Компрессионные акселерометры

Акселерометр компрессионного типа для стандартных примене­ний имеет очень простую конструкцию. Он состоит из круглого кера­мического диска, зажатого между основанием преобразователя и сравнительно тяжелой сейсмической массой (рис. 8.19(a)). Система характеризуется передаточной функцией цепи второго порядка с ма­лым коэффициентом затухания. Преобразователи в этих устройствах обычно находятся под

Рисунок 8.19. Базовые конфигурации акселерометра

предварительной нагрузкой (осуществляемой, например, с помощью пружины) для исключения растяжений матери­ала, при наличии которых трудно обеспечить механическую связь. Приложение положительных и отрицательных нагрузок ктреднагру-женному преобразователю приводит к генерации соответствующих плюсовых и минусовых напряжений, так как выходное напряжение пропорционально отклонению нагрузки от ее значения в исходном со­стоянии.

Двумя наиболее важными рабочими характеристиками таких устройств являются зарядовая чувствительность — главный переда­точный параметр — и фактическая резонансная частота в смонтиро­ванном состоянии. Чувствительность акселерометра обычно указывается в пКл/g (в числителе и знаменателе — амплитудные зна­чения) с расчетом на обработку сигнала методом усиления заряда. Эта величина может быть преобразована в чувствительность по на­пряжению на выходе преобразователя с помощью соотношения

V=q/C.

Пример.

Если q = 25 пКл/g и С = 625 пФ, то и = 40 мВ/g.

На практике для точного предсказания резонансной частоты аксе­лерометра в смонтированном состоянии нельзя использовать извест­ную формулу для резонансной частоты.

Сдвиговые акселерометры

Акселерометры сдвигового типа или с изгибом по ряду своих характеристик превосходят компрессионные акселеромет­ры. Во-первых, в них отсутствует эффект зависимости резонансной частоты преобразователя от конкретных конструктивных особенно-

стей смонтированного устройства. Во-вторых, некоторые дефекты внутренней структуры, возникающие при изготовлении акселеромет­ра, приводят к появлению отличной от нуля чувствительности к попе­речным вибрациям. В сдвиговых акселерометрах эта поперечная чувствительность обычно меньше (~3%), чем в компрессионных устройствах (~5°7о или более). В-третьих, прогиб основания акселе­рометра под действием измерительного элемента (массы) может при­водить к погрешностям. В сдвиговом акселерометре кольцевого типа эффект прогиба основания устранен за счет механической развязки. И наконец, одной из проблем при измерении низкочастотных вибра­ций является проблема низкочастотных помех, обусловленных вкла­дом пироэлектрического эффекта. Пироэлектрический эффект — это температурный эффект, возникающий при наличии градиентов тем­пературы в преобразователе. В сдвиговых акселерометрах вклад это­го эффекта в выходной сигнал уменьшен из-за параллельности электродов по отношению к поляризуемой плоскости.

Калибровка

Функционально законченная система измерения вибраций может быть откалибрована на калибровочном вибростенде. Уро­вень вибраций, которому подвергается калибруемый акселерометр, можно установить с помощью вторичного эталонного акселеромет­ра, предварительно откалиброванного по первичному эталону. Кали­бровка измерительных приборов возможна без акселерометра путем подачи на их входы известного осциллирующего напряжения через конденсатор (например, емкостью 1000 пФ).

Вибростенды

Вибростенд — одно из устройств, где акселерометр используется для контроля режима работы через цепь обратной связи. Система автоматического регулирования поддерживает постоянную амплитуду колебаний вибростенда. Акселерометр используется для измерения ускорения (силы воздействия, амплитуды колебаний) стен­да. Сигнал от акселерометра усиливается, а затем определяется его среднеквадратичное значение, которое сравнивается с уровнем опор­ного сигнала. Выходной сигнал усилителя низкой частоты модулиру­ет амплитуду сигнала камертонного генератора, с выхода которого через трансформаторный усилитель мощности осуществляется при-

вод вибростенда. Если амплитуда колебаний стенда начинает возрас­тать, сигнал обратной связи обеспечивает ее уменьшение и возврат к исходному установленному значению. При уменьшении амплитуды процесс регулирования идет в обратном порядке. В результате ампли-

туда колебаний вибростенда поддерживается на постоянном уровне. Основное назначение вибростендов — испытание стойкости компоне­нтов различных систем к вибрациям, которые могут возникнуть при их реальной эксплуатации.

8.9. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ

Преобразователи давления обычно характеризуются высокими собственными частотами и слабым откликом на мешающие ускоре­ния. В большинстве конструкций используется компенсирующий акселерометр, встроенный непосредственно в преобразователь (рис. 8.20). Это обеспечивает уменьшение (в4—10 раз) паразитных вибра ционных эффектов. Еще большее ослабление этих эффектов невоз­можно из-за наличия чувствительности к поперечным вибрациям, которая не может быть скомпенсирована. При измерениях, свя­занных с ударными волнами, которые могут возбудить колебания преобразователя на резонансной частоте, возможны два очевидных способа предотвращения этого нежелательного эффекта: 1) развязка от механической ударной волны, проходящей через конструкцию, с помощью пластмассового адаптера, действующего как механический фильтр для ударной волны, и 2) согласование резонансных частот основного и компенсирующего акселерометров, в результате чего ослабляются ускорительные эффекты и переходные процессы, обус­ловленные резкими изменениями давления. Кристаллические матери­алы, первоначально разработанные для использования в преобразо­вателях, — такие, как титанат бария и цирконат свинца, — недолго применялись в промышленных конструкциях, а используемые в прошлом отдельные монокристаллы кварца в настоящее время прак­тически всюду заменены на кристаллические сборки. Кварцевые кри­сталлы пригодны для использования при температурах до 350°С. Типичный диапазон измеряемых давлений 50—100 МПа.

Рисунок 8.20Пьезоэлектрический преобразователь с ком­пенсацией ускорения. 1 — корпус; 2 — компенсирую­щий кварцевый диск; 3 — компенсирующая масса; 4 — чувствительные к давлению кварцевые диски; 5 — диафрагма.

Применения

Существуют различные типы преобразователей давления общего назначения и преобразователи для специальных применений. К по­следним относятся конструкции, которые могут заменить в двигате­лях, конструкции, устанавливаемые в небольшой полости в топливопроводе, и конструкции, устанавливаемые напротив детекти­рующей головки в снарядах для баллистических измерений. Для ослабления пироэлектрических эффектов имеются охлаждаемые во­дой адаптеры.

Разработан метод измерения вертикальных контактных напряже­ний под ступней с использованием набора пьезоэлектрическиx преоб­разователей, устанавливаемых в обуви. Перекрытие светового пучка приводит к запуску АЦП, который осуществляет выборку мультиплексированного сигнала от 500 преобразователей с частотой от 12,5 до 100 Гц. На одном типичном шаге (500 мс) при максималь­ной скорости сканирования генерируются от 50000 до 60 000 байт данных. Они запоминаются в ОЗУ микроЭВМ емкостью 64 К. ЭВМ выполняет затем различные расчеты, необходимые для преобразова­ния этих данных в вертикальные контактные напряжения, и отображает полученные результаты в графическом или алфавитно-цифровом виде на своем собственном мониторе.

8.10. ДАТЧИКИ СМЕЩЕНИЯ

В некоторых серийно выпускаемых системах с использованием кварцевых преобразователей (очень высокое сопротивление утечки) и электрометрических усилителей (очень высокое входное сопротив­ление) достигается эффективное полное сопротивление 10¹⁴ Ом, кото­рое обеспечивает очень малые полные утечки, позволяющие прово­дить почти статические измерения.

Пьезоэлектрические керамические головки звукоснимателей поз­воляют создать сверхдешевые устройства для измерения смещений. Их типичное сопротивление утечки ~ 10 ГОм. При использова­нии соответствующих высокоимпедансных усилителей заряда низко­частотная АЧХ может быть расширена на несколько порядков.

В литературе описаны динамические характеристики преобра­зователей и схемы излучения и приема сигнала для эхолотов. В этих устройствах осуществляются излучение и прием акустических им­пульсов и расчет расстояния по измеряемому времени прохождения сигнала.

8.11. ДАТЧИКИ ПОТОКА

В данном разделе рассматриваются принципы работы, практическое использование и сопряжение устройств, предназначенных для измере­ния потока жидкости или газа. Под измерением потока подразумевается либо измерение средней или локальной скорости потока, либо измерение массового или объемного расхода жидкости (газа). Устройства, измеряющие скорость потока (например, скорость ветра), обычно называют анемометрами, а устройства, измеряющие расход жидкости или газа, — просто датчиками расхода. Мы будем использовать обобщенное название этих устройств — измерители потока (flowmeters). В литературе освещается определенная группа методов измерения потока, основанных на од­ном и том же физическом принципе, последова­тельно обсуждаются тепловые, механические, гидродинамические (аэродинамические), электромагнитные и ультразвуковые методы.

Говоря ниже о скорости потока, мы имеем в виду скалярную вели­чину (т. е. модуль вектора скорости), поскольку большинство рас­сматриваемых в настоящей главе измерителей потока в своей простейшей конструктивной реализации не дают информации о на­правлении потока. Термин «текучая среда» (fluid) может относиться к жидкости или газу.

Различные измерители потока обеспечивают измерение различ­ных характеристик потока. Метод измерения, основанный на стацио­нарной инжекции тепла в поток, позволяет получить информацию о среднем массовом расходе жидкости или газа (кг/с). Гидродинамические (аэродинамические) методы и механический тур­бинный метод обеспечивают измерение среднего объемного расхода (м³/с). Электромагнитные и ультразвуковые измерители предназна­чены для измерения средней скорости потока (м/с). Тепловой конвек­ционный метод и гидродинамический метод с использованием трубки Пито позволяют измерить локальную скорость жидкости или газа в потоке. Разработчик измерительной системы должен точно знать, какая и

перечисленных характеристик потока подлежит измерению; это особенно важно знать для сжимаемой текучей среды.

Тепловые измерители потока

В тепловых измерителях потока используется нагреваемый элемент, устанавливаемый на пути потока жидкости или газа и обтекаемый этим потоком. Тепло передается от этого элемента к текучей среде с интенсивностью (Р, Вт), определяемой разностью температур (ΔT, °C) элемента и текучей среды, удельной теплоемкостью (с, Дж/кг • К) и скоростью (v, м/с) последней, а также профилем потока. На принципе передачи тепла от нагреваемого элемента в поток основаны два метода измерения потока. В конвекционном методе из-меряется количество тепла, рассеиваемого нагреваемым элементом, тогда как в методе стационарной тепловой инжекции определяется изменение температуры текучей среды, связанное с инжекциеи тепла в поток.