Пьезоэлектрический акселерометр является оптимальным измерительным датчиком механических колебаний.
Цели измерения механических колебаний многообразны:
- Виброиспытания. Осуществляются в процессе конструирования и разработки изделий, способствуют оценки стойкости материалов и конструкций вибрационным воздействиям.
- Контроль состояния динамического оборудования и диагностика неисправностей и дефектов
- Анализ мод колебаний. Эффективный экспериментальный метод определения динамических характеристик конструкций на основе результатов измерений и анализа вынужденных механических колебаний.
- Оценка воздействующей на человека вибрации.
Природа механических колебаний.
Вибрацией называют механические колебания тела, то есть колебательное движение последнего относительно опорного положения равновесия. Причиной механических колебаний является передача и/или накопление энергии в результате действия одной или нескольких сил. Нежелательная вибрация часто вызвана полезным действием разного рода сил и ее нельзя совершенно исключить.
Механические колебания можно рассматривать во временной области, в которой самой важной является зависимость их амплитуд от времени. Зависимость амплитуд механических колебаний от времени может быть или детерминированной, то есть поддающейся описанию математическими выражениями, или стохастической, т.е. допускающей описание статическими функциями. Физической характеристикой механических колебаний в частотной области является распределение их амплитуд по частоте, т.е. их частотный спектр Характеристики механических колебаний в этих двух областях связаны математически друг с другом. Эта связь описана преобразованием Фурье.
В отличии от других вибродатчиков пьезоэлектрические акселерометры эффективны при измерениях всех видов механических колебаний, независимо от присущих последним характеристик во временной и частотной областях. Однако, рабочие динамический и частотный диапазоны используемого акселерометра должны соответствовать диапазонам амплитуд и частот измеряемых механических колебаний. С другой стороны, в широком ассортименте пьезоэлектрических акселерометрах всегда можно найти датчик, параметры которого удовлетворят требованиям, предъявляемые определенной областью измерений механических колебаний и/или определенным условиям эксплуатации. Следовательно, вид измеряемых механических колебаний нужно учитывать лишь при выборе и настройке используемой вместе с пьезоэлектрическими акселерометрами, измерительной и регистрирующей аппаратуры.
Параметры механических колебаний
Пьезоакселерометр отдает электрических сигнал, пропорциональный ускорению действующих на него механических колебаний, который можно путем интегрирования преобразовать в сигнал пропорциональный скорости механических колебаний. Двукратное интегрирование сигнала ускорения получается сигнал, пропорциональный перемещению действующих на акселерометр механических колебаний.Возможность осуществляемого электронным путем интегрирования выходного сигнала относиться к преимуществам пьезоэлектрического акселерометра. Нужно подчеркнуть, что применение интегратора сопровождается «потерями» информации об исследуемом процессе и по этой причине допускается лишь там, где потери не сказываются на точности и надежности результатов измерений.
Однократное интегрирование применяется в вибропреобразователях (4-20мА) с выходом СКЗ виброскорости (согласно ГОСТ).
Двукратное интегрирования применяется как правило для датчиков измерения перемещений на гидроагрегатах (согласно эксплуатационных нормативов) и строительных конструкциях.
Если сделать краткий итог, то измерений виброкорости оптимально для вращающегося оборудования в широкой полосе частот примерно на 70%, в 30% случаях необходимо измерять виброускорение. Виброперемещение необходимо использовать в низкочастотных механических колебаниях с большой амплитудой, н-р колебаний крупных конструкций (зданий, мостов, плотин).
Применение электронных интеграторов, вносящие серьезные фазовые искажения и обуславливающих заметные амплитудные ошибки, вообще не допускаются при исследованиях механических ударов и кратковременных или импульсных механических колебаний.
Количественное выражение амплитуд механических колебаний.
Как правило применяются значение м/с2; g; м/с; мкм
На рисунке ниже показана самая простая зависимость амплитуды от времени.
Для количественного выражения амплитуды показанного на рисунке выше:
1. Среднеквадратическое (эффективное) значение (СКЗ) является самым важным значением, характеризует энергию. Равно умноженному на 1/sqr (2) пиковому значению этих колебаний.
2. Пиковое значение (х(1,0)). является максимальным значением колебаний, учитываемым именно при количественной оценке кратковременных механических ударов.
3. Двойная амплитуда (размах). Используется при количественной оценке перемещения механических колебаний, но находит лишь ограниченное применение.
4. Среднее значение. Связано с временным развитием мех.колебаний.
5. Пикфактор (амплитудный коэффициент), является отношением пикового значения к СКЗ.
Линейные и логарифмические шкалы амплитуды и частоты, а также частотный анализ не рассматриваются в данной статье. Более подробно можно ознакомиться в «Справочнике по пьезоакселерометрам Брюль&Къер».
В статье хотелось бы кратно отразить характеристики и параметры акселерометров на которые необходимо обращать внимание при выборе.
Для это не получиться не погрузиться в его конструкцию и сравнение с другими вибродатчиками.
Итак пьезоакселерометр в настоящее время является наилучшим вибродатчиком для абсолютных измерений механических колебаний и ударов благодаря следующим свойствам:
1. Широкий рабочий частотный диапазон
2. Линейная характеристика в широком динамическом диапазоне
3. Выходной электрический сигнал, пропорциональный ускорению мех.колебаний, можно преобразовать электронным путем в сигналы виброскорости и виброперемещению.
4. Высокая стойкость в отношении воздействия окружающей среды и сохранение высокой точности даже в неблагоприятных эксплуатационных условиях
5. Активный преобразователь, не нуждающийся в применении источника питания
6. Конструкция без движущихся деталей, то есть более долговечность.
7. Малогабаритная, компактная конструкция.
Кратко рассмотрим другие вибродатчики их основные свойства:
1. Датчики относительной вибрации (Проксимиторы) чувствительны к механическим колебаниям относительным измерениям расстояния (перемещения). Можно применять для измерений объектов с электропроводной поверхностью.
2. Емкостной датчик является малогабаритным бесконтактным преобразователем, чувствительным к перемещению и отличающимся относительно высокой чувствительностью и широким рабочим частотным диапазоном. С другой стороны, он является пассивным преобразователем, предъявляющий требования к электропроводности поверхности вибрирующих объектов, обладающим лишь ограниченным рабочим динамическим диапазоном и обуславливающим затруднения при калибровке.
3. Потенциометрический датчик способствует измерениям статических и низкочастотных перемещений и отличается малым импедансом и стоимостью. Его частотный и динамический диапазоны, разрешающая способность и срок службы ограничены.
4. Пьезорезистивный датчик дает возможность измерения ускорения в относительно широких частотном и динамическом диапазонах. К его преимуществам относиться способность измерять статические ускорения, в то время как он не пригоден к измерению мех.ударов.
5. Датчик с подвижной катушкой является низкоимпедансным активным преобразователем чувствительным ко скорости механических колебаний. Он обладает лишь относительно узким рабочим частотным и динамическим диапазонами, нежелательной чувствительностью к магнитным полям и выраженной направленностью.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА.
Глубоко вникать в конструкцию акселерометра в данной статье не будем, посмотрим упрощенную схему на рисунке ниже.
Активные элементы изготовлены из пьезоэлектрического материала, выполняют роль пружин, обеспечивающих механическую связь между соединенной с основанием стойкой треугольного сечения и тремя сейсмическими (инерционными) массами. Воздействующие на основание акселерометра механические колебания приводят к тому, что на каждый пьезоэлемент действует динамическая сила, равная произведению ускорения сейсмической массы на соответствующую массу. Отдельные пьезоэлементы генерируют электрический заряд, пропорциональный действию на них динамической силе. Сейсмические массы акселерометра вообще не изменяются и, следовательно , имеющийся на электродах пьезоэлементов электрический заряд пропорционален ускорению этих масс. Поскольку амплитуда и фаза ускорения сейсмических масс в широком частотном диапазоне идентична амплитуде и фазе ускорения основания акселерометра, отдаваемый последним общий электрический заряд пропорционален ускорению его основания и, следовательно ускорению механических колебаний поверхности объекта, на котором акселерометр закреплен.
В этом абзаце хотелось бы остановиться на характеристиках акселерометра которые необходимо учитывать при выборе и на которые очень редко обращают внимание.
Частотный диапазон
Кривая, отражающая частотную зависимость относительной амплитуды отдаваемого акселерометром электрического сигнала, показана на рисунке ниже
Эта кривая называется амплитудно-частотной характеристикой акселерометра и показывает изменение относительной амплитуды выходного эл.сигнала акселерометра, подвергаемого воздействию механических колебаний с фиксированным ускорением и с изменяющейся в широком диапазоне частотой. По этой кривой можно примерно определить частоту резонанса закрепленного акселерометра, увидеть рабочий диапазон частот в заданных отклонениях.
Верхний предел частоты.
Кривая АЧХ на рисунке выше показывает, что частота резонанса определяет верхний предел рабочего частотного диапазона.
Чем больше значение частоты резонанса закрепленного акселерометра, тем шире его рабочий частотный диапазон.
В качестве верхнего предела рабочего частотного диапазона можно использовать различные значения, связанные с определенными значениями отклонений получаемых в результате измерений значений амплитуды от действительных значений амплитуды мех.колебаний:
Предел 5% определен частотой, на которой относительное отклонение получается в результате измерения значения амплитуды от действительного значения составляет 5%. С не превышающей 5% погрешностью можно измерять мех.колебания с частотами, меньшими прибл. деленного на 5 (коэф.умножения 0,22) значения резонансной частоты закрепленного акселерометра.
Предел 10% определен частотой, на которой относительное отклонение получается в результате измерения значения амплитуды от действительного значения составляет 10%. С погрешностью до 10% можно измерять мех.колебания с частотами, меньшими прибл. деленного на 3 (коэф.умножения 0,3) значения резонансной частоты закрепленного акселерометра.
Предел 3 дБ определен частотой, на которой разность получаемого в результате измерения значения уровня и действительного значения уровня воздействующих на акселерометр мех.колебаний составляет 3 дБ. С не превышающей 3 дБ погрешностью можно измерять мех. колебания с частотами, меньшими деленного приблизительно на 2 значения резонансной частоты закрепленного акселерометра.
Нижний предел частоты.
Пьезоакселерометры генерируют электрический сигнал лишь под действием динамических сил. То есть они не могут измерять мех. колебания с доходящими до 0 Гц частотами. Нижний предел зависит от комплектного предусилителя.
Чувствительность или коэф. преобразования
Отношение генерируемого напряжения/ зарядка к ускорению
мВ/g — значение в мВ у уровню сигнала в 1g
пКл/g — чувствительность по заряду как отношение отдаваемого эл.заряда акселерометра к ускорению воспринимаемых колебаний.
Линейность и динамический диапазон.
Линейная зависимость между входом и выходом должна быть сохранена в нужных частотном и динамическом диапазоне. С теоритической точки зрения отдаваемые акселерометром электрические сигналы прямо пропорциональны ускорению на всех уровнях. Однако, рабочий динамический диапазон всегда ограничен снизу собственным шумом. Пьезоакселерометр подвергаемый воздействию мех. колебаний с превышающими верхний предел их рабочего динамического диапазона, постепенно теряет характер линейности и становиться нелинейным. А уровни значительно превышающими — выводя акселерометр из работоспособности.
Поперечная чувствительность. Пьезоакселерометры чувствительны не только к механическим колебаниям в направлении их главной оси, но и в некоторой степени и к колебаниям в перпендикулярной к этой оси плоскости. Значение поперечной чувствительности выражается в процентах от значения чувствительности в направлении главной оси. Идеальным считался бы акселерометр с поперечной чувствительностью 0%. Однако множество факторов влияет на данный параметр. Хорошим показателем является 10%.