4. ДАТЧИКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ВИБРАЦИИ

Датчики линейного виброускорения (акселерометры). Датчики, сигнал которых пропорционален виброускорению, являются основным средством измерения характеристик вибрации и составляют одну из самых многочисленных групп датчиков вообще. Их широкая распространенность объясняется тем, что именно акселерометрам удается придать наиболее высокие эксплуатационные качества, а знание виброускорений позволяет сравнительно просто определить другие кинематические и некоторые динамические величины [14, 46].

Датчики кинематических величин могут быть датчиками характеристик относительного или абсолютного движения В первом случае измерение ведется относительно системы отсчета, связанной с материальным объектом, на движение которого не накладывается никаких ограничений. Однако датчики относительного виброускорения, как правило, не конструируют ввиду отсутствия МЭП, воспринимающих ускорение. Поэтому все акселерометры, не использующие дополнительного дифференцирования, измеряют абсолютное ускорение (ускорение в инерциальной системе отсчета) и являются приборами инерционного действия, имеющими чувствительный элемент в виде упруго закрепленной массы.

Выходной величиной МП может быть почти любая кинематическая или силовая величина, однако на практике ею является напряжение, деформация или перемещение. Несмотря на разнообразие МЭП, воспринимающих эти величины, серийно выпускают больше пьезоэлектрических, меньше — тензорезистивных и еще меньше — емкостных и индуктивных акселерометров.

Сферы применения этих датчиков различны: индуктивные акселерометры являются низкочастотными, тензорезистивные и емкостные используют в более широкой области низких и средних частот, причем все они работают от нулевой частоты. Известны тензорезистивные акселерометры с более широким рабочим диапазоном частот, но при измерении виброускорений, близких к стационарным, они не обладают какими-либо преимуществами перед пьезоэлектрическими, применяемыми практически монопольно в области средних и высоких частот Преимуществом пьезоэлектрического МЭП является и то, что в большинстве случаев он одновременно выполняет функции механического преобразователя. В последнее время ведутся разработки пьезооптических акселерометров [5], по ряду качеств близких к пьезоэлектрическим и удобных для проведения измерений в специальных условиях на низких и средних частотах.

Акселерометр с большим рабочим диапазоном частот имеет и больший диапазон измерений. Это очень удобно, так как на многих технических объектах виброскорость в незначительной степени зависит от частоты и, следовательно, виброускорение увеличивается с ростом частоты.

Подавляющее большинство акселерометров предназначено для измерения одного компонента вектора ускорения, однако применяемые МЭП позволяют конструировать малогабаритные двух- и трехкомпонентные датчики.

Акселерометры целесообразно систематизировать по эксплуатационным особенностям. К первой эксплуатационной группе относят акселерометры для лабораторных, цеховых и натурных измерений, непосредственно проводимых человеком в сравнительно легких условиях, в которых погрешность измерения определяется главным образом основной погрешностью акселерометра. Вторая группа включает приборы для цеховых и натурных измерений в более жестких условиях, исключающих обслуживание на месте. Для них определяющими являются частные (дополнительные) погрешности, вклад которых превосходит основную погрешность. К третьей группе принадлежат акселерометры, предназначенные для эксплуатации в крайне жестких натурных условиях, когда без применения специальных мер неизбежно или разрушение прибора, или возрастание погрешности до и более. К этой группе относят и специальные акселерометры, например сверхминиатюрные.

Акселерометры первой группы конструктивно сравнительно просты (рис. 8). Пьезоэлектрический МЭП в них обычно работает на растяжение-сжатие, а тензорезистивный — на изгиб. Наряду с керамическими пьезоэлементами используют и монокристаллические, преимущественно в образцовых датчиках.

Рис. 8. Простейший пьезоэлектрический акселерометр: 1 — пьезоэлементы, 2 — чувствительный элемент; 3 — пружинная поджимная гайка; 4 — корпус

Рис. 9. Акселерометр с полупроводниковыми теизоргзисторами: 1 — инерционный (чувствительный) элемент, 2 — тензорезисторы, 3 — основание корпуса;

4 — кабель

В электрической схеме обычно используют простейший несимметричный выход (см. рис. 3, а). Съемный кабель, выведенный вверх или вбок, облегчает установку на объекте и демонтаж. По этой причине применяется резьбовое, магнитное или мастичное крепление к объекту. Большое внимание уделено повышению основной чувствительности и снижению поперечной. Низкочастотные акселерометры часто снабжают демпферами, иногда применяют встроенные усилители сигнала. Акселерометры этой группы ориентированы на измерение вибрационных ускорений низкой и средней интенсивности Их широко используют при градуировке других приборов методом сличения.

При разработке акселерометров второй группы приняты меры по улучшению и стабилизации характеристик и облегчению длительной эксплуатации. В среднем их габариты меньше. Пьезоэлектрические датчики часто содержат МЭП, работающий на сдвиг. Благодаря особой форме основания и корпуса ослаблена чувствительность к деформациям основания. Широко применяют неразъемный кабель, выводимый как вверх, так и вбок, повышена герметичность конструкции В ряде датчиков используют симметричный электрический выход для повышения помехоустойчивости (см. раздел 1), клеевое или резьбовое с клеевой фиксацией крепление к объекту. Чувствительность акселерометров этой группы может быть ниже, чем предыдущей, так как важнее ее относительная стабильность. Более широко применяют многокомпонентные датчики и встроенные усилители. Демпферы, как правило, отсутствуют. По аиапазоиам измерения акселерометры этой группы близки к предыдущей; рабочий Диапазон частот может быть несколько шире

На рис. 9 даиа схема нечувствительного к деформациям корпуса тензорезистивного акселерометра. На рис. 10 показана схема нечувствительного к деформациям

корпуса пьезоэлектрического акселерометра с симметричным выходом. Для увеличения чувствительности к ускорению вместо изоляторов применены пьезоэлементы, а для увеличения помехоустойчивости использована емкостная симметрия пьезоэлементов. Эквивалентная электрическая схема пьезоэлектрического преобразователя показана на рис. 10, б. Датчик предназначен для работы с дифференциальным согласующим устройством с включением по схеме, приведенной на рис. 4, в.

Акселерометры третьей группы (рис. 11 и 12), обладающие еще более высокой защищенностью от внешних воздействий, в значительной степени специализированы. Например, для измерений при высоких температурах или больших уровнях радиации используют стабилизированные материалы и жесткие кабели, а иногда и принудительное охлаждение. В акселерометрах, устойчивых к интенсивным электромагнитным воздействиям, МЭП изолирован от корпуса, имеет симметричный выход, в некоторых случаях используется специальный кабель с двойной экранировкой.

Рис. 10. (см. скан) Пьезоэлектрический акселерометр с симметричным выходом (а) и эквивалентная электрическая схема его пьезоэлектрического преобразователя основание; 2 — корпус; 3 — пьезоэлементы; 4 — инерционный (чувствительный) элемент; 5 — пружина; 6 — ганка; 7 — крышка; 8 — герметизация заряды, генерируемые пьезоэлементами; емкости пьезоэлементов; электрические напряжения на пьезоэлементах без внешней нагрузки);

Стойкие к нестационарным механическим и тепловым воздействиям акселерометры конструируют дифференциальными. Указанные конструктивные особенности вне специальных условий применения не дают каких-то преимуществ или даже затрудняют измерения. Для акселерометров этой группы характерна высокая вибропрочность во всех направлениях, что заставляет использовать неразъемный кабель, выведенный вбок почти на уровне посадочной плоскости, реже — специальный вибростойкий разъем в основании. По типу МП и и способу крепления к объекту они имеют сходство с акселерометрами второй группы. Диапазоны измерения и рабочие диапазоны частот наиболее широки. К специальным относят миниатюрные акселерометры [48], особенно пьезорезистивные на основе интегральной технологии [47], имеющие массу размер рабочий диапазон частот в несколько сотен герц, верхний предел измеряемых ускорений

Современные акселерометры могут измерять виброускорения от до в диапазоне частот от 0,5 Гц до Однако наиболее широко применяют акселерометры, рассчитанные на измерение ускорений до с частотами до

Основная погрешность 2—10%. Рабочие температуры от —250 до Масса некоторых акселерометров составляет десятые и сотые доли грамма.

При эксплуатации акселерометров необходимо соблюдать ряд предосторожностей во избежание увеличения погрешности или получения неверных результатов [10, 30]. Резьбовое крепление высокочастотных акселерометров следует уплотнять и по возможности фиксировать клеем. Кабель следует закреплять, особенно в непосредственной близости от акселерометра, что легче осуществить при боковом выводе кабеля. При высокочастотных измерениях целесообразно использовать акселерометры с известной собственной частотой колебаний перпендикулярно измерительной оси, поскольку она обычно ниже паспортной собственной частоты, а высокочастотные виброускорения имеют почти сплошной спектр и произвольные направления, так что возможно возникновение поперечного резонанса. Чувствительность не следует выбирать чрезмерно высокой, так как это может привести к повышению нелинейных искажений. После датчика рекомендуется включать фильтр, максимально ограничивающий с обеих сторон рабочий диапазон частот.

Рис. 11. Низкочастотный дифференциальный акселерометр: 1 — составной инерционный элемент; 3 — пьезоэлементы; 3 — поджимные пружины; 4 — основание

Рис. 12. Высокотемпературный пьезоакселерометр: 1 — основание; 2 — пьезоэлемент, работающий на сдвиг; 3 — инерционный элемент; 4 — жесткий кабель с неорганической изоляцией

Следует обратить внимание на одно специфическое явление. Иногда акселерометр совместно с измерительным каналом предназначают для измерения внброускорений в области низких частот, но спектр действующих ускорений значительно шире и включает составляющие с частотой, близкой к собственной частоте акселерометра. В этом случае диапазон измерения выбирают исходя из ожидаемых значений ускорения на нижних частотах. В то же время сигнал МП на верхних частотах оказывается значительно большим из-за общего роста виброускорений с частотой и резонансных явлений. Если этот сигнал превысит уровень, максимально допустимый Для МЭП или какого-либо последующего звена измерительного канала, полезный сигнал может быть существенно искажен. Особенно опасно это явление для акселерометров с параметрическим МЭП, чувствительным к перемещению, в частности индуктивным. Поэтому для подобных измерений рекомендуется использовать датчики с генераторным МЭП, которые можно надежно защитить фильтром нижних частот, включенным между МЭП и остальной частью измерительного канала.

Датчики для измерения нестационарных ускорений импульсного характера не Имеют каких-либо отличий от датчиков виброускорений. Диапазон измерения у них больше, так как ускорения при ударе достигают причем часто больший уровень ускорений соответствует меньшей длительности, и наоборот. Выбор параметров датчиков для измерения ударных ускорений достаточно полно рассмотрен в работах [30, 48]. Отметим особый вид нелинейных искажений сигнала, свойственный главным образом акселерометрам с пьезокерамическим МЭП - сдвиг нулевого уровня После удара [48]. Во избежание его следует применять акселерометры без

большого запаса по чувствительности. Если ее необходимо снизить, то можно шунтировать датчик параллельной RC-цепочкой, подобранной так, чтобы постоянная времени датчика не изменялась. Тензорезистивные акселерометры jn этого вида искажения почти свободны Особой разновидностью датчиков для измерения ударных ускорений являются пиковые акселерометры, измеряющие только пиковое (наибольшее) значение ускорения. Они представляют собой механические приборы однократного действия [30].

Виброускорения измерять можно путем электрического дифференцирования сигнала датчика скорости. Этот метод используют редко и только в низкочастотной области, так как датчики скорости уступают акселерометрам по ряду метрологических характеристик, по прочности и устойчивости к эксплуатационным воздействиям (см. следующий раздел и гл. VII).

В датчиках линейной виброскорости можно использовать МЭП, чувствительные к относительной скорости, без предварительного механического преобразователя.

В бесконтактных устройствах для измерения относительной скорости применяют допплеровский [32], гамма-резонансный [7, 20] и электродинамический преобразователи. Первый из них обычно используют в лазерном исполнении Это объясняется высоким уровнем развития лазерной техники, хорошей точностью и возможностью производить измерения на значительном расстоянии от объекта. Гамма-резонансиый МЭП уступает ему ввиду большей сложности в эксплуатации. Оба преобразователя более присповоблены для измерения установившегося уровня виброскорости. Электродинамический МЭП используют чаще остальных. Он прост и удобен в эксплуатации Если перемещение объекта во время измерения не превос ходит нескольких миллиметров, то конструкция датчика практически повторяет схему, показанную на рис. 8, гл. VIII. Для измерения скорости больших перемещений применяют датчик с подвижным магнитом. Диапазон измерения виброскорости с помощью всех упомянутых преобразователей сверху практически не ограничен

Вместе с тем относительную скорость часто измеряют путем дифференцирования сигнала датчика перемещения. Этот метод рекомендуется применять в тех случаях, когда измерение перемещения должно проводиться как основное. Промышленный выпуск датчиков относительной скорости крайне мал.

Датчики абсолютной скорости инерционного действия по механической схеме близки к акселерометрам и отличаются тем, что МП должен преобразовать силу инерции в кинематическую величину — скорость, перемещение или деформацию (так как упругая сила не может быть мерой скорости, см. гл. VII). В одном из возможных режимов работы выходной сигнал МП (перемещение или деформация) пропорционален виброскорости объекта, что возможно в некотором диапазоне частот по обе стороны от собственной частоты механической системы. Ширина диапазона практически пропорциональна относительному демпфированию в датчике. Такой квазирезонансный режим пока можно получить только в низкочастотной области и в ограниченном интервале температур [42]. Квазирезонансный режим возможно создать не на механической, а на электрической стороне датчика с помощью схем коррекции сигнала. Оба варианта датчика близки по параметрам Собственная частота (которая в данном случае характеризуется не максимумом АЧХ, а переходом ФЧХ через значение 90°) 20—30 Гц. Меньшая собственная частота дает выигрыш в чувствительности, yо приводит к зависимости характеристик датчика от положения в поле земного тяготения из-за статического прогиба. Подвижную систему подвешивают на плоских пружинах, обеспечивающих ее одномерное перемещение. Верхняя граница рабочего диапазона достигает нескольких сот герц. Она ограничивается не только возможностями демпфирования, но и наличием высших собственных частот механической системы, ярко выраженных для этого типа подвеса.

При эксплуатации датчиков виброскорости следует иметь в виду их сравнительно малую устойчивость к поперечной и угловой вибрации, которые могут вызывать искажения сигнала всех видов (линейные и нелинейные).

Во втором режиме механическая система датчика воспроизводит виброперемещение объекта, а сигнал МЭП или датчика пропорционален скорости этого перемещения, что возможно на частотах выше собственной частоты механической системы. Фактически это датчики перемещения с внутренним электрическим

дифференцированием. Такое выполнение позволяет расширить рабочий диапазон частот до Гц В этих датчиках часто используют электродинамический МЭП с радиальным в рабочем зазоре (рис. 13) Магнитная система из современных сплавов имеет сравнительно малые размеры (порядка нескольких сантиметров) и может эксплуатироваться при повышенных температурах Подвес выполняют на плоских разрезных или профилированных пружинах Все замечания об устойчивости к вибрации не в направлении измерительной оси и к поворотам в поле силы тяжести относятся к атим датчикам даже в большей степени, чем к акселерометрам На работу датчиков влияют постоянное и переменное магнитные поля Масса их сравнительно велика (более 50 ), диапазон измерения не более погрешность 2—8

Сравнение метрологических и эксплуатационных свойств датчиков виброскорости и акселерометров показывает, что у акселерометров они выше почти по всем показателям Применение датчиков скорости дает единственное преимущество — большой выходной сигнал Но это преимущество не является решающим, поэтому для измерения абсолютной виброскорости наиболее часто используют акселерометры с последующим интегрированием сигнала. Такой метод позволяет сократить количество и разновидности датчиков, применяемых при измерениях По этим причинам промышленный выпуск датчиков абсолютной скорости относительно невелик.

Рис. 13. Электродинамический датчик абсолютной виброскорости. 1 — магнит, 2 — магиитопровод, 3 — разрезные пружины, 4 — катушка в качестве инерционного элемента

Рис. 14. Вихретоковый датчик относительного перемещения 1 — рабочая катушка, 2 — катушка температурной компенсации, корпус, 4 — изоляционная втулка

Датчики лииейного виброперемещения. Механическая схема датчика перемещения практически повторяет схему Датчика скорости Выбор возможных типов МЭП наиболее широк, так как большая часть преобразователей, рассмотренных в гл VIII, чувствительна именно к перемещению или функционально связанной с ним деформации

В датчиках малых и сверхмалых относительных перемещений (от единиц микрометров и менее) эффективно используют емкостные преобразователи с переменным зазором и частотным выходом. Конструкции таких датчиков несложны, однако выполнены из материалов с повышенной стабильностью свойств Рабочий диапазон частот практически не ограничен (правда, чем он уже, тем меньше нижний предел измеряемых перемещений) В лабораторных условиях емкостным датчиком регистрируют периодические высокочастотные виброперемещения до [8] Близок к этому значению порог чувствительности фазовых интерференционных измерительных устройств, работающих в рентгеновской области, однако их диапазон измерения узок Аналогичные по принципу работы устройства оптического диапазона с лазерным излучателем могут измерять перемещения до Их преимуществом является практическое отсутствие силового воздействия на объект измерения Рабочий диапазон частот не ограничен, но для измерения перемещений с частотами ниже нескольких герц необходима тщательная виброизоляция излучающего и приемного узлов преобразователя.

Датчики относительных перемещений от единиц до тысяч микрометров являются, по-видимому, самыми распространенными приборами этого назначения В них применяют практически все параметрические преобразователи перемещения, рассмотренные в гл. VIII. Предпочтение следует отдать тем из них, которые меньше нагружают объект измерения и имеют широкий рабочий диапазон частот емкостному при прецизионных и вихретоковому при обычных технических измерениях [23]. На рис. 14 показана схема вихретокового датчика

Для измерения перемещений от нескольких миллиметров и выше используют датчики с индуктлвными и емкостными преобразователями. Их рабочий диапазон частот определяется механическим импедансом подвижного узла и не превышает нескольких сот герц, что не является недостатком, так как большие виброперемещения возможны только на малых частотах. Параметры датчиков этого диапазона могут быть высокими. Известны приборы для измерения перемещений до с основной погрешностью Применяют также интерференционные измерительные устройства со счетом полос, причем как оптические, так и ультразвуковые варианты [19]. Лазерный преобразователь наиболее универсален по диапазону измерения. Ограничения верхнего предела измеряемых перемещений накладываются только электрическими параметрами вторичной аппаратуры — объемом памяти и допустимой скоростью счета полос.

Датчики абсолютного виброперемещения инерционного действия имеют такую же механическую схему, как и датчики виброскорости, только относительное демпфирование в них меньше. Так как перемещение подвижной системы повторяет перемещение объекта на частотах, больших собственной частоты датчика, последнюю выбирают возможно более низкой, чтобы расширить рабочий диапазон частот. Вследствие этого габариты и масса датчика оказываются значительными, а прочность малой Датчики виброперемещения чувствительны к медленным прямолинейным ускорениям, а выполненные по маятниковой схеме — и к паразитным угловым вибрациям. Хотя в них могут применяться почти все виды МЭП, чувствительные к перемещению или деформации (индуктивный, тензорезистивный и др.), часто используют электродинамический МЭП [2], так что датчик фактически является датчиком виброскорости во втором режиме. Интегрирование производят электрически вне датчика, причем иногда интегратором является регистрирующий гальванометр. Инерционные датчики виброперемещения всех типов имеют диапазон измерения основная погрешность рабочий диапазон частот — от 30—50 до 2000—5000 Гц.

Для измерения виброперемещений можно применять акселерометры с двухкратными интеграторами сигнала Хотя при этом увеличивается уровень шумов и соответственно сужается диапазон измерения, эксплуатационные преимущества обусловили широкое распространение этого способа измерений.