Методы и аппаратура для измерения вибрации и высокочастотных шумов

Технические характеристики отечественных и зарубежных вибропреобразователей  приведены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1.

Технические характеристики пьезоэлектрических вибропреобразователей.

 

Параметры	Тип вибропреобразователя
	Д-13     РФ	Д-14     РФ	ИДК-8     РФ	2291 «Эн-девко» США	2285 «Эн-девко» США	4336 «Брюль и Кьер» Дания
Коэффициент преобразования по напряжению, мВ·с²/м	8,5	2,5	1,8	0,001	0,9	0,6
Относительный коэффициент  поперечного преобразования, %	5	5	2	5	5	8
Резонансная частота, кГц	14	28	18	250	30	125
Емкость, пФ	1600	1600	1000	11,5	315	300
Предельное ускорение, м/с²	5880	10000	2000	200000	20000	14000
Диапазон рабочих температур, ºС	-10 ÷70	-10 ÷70	-60 ÷200	-54 ÷121	-54 ÷760	-10 ÷260
Габаритные раз- меры, мм	Ф20х32	Ф16х29	16х28	7,9х5,6	13х23хх13	9,2
Масса, г	65	27	20	1,3	20	2

 

 

2.2.Принцип действия  пьезоэлектрического вибропреобразователя.

 

Принцип работы вибропреобразователя основан на прямом пьезоэффекте, т.е. на преобразовании механических колебаний  в электрические.

На рис. 2.1. приведена общая схема  вибропреобразователя, поясняющая принцип  работы.

 

Схема преобразователя  инерционного действия

Рис.2.1.

 

Где m – масса инерционного элемента;

       н  -  коэффициент демпфирования;

       к1 – упругость  (жесткость) пружин;

       к2 – упругость  пьезоэлеменов;

       х  -   перемещение инерционного  элемента;

       у  -   перемещение объекта.

Уравление движения чувствительного элемента имеет вид

, (2.1.)

Где – ускорение движения инерционного элемента;

       -  cкорость движения инерционного элемента;

       -  ускорение движения объекта.

В высокочастотных механических системах, к которым относится  пьезоэлектрические вибропреобразователи ,демпфирование имеет пренебрежимо малую величину. Уравнение (2.1) запишется  тогда следующим образом

, или  (2.2), где , (2.3)

С учетом (2.3) уравнение (2.2) имеет вид:

При достижении достаточно высокой собственной частоты  колебаний чувствительного элемента, что имеет место у акселерометров, пренебрегая первым членом уравнения, окончательно получим:

,

Таким образом, выходной сигнал с вибропреобразователя определяется выражением:

,

То есть деформация пьезоэлемента под действием инерционной массы m  и, следовательно, выходное напряжение с вибропреобразователя пропорциональны ускорению, испытываемому корпусом.

 

3. Выбор и обоснование выбранной конструкции.

 

На основе анализа  конструкций вибропреобразователей, разработанных отечественными и зарубежными фирмами, и учитывая предъявленные требования к проекту выбрана конструкция вибропреобразователя ,изображенная на чертеже ЦТРК 1902.013990.000СБ и на рис. 2.5. Чувствительный элемент 5 состоит из пьезоблока ТHВ-1, выполненного на основе титаната висмута.

Корпус  6 предназначен для соединения всех узлов и деталей  вибропреобразователя. Крышка 1 служит для крепления вибропреобразователя на исследуемом объекте и для  защиты чувствительного элемента от внешних факторов. Крепление  пьезоблока к корпусу осуществляется при помощи винта 2. Чтобы осуществить прижим пьезоблока ТНВ-1, более надежным при воздействии вибрации, к корпусу между  головкой винта 2 и шайбой 4 установлен гравер 3. Для фиксации пьезоблока  в корпусе между внутренним отверстием пьезоблока 5 и винтом 2 установлен кембрик 9.

 

 

Рис. 2.5. Вибропреобразователь пьезокерамический                                                  

                                                

Конструкцию пьезоблока ТНВ-1 отличает от других стандартных пьезоэлементов многослойность  структуры, выполненной в процессе изготовления и спекания пьезокерамики, что позволяет иметь единый пьезоблок. ТНВ-1 представляет собой керамический цилиндр диаметром 10 мм и высотой 8 мм с уже подготовленными двумя выводами, с внутренним отверстием диаметром 3 мм предусмотренном для крепления пьезоблока к корпусу. Эффективность пьезокерамики ТНВ-1 меньше, чем у ЦТС, но зато мы выигрываем в температурном диапазоне.

Технические характеристики пьезокерамики ТНВ-1 и наиболее близкой ей по параметрам ТВ-2, для сравнения, приведены в табли-це 2.2

Таблица 2.2

Технические характеристики пьезокерамики ТВ-2 и ТНВ-1.

Тип пьезо-керамики	Кол-во слоев	Емкость пФ
ТВ-2 ТНВ-1	2 2	120 100	680 930	145 100	15 10	1 1	13 8	0,85 0,8

 

Был проведен анализ титановых  сплавов ВТЗ-1, ВТ5, ВТ5-3,ВТ5, в процессе, которого рассматривались физико-механические свойства этих сплавов, а  также область их применения. Для получения большой жесткости конструкции и уменьшении ее веса, материалом для основания 6 и крышки 1 выбран сплав ВТЗ-1, ρ₀ = 4,5 г/см³, Е₀ = 1,15·10⁶ кг/см². Для уменьшения  шумов и исходя из данной рабочей температуры в конструкции преобразователя применен антивибрационный кабель 7 марки АВКТ-5 предназначенный для эксплуатации при температуре выше  +180ºС. Уровень шума кабеля 50 мкВ при ускорении 10д.

Крепление вибропреобразователя на объекте - жесткое. Оно осуществляется при помощи соединительных устройств, прижимающих сверху преобразователь к объекту.

 

 

 

4. Расчет основных параметров вибропреобразователя.

 

Для расчета параметров преобразователя нам требуется  знать плотность пьезоэлемента. Взвесим пьезоэлемент. m = 4,41320 г.

          Определим объем пьезоэлемента.

(π·0,005²)·0,008 – (π·0,0015²)·0,008 = 5,7176·10м³.

Найдем плотность пьезокерамики.

m/v = ρ,

4,4132·10/5,7176·10= 7,72·10³ кг/м³.

Собственная частота  измерительного вибропреобразователя определяется как частота резонанса при его установке на объекте, имеющем большую массу, упругими характеристиками  которого можно пренебречь.  На практике измерительный вибропреобразователь устанавливают на объекты, обладающие конечной  массой и жесткостью. В результате образуется сложная механическая система «объект-вибропреобразователь», резонансная частота которой существенно отличается от частоты преобразователя, измеренной в других условиях. Механические свойства объекта в месте установки вибропреобразователя можно характеризовать местным импедансом Z.  Присоединение к импедансу Z системы вибропреобразователя, состоящей из массы m и пружины К, образует новую механическую систему изображенную на рис. 2.2. с резонансной частотой:

.

Рис. 2.2. Механическая система  закрепленного на объекте вибропреобразователя.

 

Значение импеданса Z  можно определить экспериментально, а в некоторых случаях рассчитать аналитически. Резонансная частота  закрепленного на объекте вибропреобразователя оказывается зависящей от характеристики объекта и ее величина меньше ω_о. Резонанс механической системы измерительного вибропреобразователя вызывает подъем амплитудно-частотной характеристики и ограничивает рабочий диапазон в его верхней части. Амплитудно-частотная характеристика имеет подъем, связанный с возрастанием частоты, который зависит от свойств механической системы. Однако при малом демпфировании и при совмещении собственный частот, кривые для одномассовой системы и системы с  распределенными параметрами практически совпадают. Это дает возможность оценивать амплитудно-частотную характеристику по значениям собственной частоты измерительного вибропреобразователя. При этом задача расчета рабочего диапазона частот сводится к нахождению его собственной частоты. Влиянием крышки и кабеля на резонансную частоту можно пренебречь, т.к. существует ряд конструктивных приемов позволяющих исключить это влияние.

Тогда механическая система  вибропреобразователя с учетом контактной жесткости в месте стыка между основанием и объектом и с учетом распределенного характера элементов будет иметь вид, изображенный на рис. 2.3.

 

Рис. 2.3. Механическая система  вибропреобразователя с учетом контактной жесткости

 

Собственная частота  такой системы находится путем  решения трансцендентного уравнения  третьей степени. Анализируя результаты, полученные из решения трансцендентного уравнения, можно сделать вывод, что наиболее сильно влияет на резонансную частоту высота пьезоэлементов h2. Высота основания h1 влияет на резонансную частоту меньше. Контактные жесткости k1 и k2 имеют примерно одинаковое  влияние на  резонансную частоту. Для упрощения расчетов представляется возможным   перейти от сложной системы с распределенными параметрами к эквивалентной по основной  частоте системы с сосредоточенными параметрами (рис.2.4.).

 

Рис. 2.4. Эквивалентная по основной частоте система с сосредоточенными

параметрами вибропреобразователя

 

В дипломном проекте  предлагается использовать вибропреобразователь без инерционной массы, т.к. этим мы добиваемся подъема резонансной  частоты. Также к достоинствам преобразователей без инерционной массы следует  отнести малую восприимчивость  к деформации их основания. Деформация основания преобразователя может быть обусловлена деформацией объекта. На котором он закреплен. К недостаткам следует отнести небольшую потерю чувствительности.

При расчете преобразователя без инерционной массы, берем в расчетах массу инерционного тела равную одной трети массы пьезоэлемента, т.е.                         

                                   m1 = 1/3mn = 1/3·4,41320 = 1,471 гр.

Для обеспечения неравномерности  амплитудно-частотной характеристики в рабочем диапазоне частот не более ±20% необходимо, чтобы выполнялось условие , где d – неравномерность АЧХ, раз (100%+d);          f_гр – верхняя граничная частота рабочего диапазона.

Подсчитаем необходимую величину резонанса преобразователя,

если d = 20%:

 Гц.

Следовательно, резонансная  частота закрепленного на объекте 

вибропреобразователя  должна быть ω_о  ≥   735 кГц.

Величина контактной жесткости  зависит от многих характеристик:

шероховатостей, волнистости  материалов соприкасающихся поверхностей. Однако, большинство характеристик являются в определенном смысле средними характеристиками, поэтому контактную жесткость целесообразно определить экспериментально с учетом характеристик именно тех поверхностей, которые участвуют в работе.  Однако, для оценки можно воспользоваться некоторой идеализации картины контакта. Методика расчета изложена в работе.