Типы и конструкции вибродатчиков

Таблица 1. Представление единиц измерения

Физический смысл	Единицы измерения	Представление	Вычисление
Размах колебаний	мкм, мм	Размах	2А
Энергия	мм/с	Среднеквадратическое значение (СКЗ)
Силы	м/с2	Пик	А

Для гармонического колебательного процесса можно указать ряд особенностей, которые характеризуют связь между скоростью ускорением и смещением.

Во-первых, для гармонического процесса скорость, ускорение и перемещение будут гармоническими функциями одной частоты, во-вторых, связь между их амплитудами линейная, и определяется с помощью соотношений: V=wA, W=wV, остальные Вы сможете без труда получить, пользуясь этими соотношениями. В-третьих, между фазами перемещения, скорости и ускорения существует сдвиг на 90°. Другими словами, скорость по фазе опережает перемещение на четверть периода, а ускорение опережает смещение на полпериода (180°) (см. Рис. 9).

Параметры вибрации

Иногда бывает так, что вибрация агрегата состоит из нескольких гармонических составляющих, в этом случае она называется полигармонической:

Полигармоническая вибрация не всегда выглядит во временной области[7] как периодический процесс, хотя она может состоять только из гармонических составляющих. Примером такой вибрации может служить колебательный процесс, состоящий из суммы двух гармоник, отношение частот которых является иррациональным[8] числом, к примеру, если отношение частот гармонических составляющих равно то процесс, получившийся в результате сложения этих гармоник будет непериодический:

Настало время поговорить о резонансах и собственных частотах колебаний. Частота, на которой возникают колебания в системе под действием начального возмущения (толчка) называется собственной частотой. Форма и частота собственных колебаний определяются массовыми и упругими свойствами (характеристиками) колеблющейся механической системы. В реальных системах собственные колебания затухают из-за неизбежных потерь энергии, вызванных наличием трения, но они могут быть достаточно долгими для того, чтобы мы смогли их увидеть и проанализировать. Механическая система может иметь различное число резонансов, зависящее от того, в каком частотном диапазоне мы исследуем движения системы. Чем уже частотный диапазон, тем меньшее число собственных частот в него попадает. На практике, мы работаем с агрегатами, работающими на частотах до 50 Гц. В этом частотном диапазоне агрегат обычно имеет несколько (до трех) собственных частот и форм.

Вид аналитических выражений для различных собственных частот и примеры форм и для этих колебаний приведены на рисунках... . При приближении частоты внешнего гармонического воздействия к частоте одного из собственных колебаний системы возникает резкое возрастание амплитуды установившихся вынужденных колебаний. Это явление получило название резонанс (франц. resonance, от лат resono – откликаюсь). Помимо роста амплитуды, при резонансе также должно происходить изменение фазы на 180° между силой, вызвавшей резонанс и реакцией системы на эту силу.

Колебательные системы

Системы с одной степенью свободы

Физический маятник (гармонический осциллятор)

Уравнения движения:

АХЧ ФХЧ

Математический маятник (масса на нерастяжимой и невесомой нити)

Собственная частота колебаний:

Системы с двумя степенями свободы:

Двухмассовая система

Уравнения движения:	АФХЧ
Схема системы:

Жесткая балка на двух упругих опорах (модель жесткого ротора)

Формулы для собственных частот:	1 форма	II форма

Типы и конструкции вибродатчиков

Датчиком или измерительным преобразователем называют средство измерения, преобразующее измеряемую физическую величину (перемещение, давление, температуру) в электрический сигнал, предназначенный для дальнейшей обработки в измерительном приборе. Очевидно, что вибродатчики (или вибропреобразователи - Рис. 18) предназначены для измерения колебательных величин. В зависимости от того, какую механическую величину датчик преобразует в электрический сигнал, измерительные преобразователи можно разделить на три типа. Первый из них называется акселерометром[9], и предназначен для преобразования ускорения в электрический сигнал.

Второй - велометр[10] используется для преобразования скорости в электрический сигнал, и проксиметр[11] , использующийся для получения сигнала, пропорционального смещению. Современные виброизмерительные приборы позволяют измерять все три кинематические характеристики колебательных процессов, при этом нет необходимости пользоваться различными датчиками, т.к. в приборе осуществляется преобразование одной характеристики в другую (другими словами, осуществляется интегрирование).

Следует отметить, что все датчики работают в ограниченном температурном диапазоне. Для обычного акселерометра рабочий диапазон температур составляет от -30°С до +80° С. Для установки на горячие поверхности необходимо использовать высокотемпературный пьезоакселерометр. в котором электронная часть преобразователя выносится в отдельный корпус. Эта мера позволяет расширить температурный диапазон до +260° С (или даже до +450°С, при использовании специальной керамики).

Рассмотрим конструкцию велометра (Рис. 19).

В основу работы измерительного преобразователя положено возникновение ЭДС[12] индукции, вызываемого электрическим полем, порождаемым переменным магнитным полем. Конструктивно датчик выполнен в виде цилиндрического корпуса, в котором расположена катушка индуктивности, внутри которой расположен магнит в упругом подвесе.

При колебаниях корпуса датчика магнит начинает колебаться под действием силы инерции, при этом в катушке возникает ЭДС, амплитуда и частота которой пропорциональна скорости и частоте колебаний корпуса датчика, жестко прикрепленного к исследуемой поверхности. АЧХ велометра представлена на Рис. 20.

На сегодняшний день пъезоакселерометры (Рис. 21) являются наиболее распространенным типом измерительных преобразователей.

Рис. 21

Действие пьезоэлектрического измерительного преобразователя основано на использовании прямого пьезоэффекта, т.е. свойств некоторых материалов (пьезоэлектриков) генерировать заряд, под действием приложенной к ним механической силы.

Конструктивно датчик выполнен в виде цилиндрического корпуса, внутри которого находится цилиндрический пьезоэлектрик, прикрепленный одним концом к корпусу датчика, а другим к инерционному элементу. При колебаниях датчика, прикрепленного на исследуемом объекте, инерционный элемент, пытаясь сохранить состояние покоя, воздействует на пьезоэлемент. Под действием этой силы, элемент деформируется и на нем возникает электрический заряд, пропорциональный ускорению колеблющейся массы. Для того чтобы обеспечить возможность использования длинного соединительного кабеля, в верхней части датчика располагают усилитель-преобразователь заряд-ток. АЧХ акселерометра представлена на Рис. 22.

Рассмотрим устройство проксиметра (Рис. 23). Этот датчик является наиболее простым по конструкции. В нем нет подвижных механических частей. На торцевой части цилиндрического нетокопроводящего каркаса, расположена катушка индуктивности, питание катушки осуществляется током высокой частоты (-300 кГц). Ток такой большой частоты используется для того, чтобы токи, индуцируемые в исследуемой поверхности ротора, текли только в поверхностном слое металла. При колебаниях зазора между ротором и датчиком, закрепленном на опоре, в колебательном контуре, образуемым датчиком и емкостью, входящей в состав усилителя, изменяется параметры контура: частота или амплитуда, пропорциональны частоте и значению амплитуды зазора. У такого измерительного преобразователя есть несколько «недостатков». Этот датчик способен измерять статические значения зазора. К тому же тяжело отличить несовершенство поверхности ротора от его механических колебаний. Очевидно, что для работы датчика необходимо специальное устройство, которое обеспечит генерацию питающего преобразователь тока и специальный детектор вибрации. АЧХ проксиметра представлена на Рис. 24