4. ДАТЧИКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Силоизмерительные датчики. В отличие от испытаний на вибропрочность и виброустойчивость, при измерении частотных характеристик используют силовое, а не кинематическое возбуждение. Для измерения вынуждающей силы, приложен ной к объекту, применяют малогабаритные пьезоэлектрические датчики силы на основе пьезокерамики, реже — кварца. Они имеют гораздо большую чувствительность чем, например, тензорезисторные датчики при той же жесткости. Для них нужна та же усилительная и регистрирующая аппаратура, которой комплектуются пьезоэлектрические датчики ускорения. Диапазон рабочих частот (в среднем 5—5000 Гц) снизу ограничен параметрами согласующего усилителя, сверху — резонансными свойствами механических связей. Диапазон измеряемых усилий примерно Типичная конструкция датчика силы описана в работе [7] и показана на рис. 7, а.

В реальных условиях на датчик, размещенный между вибровозбудителем и объектом, как показано на рис. 2—3, действует не только динамическая, но и статическая сила, как правило, большей величины, зависящая от массы возбудителя или натяжения гибкой и шарнирной связей. Пластины датчика должны быть достаточно сильно сжаты деталями корпуса, чтобы ни при каких условиях не было размытния. Стягивающий элемент должен бьпь, во-первых достаточно прочным для обеспечения требуемого сжатия в зависимости от диапазона действующих усилий). Вместе с тем его жесткость не должна быть слишком большой, так как она шрает роль «силового шунта», уменьшая эффективную чувствительность датчика

где жесткости датчика и шунта; чувствительность датчика без шунта.

Изменение жесткостеи за счет контактных явлений (влияния шероховатости, смятия резьбы, силы прижатия) может быть причиной нестабильности эффективной чувствительности. Поэтому в датчиках для малых статических нагрузок, работающих без ударов и перекосов, следует использовать податливый шунт В остальных случаях допустимы жесткие шунты, если есть резерв чувствительности Практика показала, что при сильном натяге и отсутствии перегрузок величина практически постоянна с точностью Периодическую градуировку датчика проводят с помощью эталонной массы и датчика ее виброускорения а (по силе

На значение силы влияют главным образом масса подвижной системы между возбудителем и датчиком и масса крепежных деталей между датчиком и объектом (рнс. 7, б). Можно использовать элементарные соотношения:

где виброускорение объекта; сила, развиваемая вибровозбудителем; (здесь В — индукция в зазоре длина провода катушки; ток; сила, измеряемая датчиком; сила, приложенная к объекту).

Рис. 7. Силоизмерительный датчик: а — типовая схема 1 — приемный элемент и крышка корпуса, 2 — выход силоизмерительного датчика, 3 — пьезоэлемент 4 — переходник, схема расположения датчика между подвижной системой и объектом

Из уравнений (1) и (2) следует, что масса уменьшает отдачу возбудителя, но не влияет на точность измерений. Последняя зависит от инерционной силы массы

Поэтому эту массу стремятся сделать возможно меньшей применяя проч и легкие металлы, например бериллий. Уравнение (2) используют также для электронной компенсации, корректирующей сигнал датчика, если сопоставимы. Из уравнения (1) следует также, что при отдельный датчик силы не нужен, так как силу можно измерять по току в катушке и паспортной чувствительности возбудителя.

Недостатком пьезодатчиков силы является их чувствительность к перекосам и ударам, низкая стабильность чувствительности по сравнению с тензорезисторными датчиками, значительная поперечная чувствительность. Двух- и трехкомпонентные конструкции датчиков могут быть необходимы для измерения сил в опорах,

Импедансные головки служат для одновременного измерения вынуждающей силы и вибрации в точке возбуждения. Головка типичной конструкции (рис. 8) включает корпус, силоизмерительный датчик, пьезодатчик ускорения и переходник.

Для точного измерения обеих величин одновременно должны соблюдаться следующие условия:

1) малая величина массы между испытуемым объектом и силоизмерительным элементом, как в обычном датчике силы;

2) возможно меньшее расстояние между датчиком виброускорения и испытуемым объектом,

3) малая суммарная податливость участка между объектом и датчиком виброускорения (включая контактную податливость) по сравнению с динамической податливостью объекта;

4) хорошая защита чувствительного элемента датчика виброускорения от изгибных деформаций.

С точки зрения выполнения этих требований известные конструкции далеко не равноценны. Головка, показанная на рис. 9, плохо удовлетворяет условиям 2 и 3 и непригодна для исследования жестких и массивных объектов, так как показания датчика виброускорения в этом случае могут быть значительно завышены. Поэтому лучше применять головку, приведенную на рис. 8, у которой датчик ускорения находится непосредственно на переходнике. Однако она уступает предыдущей при измерении малых импедансов, так как имеет сравнительно массивный переходник (нарушение условия 1).

Рис. 8. Импедансная головка: 1 — приемный элемент корпуса; 2 — инерционная масса датчика виброускорения; 3 — пьезоэлемент датчика виброускорения; 4 — выход датчика виброускорения; 5 — выход датчика силы; 6 — переходник; 7 — пьезоэлемент датчика силы

Рис. 9. Импедансная головка с верхним расположением датчика ускорений: 1 — приемный элемент корпуса; 2 — инерционный элемент датчика ускорения; 3 — пьезоэлемент датчика ускорения; 4 — разъем датчика силы; 5 — уплотнение; 6 — переходник;

7 — пьезоэлемент датчика силы; 8 — разъем датчика ускорения

Рис. 10. Импедансная головка с упругим креплением датчика ускорения: 1 — приемный элемент корпуса; 2 — датчик силы; 3 — переходник; 4 — датчик вибро-ускореиия; упругий элемент [3]

Импедансная головка, показанная на рис. 10 [3], отвечает всем этим требованиям. Датчик ускорения (точнее, его корпус) целиком расположен внутри штыря, т. е. находится в точке возбуждения (условие 2). Он достаточно жестко (с помощью резьбы) соединен с объектом и точно измеряет его виброускорение. К переходнику корпус датчика крепится через упругий элемент — тонкостенный участок штыря. Он обеспечивает динамическую развязку датчика от переходника и в то же время имеет достаточную прочность.

Существенно улучшается качество измерений жестких и массивных объектов при креплении головки с применением мастики и свинцовых прокладок.

Диапазон измеряемых величин у головок, показанных на рис, 8 и 9, определяется следующими неравенствами [4]:

где угловая частота, масса, заключенная между силоизмерительным датчиком и объектом, относительная погрешность измерений; модуль измеряемого импеданса или обратной подвижности; с — жесткость участка между датчиком ускорения и объектом, чувствительность датчика ускорения, паразитная чувствительность датчика ускорения к силе,

вынуждающая сила, минимальный сигнал датчика ускорения, регистрируемый аппаратурой с заданной погрешностью, В.

Указанные границы диапазона изображены схематически на рис. 11 в логарифмическом масштабе при

Импедансная головка с упругим элементом (см. рис. 10) имеет более высокий верхнии предел измерения

- жесткость связи датчик—объект; жесткость связи переходник — жесткость упругого элемента.

Рис. 11. Пределы измерения импедансными головками при

Жесткости из неравенства (3) и с из неравенства (3) обычно примерно одинаковы. Поэтому можно считать, что верхний предел в неравенстве увеличивается приблизительно в раз по сравнению с обычной головкой. В реальных конструкциях выигрыш может составить несколько десятков.

Для широкого диапазона измерений следует применять головки различных типоразмеров. Они являются обязательной частью серийно выпускаемых измерителей импеданса.