Преобразуватели на вибрации, лабораторни упражнения
Министерство на образованието и науката на Украйна
Национален технически университет в Запорожие
Отдел по КПР
върху лабораторна работа №1
"Методи и начини за изучаване на ES"
1.Класификация на вибрационни преобразуватели
Източникът на измервателния информационен сигнал за стойностите на измерените вибрационни параметри е вибрационен преобразувател (вибрационен преобразувател). Съвременните вибрационни преобразуватели са изградени главно на принципите на електрически измервания на неелектрически величини (сигнали), когато механичните вибрации се преобразуват в електрически. Преобразувателите на вибрации се класифицират според редица независими характеристики:
* по стойност - преобразувателите могат да бъдат проектирани за измерване на различни параметри на вибрациите. В зависимост от измервания параметър на вибрациите, вибрационните преобразуватели могат да бъдат наречени: акселерометри - за измерване на ускорение и велоциметри - за измерване на скорост.
* според връзката (взаимодействието) на възприемащата (чувствителната) част с обекта на измерване се разграничават контактни и безконтактни преобразуватели. Използването на контактни или безконтактни преобразуватели зависи от размера и теглото на вибриращите продукти. Ако размерите и масите на продуктите са сравними или по-малки от размерите и масите на контактните преобразуватели, тогава е необходимо да се използват безконтактни измервателни преобразуватели.
* според принципа на измерване спрямо референтната система, измервателните преобразуватели могат да се основават на: определяне на координатите на отделни точки на продукта спрямо неподвижната референтна система, от която се извършват наблюдения - кинематичен принцип: върху създаване на изкуствена фиксирана референтна система под формата на инерционнаелемент, свързан с вибриращ продукт чрез еластично окачване (мека пружина) - динамичен принцип. При прилагане на динамичния принцип на измерване параметрите на вибрациите на продукта, произведени в условията на постоянен процес, спрямо инерционния елемент ще бъдат абсолютни. Преобразувателите, изградени по динамичен принцип, често се наричат инерционни.
* според принципа на преобразуване на механичните вибрации в други видове вибрации се разграничават активни и пасивни измервателни преобразуватели. В активните преобразуватели изходният сигнал се получава чрез входна механична енергия и постоянен източник на енергия. Активните преобразуватели включват фотоелектрични, гама-квантови, капацитивни и др. При пасивните измервателни преобразуватели изходният сигнал се получава само благодарение на входната механична енергия. Пасивните преобразуватели включват: пиезоелектрически, електретни и др.
* Според вида на измерваните вибрационни компоненти, преобразувателите се различават за измерване на линейни вибрационни компоненти (еднокомпонентни, двукомпонентни, трикомпонентни), както и за измерване на ъглови компоненти.
* в посоката на прилагане на сила при механични въздействия се разграничават измервателни преобразуватели с насочено и ненасочено действие. В ненасочените инерционни преобразуватели еластичното окачване осигурява запазването на позицията и ориентацията в абсолютното пространство. Следователно те могат да произведат всичките шест вибрационни компонента. Насочените преобразуватели измерват само един компонент на линейна или ъглова вибрация.
* според физическото явление, докладвано като основа на метода за измерване на параметрите на механичните вибрации, измервателните преобразуватели могат да бъдат комбинирани вследните основни групи: механични, акустични (ултразвукови), електрически, електромагнитни (радиотехника), оптични (светлинни) и радиационни.
2.Основни параметри на вибрационните преобразуватели
Основните параметри, които характеризират вибрационните преобразуватели (виброметри) и позволяват тяхното сравнение и избор на най-подходящите за измерване са следните:
* измерен параметър на линейни вибрации: изместване (5), скорост (V), ускорение (a), острота (g), честота (G), коефициент на нелинейно изкривяване (p) и др.
* диапазонът от стойности на измерения параметър на вибрациите, за които се нормализират допустимите грешки. Когато се разглежда вибрационен преобразувател заедно с виброметър, минималната стойност на измерения параметър се определя от напрежението на шума на съвпадащия усилвател
действителният коефициент на преобразуване на вибрационния преобразувател е съотношението на промяната в сигнала на изхода на вибрационния преобразувател към промяната на вибрационния параметър на входа, който го причинява:
където: AE - промяна в стойността на сигнала на изхода;
AV е промяната в измерения параметър на вибрациите.
С линейна зависимост между E и V:
* Минималната промяна в измерения параметър на вибрациите, която причинява съответната промяна в показанията на вибромера, се нарича праг на чувствителност.
* работният честотен диапазон на хармоничните вибрации се определя от честотния диапазон, в който неравномерността на амплитудно-честотната характеристика по отношение на базовата честота от 1000 Hz не надвишава зададената стойност.
* основната грешка на вибрационния преобразувател (виброметър) се определя от:
а) при постоянна стойност на измерения параметър на вибрациите в рамките на измерването на работния честотен диапазон (неравномерностамплитудно-честотна характеристика);
б) при различни стойности на измерения параметър при постоянна честота в установения диапазон на измерване (нелинейност на амплитудната характеристика).
* коефициент на напречна трансформация на вибрационния преобразувател е отношението на промяната на сигнала на изхода на вибрационния преобразувател, монтиран перпендикулярно на посоката на активните вибрации, към промяната на вибрационния параметър на входа, който го причинява;
където AE е промяната в стойността на сигнала на изхода;
AV - променен измерен параметър на вибрациите.
С линейна зависимост между E и V:
където E е максималната стойност на сигнала по време на редица измервания в различни позиции на вибрационния преобразувател.
* относителен коефициент на напречна трансформация на вибрационния преобразувател - отношението на коефициента на напречна трансформация към коефициента на трансформация:
* възможност за използване на вибрационен преобразувател при температура, влажност и други климатични влияния.
* независимост на измерването от външни електрически и магнитни полета.
* възможност за използване на вибрационен преобразувател за измервания в експлоатационни, лабораторни и производствени условия, както и за метрологични цели.
3. Основните критерии за оценка на безконтактни вибрационни преобразуватели
За да се сравнят безконтактните методи за измерване на параметрите на вибрациите и вибрационните преобразуватели, базирани на тях, е препоръчително да се използват, в допълнение към изброените параметри, следните критерии за оценка: естеството на физическите полета или радиация, взаимодействащи в процеса на измерване; размера на празнината между вибриращия продукт и чувствителния елемент на вибрационния преобразувател, а в някои случаи и източника (излъчвателя) на осцилаторнияенергия; грешка при настройка на празнина; разделителна способност на метода на измерване; критичност за качеството на механичното разединяване на вибратора и вибриращия продукт с източника (излъчвателя) на вибрационна енергия или чувствителния елемент на вибрационния преобразувател.
Характерът на взаимодействието на използваните физически полета на осцилаторна енергия (механични или електрически вълнови явления) с повърхността на материала на продукта по същество зависи от условията на тяхното разпространение. В този случай, в случай на използване на енергиите на електрически или магнитни полета (радиочестотен диапазон), е необходимо да се вземат предвид електрическите и магнитните свойства на продукта.
Зависимостта на възможността за прилагане на редица безконтактни методи за измерване на параметрите на вибрациите от естеството на взаимодействието на вибрационната енергия, използвана за измерване, с материала на продукта води в някои случаи до необходимостта от изкуствено придаване на определени свойства на повърхността на продукта (създаване на огледално отражение, осигуряване на електрическа проводимост и др.). Ако в този случай има забележима промяна в размерите и масите на тестваните продукти, тогава този метод не може да се счита за безконтактен.
Размерът на празнината между вибриращия продукт и чувствителния елемент на вибрационния преобразувател или източника (излъчвателя) на вибрационна енергия за редица методи е много критичен, тъй като определя максималната стойност на измерената амплитуда на изместване, както и прага на чувствителност на вибрационния преобразувател. За някои методи грешката на измерване зависи не само от размера на междината, но и от съотношението на максималната амплитуда на изместване (Sa max) и размера на празнината So. Освен това в някои случаи има определени изисквания за стойността на това съотношение (Sa max/So). Например забезконтактен електретен вибрационен преобразувател Sa max/So -9 C/cm 2 ), позволяват възможност за съхранение в състояние без късо съединение, имат добра повторяемост и са лесни за работа. За да се зададе първоначалната междина So между електрета и продукта, в конструкцията на вибрационния преобразувател се използва микрометърен винт. Безконтактният електретен вибрационен преобразувател дава възможност за измерване на параметрите на вибрациите на метални метализирани продукти, като се изключва зависимостта на показанията от дебелината и проводимите свойства на металните продукти.
Електретният вибрационен преобразувател е пасивен (генератор) и следователно не изисква постоянен източник на енергия за работата си.