Вібровимірювальні перетворювачі, лабораторна робота
Міністерство освіти та науки України
Запорізький національний технічний університет
Кафедра КПР
з лабораторної роботи №1
"Методи та способи дослідження ЕС"
1.Класифікація віброперетворювачів
Джерелом сигналу вимірювальної інформації про значення вимірюваних параметрів вібрації є вібровимірювальний перетворювач (віброперетворювач). Сучасні віброперетворювачі, в основному, побудовані на принципах електричних вимірів не електричних величин (сигналів), коли механічні коливання перетворюються на електричні. Вібровимірювальні перетворювачі класифікуються за низкою незалежних ознак:
* За значенням - вимірювальні перетворювачі можуть призначатися для вимірювання різних параметрів вібрації. Залежно від параметра вібрації, що вимірюється, віброперетворювачі можуть називати: акселерометрами - для вимірювання прискорення і велосиметрами - для вимірювання швидкості.
* по зв'язку (взаємодії) сприймаючої (чутливої) частини з об'єктом виміру розрізняють контактні та безконтактні перетворювачі. Застосування контактних або безконтактних перетворювачів залежить від розмірів та маси виробів, що вібрують. Якщо розміри та маси виробів можна порівняти або менше розмірів і мас контактних перетворювачів, необхідно застосовувати безконтактні вимірювальні перетворювачі.
* за принципом виміру щодо системи відліку вимірювальні перетворювачі можуть бути засновані: на визначенні координат окремих точок виробу щодо нерухомої системи відліку, з якою ведуться спостереження - кінематичний принцип: на створенні штучної нерухомої системи відліку у вигляді інерційногоелемента, що з'єднується з вібруючим виробом через пружний підвіс (м'яку пружину) - динамічний принцип. При здійсненні динамічного принципу вимірювання параметрів вібрації виробу, що виробляється в умовах процесу, щодо інерційного елемента буде абсолютним. Перетворювачі, побудовані за динамічним принципом, часто називають інерційними.
* за принципом перетворення механічних коливань на інші види коливань розрізняють активні та пасивні вимірювальні перетворювачі. В активних вимірювальних перетворювачах вихідний сигнал виходить за рахунок вхідної механічної енергії та постійного джерела енергії. До активних перетворювачів відносяться фотоелектричні, гамма-квантові, ємнісні та ін У пасивних вимірювальних перетворювачах вихідний сигнал виходить тільки за рахунок вхідної механічної енергії. До пасивних перетворювачів відносяться: п'єзоелектричні, електретні та ін.
* за родом вимірюваних компонентів вібрації розрізняють перетворювачі для вимірювання лінійних компонентів коливань (однокомпонентні, двокомпонентні, трикомпонентні), а також вимірювання кутових компонентів.
* У напрямку докладання сили при механічних впливах розрізняють вимірювальні перетворювачі спрямованої та ненаправленої дії. В інерційних перетворювачах ненаправленої дії пружний підвіс забезпечує збереження становища та орієнтації в абсолютному просторі. Тому вони можуть видавати всі шість компонентів вібрації. У перетворювачах спрямованої дії забезпечується вимірювання лише одного лінійного або кутового компонента вібрації.
* за фізичним явищем доповеним в основу методу вимірювання параметрів механічних коливань, вимірювальні перетворювачі можна об'єднати втакі основні групи: механічні, акустичні (ультразвукові), електричні, електромагнітні (радіотехнічні), оптичні (світлові) та радіаційні.
2.Основні параметри віброперетворювачів
Основні параметри, що характеризують віброперетворювачі (віброметри) і що дозволяють здійснити їх порівняння та вибір найбільш прийнятних для вимірювань є:
* Вимірюваний параметр лінійної вібрації: переміщення (5), швидкість (V), прискорення (а), різкість (г), частота (Г), коефіцієнт нелінійних спотворень (р) і т.д.
* діапазон значень вимірюваного параметра вібрації, для якого нормовані похибки, що допускаються. При розгляді віброперетворювача спільно з віброметром мінімальне значення параметра, що вимірюється, визначається напругою шуму узгоджуючого підсилювача
дійсний коефіцієнт перетворення віброперетворювача - відношення зміни сигналу на виході віброперетворювача до його зміни параметра вібрації на вході:
де: АЕ – зміна величини сигналу на виході;
AV – зміна вимірюваного параметра вібрації.
При лінійній залежності між Е та V:
* Мінімальна зміна вимірюваного параметра вібрації, що викликає відповідну зміну показань віброметра, називається порогом чутливості.
* Робочий діапазон частот гармонійних вібрацій визначається діапазоном частот, у межах якого нерівномірність амплітудно-частотної характеристики по відношенню до базової частоти 1000 Гц не перевищує встановленого значення.
* основна похибка віброперетворювача (віброметра) визначається:
а) при постійному значенні величини параметра вібрації, що вимірюється, в межах вимірювання робочого діапазону частот (нерівномірністьамплітудно-частотної характеристики);
б) при різних значеннях величини параметра, що вимірюється на незмінній частоті в межах встановленого діапазону вимірювань (нелінійність амплітудної характеристики).
* коефіцієнт поперечного перетворення віброперетворювача відношення зміни сигналу на виході віброперетворювача, встановленого перпендикулярно напрямку діючих коливань, до його зміни параметра вібрації на вході;
де АЕ – зміна величини сигналу на виході;
AV - змінено вимірюваний параметр вібрації.
При лінійній залежності між Е та V:
де Е - максимальне значення сигналу при ряді вимірювань у різних положеннях віброперетворювача.
* відносний коефіцієнт поперечного перетворення віброперетворювача - відношення коефіцієнта поперечного перетворення до коефіцієнта перетворення:
* можливість використання віброперетворювача при температурних, вологих та інших кліматичних впливах.
* незалежність виміру від зовнішніх електричних та магнітних полів.
* можливість використання віброперетворювача для вимірювань в експлуатаційних, лабораторних та виробничих умовах, а також для метрологічних цілей.
3. Основні критерії оцінки безконтактних віброперетворювачів
Для порівняння безконтактних методів вимірювання параметрів вібрації та заснованих на них вібровимірювальних перетворювачів доцільно користуватися, крім перерахованих параметрів, такими критеріями оцінки: характер фізичних полів або випромінювань, що взаємодіють у процесі вимірювання; величина зазору між вібруючим виробом та чутливим елементом віброперетворювача, а в ряді випадків і джерелом (випромінювачем) коливальноїенергії; похибка встановлення зазору; роздільна здатність методу вимірів; критичність до якості механічної розв'язки вібратора і виробу, що вібрує, з джерелом (випромінювачем) коливальної енергії або чутливим елементом віброперетворювача.
Характер взаємодії фізичних полів коливальної енергії (механічних або електричних хвильових явищ) з поверхнею матеріалу виробу істотно залежить від умов їх поширення. При цьому у разі використання енергій електричного або магнітного полів (радіотехнічного діапазону частот) необхідно враховувати електричні та магнітні властивості виробу.
Залежність можливості реалізації низки безконтактних методів вимірювань параметрів вібрації від характеру взаємодії використовуваної для вимірювань коливальної енергії з матеріалом виробу призводить до необхідності штучного надання поверхні виробу певних властивостей (створення дзеркального відображення, забезпечення електропровідності тощо). Якщо при цьому відбувається помітна зміна габаритів і мас виробів, що випробовуються, то даний метод не можна розглядати як безконтактний.
Величина зазору між вібруючим виробом та чутливим елементом віброперетворювача або джерелом (випромінювачем) коливальної енергії для ряду методів є дуже критичною, оскільки від неї залежить максимальна величина амплітуди переміщення, що вимірюється, а також поріг чутливості віброперетворювача. Для деяких методів похибка вимірювань залежить не тільки від величини проміжку, але і від співвідношення величини максимальної амплітуди переміщення (Sa max) і величини зазору So. Причому у ряді випадків є певні вимоги до величини цього співвідношення (Sa max/So). Наприклад, длябезконтактного електретного віброперетворювача Sa max/So -9 Кл/см 2 ), допускають можливість зберігання у незакороченому стані, мають хорошу повторюваність та прості в експлуатації. Для установки початкового зазору So між електретом і виробом конструкції віброперетворювача застосований мікрометричний гвинт. Безконтактний електретний віброперетворювач дозволяє проводити вимірювання параметрів вібрації металевих металізованих виробів, причому виключається залежність показань від товщини та властивостей металу виробів.
Електретний віброперетворювач є пасивним (генераторним) і, отже, вимагає своєї роботи постійного джерела енергії.