Принципы и приборы измерения вибрации

При измерении параметров вибрации используют два метода измерения: кинематический и динамический.

Кинематический метод заключается в том, что измеряют координаты точек объекта относительно выбранной неподвижной системы координат. Измерительные преобразователи, основанные на этом методе измерения, называют преобразователями относительной вибрации.

Динамический метод основан на том, что параметры вибрации измеряют относительно искусственной неподвижной системы отсчета, в большинстве случаев инерционного элемента, связанного с объектом через упругий подвес. Такие приборы называют преобразователями абсолютной вибрации, чаще сейсмическими системами.

Принципиальная схема простейшей сейсмической системы с одной степенью свободы представлена на рис. 1. Сейсмическая масса т соединяется с основанием измерительного преобразователя (ИП) через пружину с коэффициентом жесткости с. Для гашения собственных колебаний параллельно пружине установлен демпфер с коэффициентом сопротивления А.

Уравнение, связывающее модули амплитуды установившихся колебаний объекта e(t) и относительных перемещений сейсмической массы x(t), имеет вид

а сдвиг фаз колебаний массы т относительно корпуса ИП в виде

- собственная круговая частота колебательной системы массой тис коэффициентом жесткости пружины с; - относительный коэффициент демпфирования с коэффициентом сопротивления h; еа, w0 - амплитуда виброперемещения и частота колебаний, воспринимаемых ИП соответственно.

С использованием обозначений относительной частоты у=w/w0 и модуля амплитудно-частотной характеристики | v | = | ха / еа | зависимость амплитуды колебаний массы т относительно корпуса ИП приобретает вид

Существует три частотных диапазона, в которых может работать ИП:

Виброизмерительные приборы, работающие в первом частотном диапазоне у <<1, называются виброакселерометрами, а во втором диапазоне у >> 1 - виброметрами.

Измерительные преобразователи вибрации основаны на различных физических принципах преобразования механических колебаний в электрический сигнал.

Измерительные преобразователи механических колебаний в электрический сигнал:

1. Преобразователи абсолютной вибрации: генераторные:

• пьезоэлектрические;

• индукционные;

• на основе эффекта Холла;

параметрические:

• резистивные;

• пьезорезистивные;

• индуктивные;

• трансформаторные;

• магнитоупругие;

• емкостные;

• электронно-механические;

• вибрационно-частотные;

• предельно контактные;

• импедансные.

2. Бесконтактные измерители относительной вибрации:

• магнитные;

• радиоволновые;

• электромагнитные;

• акустические;

• радиационные;

• оптические.

В бесконтактных измерителях реализуют кинематический метод измерения параметров относительной вибрации, используя оптические, радиоволновые и др. электромагнитные поля. Среди них наибольшее применение в вибродиагностике нашли оптические методы и средства измерения параметров вибрации, которые по способу выделения информации об измеряемом параметре делят на амплитудные и частотные. К амплитудным методам измерений относят фотоэлектронные, дифракционные и интерференционные методы измерения, а также методы с использованием пространственной модуляции светового потока.

Измерение параметров вибрации, основанное на измерении частоты излучения оптического квантового генератора, отраженного от объекта, проводят измерительными устройствами, действие которых основано на использовании эффекта Допплера.

Преобразователи абсолютной вибрации в электрический сигнал делят на два класса: генераторные, преобразующие энергию механических колебаний в электрическую; параметрические, преобразующие механические колебания в изменение параметров электрических цепей, например индуктивности, емкости, активного сопротивления, частоты или сдвига фаз и т.д.

Для вибродиагностики машин и механизмов используют в основном пьезоэлектрические и электродинамические преобразователи, относящиеся к генераторным, а также индуктивные, вихретоковые и емкостные, относящиеся к параметрическим.

Пьезоэлектрические преобразователи применяют для измерения параметров абсолютных колебаний невращающихся частей механизмов. Пьезоэлектрические преобразователи обладают высокими метрологическими параметрами, широким амплитудным и частотным диапазоном, простотой конструкций, высокой надежностью и сравнительно низкой стоимостью. Основными недостатками пьезоэлектрических преобразователей являются высокое выходное сопротивление и низкая помехозащищенность. В значительно меньшей степени эти недостатки свойственны пьезоэлектрическим преобразователям, относящимся к классу параметрических преобразователей.

Простейший пьезоэлектрический преобразователь можно представить в виде пластины, изготовленной из кварца или искусственной пьезокерамики. Для изготовления пьезокерамики применяют цирконат титанат свинца (ЦТС), титанат висмута (ТВ) и др. Пластину прикрепляют к воспринимающему внешние колебания основанию, на другой стороне пластины располагают груз массой т. Собственная частота сейсмической системы такого преобразователя

где с1 - коэффициент упругости пьезоэлемента в направлении приложения силы инерции груза массой m.

В частотном диапазоне на выходе преобразователя образуется заряд q(t) пропорциональный воспринимаемому виброускорению a(t):

где d11 и k -соответственно пьезомодуль и коэффициент преобразования.

Для преобразования заряда q(t) в электрическое напряжение или ток применяют усилители напряжения или заряда.

При выборе пьезоэлектрических преобразователей для конкретных типов испытаний необходимо учитывать их основные параметры: температурный, амплитудный и частотный диапазоны, коэффициенты преобразования, частоту установочного резонанса и т.д.

Электродинамические преобразователи применяют для измерения параметров вибрации в частотном диапазоне 1 Гц... 2 кГц.

Электродинамический преобразователь содержит магнитную систему, в зазоре которой расположена катушка с проводом. Обычно магнитная система закреплена на основании, а катушка жестко соединена с сейсмической массой. 

При воздействии внешней вибрации e(t) и относительных колебаниях x(t) в катушке наводится ЭДС

где B, W, l ср - магнитная индукция в зазоре, число витков и средний диаметр витка подвижной катушки соответственно.

Электродинамические преобразователи работают на частотах, значительно превышающих собственную частоту сейсмической системы, т.е. при у >>1.

ЭДС на выходе катушки пропорциональна виброскорости гармонических колебаний:

При работе электродинамических преобразователей в первом частотном диапазоне при у<< 1, ЭДС на его выходе будет пропорциональна резкости, т.е.

К преимуществам электродинамических вибродатчиков следует отнести большой амплитудный диапазон, низкое выходное сопротивление и возможность передачи сигналов по длинной линии связи. Действие большинства параметрических преобразователей основано на изменении комплексных сопротивлений или проводимости электрических цепей.

Наибольшее распространение получили следующие типы преобразователей: вихретоковые, индуктивные, трансформаторные, магнитоупругие, механотронные и емкостные.

Вихретоковые преобразователи применяют для измерения параметров относительных колебаний вращающихся частей механизмов, например, вала относительно подшипников.

Измерение относительной вибрации методом вихревых токов основано на регистрации изменений электромагнитного поля в зависимости от зазора между возбуждающей вихревые токи электрической катушкой и электропроводной поверхностью изделия, совершающего механические колебания, где наводятся вихревые токи.

Метод измерения относительной вибрации с помощью вихревых токов имеет ряд существенных преимуществ перед прочими бесконтактными методами (емкостным, индуктивным). Он практически безынерционен в звуковом диапазоне частот, пределы измерения амплитуд виброперемещения простираются от мкм до мм в зависимости от диаметра катушки, частотный диапазон - от нуля до сотен кГц. Вихретоковые датчики просты и надежны по конструкции, не чувствительны к поперечным вибрациям.

Конструктивно вихретоковый преобразователь относительной вибрации выполнен в виде накладной катушки индуктивности, намотанной на торцевой части цилиндрического каркаса из нетокопроводящего материала. Функциональная схема вихретокового датчика включает в себя генератор несущей частоты, который через цепочку связи питает катушку индуктивности, настроенную в резонанс на частоту генератора при отсутствии вблизи рабочей поверхности датчика металла. Комплексное сопротивление катушки в случае ее приближения к металлу складывается из собственного сопротивления катушки ZK и вносимого сопротивления ZBH, а, следовательно, напряжение на катушке зависит от расстояния ее до металлической поверхности. При перемещении этой контролируемой поверхности относительно торца катушки напряжение на ней модулируется по амплитуде по закону перемещения объекта, вибрация которого контролируется. Это напряжение передается на детектор, с выхода которого постоянная и переменная составляющие продетектированного напряжения датчика поступают на вход каскада согласования, который служит для согласования высокого выходного сопротивления детектора с низким входным сопротивлением канала усиления и с большой реактивной нагрузкой линии связи.

Постоянная составляющая напряжения на выходе детектора пропорциональна зазору между вибродатчиком и объектом, переменная - виброперемещениям объекта.

Дата добавления: 2015-09-06