного демпфирования и трех значений отношения

где длительность импульса; собственный период датчика. Анализ кривых позволяет сделать следующие выводы.

1. Датчик тем точнее воспроизводит импульс, чем выше его собственная частота (чем меньше собственный период по сравнению с длительностью импульса).

Рис. 22. Кривые отклика датчика ускорения на полусииусоидальный импульс ускорения длительности х (штриховая линия) при различных значениях собственного периода датчика отношение измеренного ускорения к пиковому ускорению импульса)

2. При наличии демпфирования более точно воспроизводится форма импульса, так как уменьшается переходная реакция датчика на приложенный импульс, происходящая на частоте свободных колебаний.

Рис. 23. Кривые отклика датчика ускорения на треугольный импульс ускорения длительности х (пунктирная линия) при различных значениях собственного периода датчика

3. В зависимости от принятых критериев точности воспроизведения импульса Для каждой формы импульса можно найти оптимальное значение относительного Демпфирования.

Однако на практике демпфирование датчика может быть небольшим. Для датчика с малым демпфированием и высокой собавенной частотой можно применить

фильтр нижних частот, пропускающий гармонические составляющие с частотами спектра импульса, не устраняющий переходные колебания.

При измерении ударных ускорений необходимо достаточно хорошо передавать низкочастотные составляющие спектра импульса. Для датчиков и аппаратуры, не передающих сигналы нулевой частоты, частота среза низких частот результирующей амплитудно-частотной характеристики, на которой усиление падает на не должна превышать где длительность импульса [17].

Рис. 24. Кривые отклика датчика ускорения на прямоугольный импульс ускорения длительности (пунктирная линия) при различных значениях собственного периода датчика

Вопросы измерения колебаний различной формы более подробно рассмотрены в работе [6].

Устойчивость датчиков линейного ускорения существенно выше, чем датчиков линейного перемещения и линейной скорости при измерениях в условиях угловой вибрации.