Датчики ускорения, вибрации и удара
5.9.1. Общие положения
В датчиках ускорения используются физические явления (фундаментальные законы механики), позволяющие получить на их основе соотношения между ускорением, силой и массой.
По условиям экспериментов имеют место различные диапазоны измеряемых ускорений (по амплитуде и диапазону частот):
- ускорения на относительно малых частотах с малыми значениями (действуют на движущиеся объекты – самолеты, ракеты, морские транспортные средства);
- вибрационные ускорения жестких конструкций или больших масс в диапазоне высоких частот;
- вибрационные ускорения средней величины в диапазоне высоких частот (действуют на легкие конструкции);
- удар, представляющий собой импульсные ускорения высоких уровней.
В общем случае вибрацию можно охарактеризовать (в дополнение к частоте):
- перемещением;
- скоростью;
-ускорением.
Наиболее подходящим датчиком для измерения вибраций и ударов часто является акселерометр.
Этому способствует ряд причин.
Одна из них заключается в том, что измерение ускорения всегда позволяет определить скорость или перемещение путем однократного или двукратного интегрирования. При этом необходимо отметить, что обратная операция (дифференцирование) нежелательна из-за уменьшения соотношения сигнал/шум, присущего операции дифференцирования
Вторая причина – это то, что датчики ускорения являются измерительными приборами, которые осуществляют абсолютные измерения и не требуют какой-либо точки отсчета.
5.9.2. Принцип действия сейсмических датчиков
Акселерометр может служить примером, иллюстрирующим частотную реакцию систем второго порядка.
В наиболее общем виде такой датчик (в зависимости от диапазона частот) может быть датчиком перемещения, скорости или ускорения, которым подвергается корпус прибора.
Конструктивная схема датчика приведена на рисунке 5.23,
где 1 – корпус; 2 – демпфер; 3- чувствительная масса; 4 – возвратная пружина.
Как следует из рассмотрения рисунка, сейсмический датчик состоит из:
- механической части, включающей массу М и элемент, связывающий ее с корпусом (кристалл пьезоэлектрика, пружина, гибкая пластина и т.д. и
- устройства преобразования в электрический сигнал параметров движения этого элемента, являющихся вторичной измеряемой величиной m2
Рассматриваемая система является системой с одной степенью свободы.
Пусть h0- ордината точки a на корпусе датчика;
h - ордината точки b на сейсмической массе.
В отсутствии ускорения, приложенного к корпусу, ордината точки b совпадает с ординатой точки a, т.е. h = h0.
Обозначим через перемещение массы M относительно корпуса.
Уравнение равновесия запишется в виде:
(5.86)
или
. (5.87)
В правую часть выражения (5.87) входят:
- возвращающая пружину в положение равновесия сила;
- сила вязкого трения;
- сила, вызванная ускорением массы (инерционная).
В самом общем виде тип и конструкция датчика, предназначенного для измерения первичной измеряемой величины (перемещение , скорости , ускорения ) зависят от:
- параметров, выбранных в качестве вторичной измеряемой величины ( , , );
- диапазона частот, определяющего, какой из трех членов ( , или ) является доминирующим.
Чувствительность датчика S можно описать соотношением:
, (5.88
где - механическая чувствительность датчика первичной измеряемой величины;
- чувствительность вторичного датчика (преобразователя).
На практике в качестве вторичного датчика пользуются датчиками относительного положения сейсмической массы, либо датчиками относительной скорости.
Типы сейсмических датчиков движения и их параметры приведены в таблице 5.4.
Таблица 5.4. Принцип действия и параметры сейсмических датчиков движения
Тип датчика | Первичная измеряемая величина | Вторичная измеряемая величина | Преобразователь |
Сейсмометр | Абсолютное перемещение | Относительное перемещение | Потенциометр, трансформатор |
Вибрационный датчик скорости | Абсолютная скорость | Относительная скорость | Переменная индуктивность |
Акслерометр | Абсолютное ускорение | Относительное перемещение , деформация, восстанавливающая сила | Потенциометр, трансформатор, пьезоэлектрический элемент |
Перепишем общее уравнение в символическом виде путем преобразования Лапласа с оператором p:
. (5.89)
Из последнего выражения имеем
. (5.90)
Введем далее обозначения
.
Тогда из (5.90) получим
. (5.91)
По физическому смыслу здесь:
- собственная круговая частота колебаний массы M на пружине с жесткостью c( - собственная частота);
- коэффициент демпфирования.
Для режима синусоидальных колебаний после подстановки из выражения (5.91) можно перейти в частотную область исследований.
Рассмотрим несколько случаев.
Сейсмический датчик перемещений
В этом случае чувствительность
,
где в соответствии с таблицей 5.4 имеем , а .
Тогда (5.91) дает
(5.92)
В этом случае - фильтр верхних частот второго порядка с частотой среза .
Амплитудно-частотная характеристика имеет вид, представленный на рисунке 5.24.
Использование такого датчика ограничено для измерения вибрационных перемещений, т.к. их частота .
Сейсмический датчик скорости
При измерении скорости вибрационных колебаний можно воспользоваться в качестве вторичной измеряемой величины относительным перемещением .
Первичная чувствительность в этом случае согласно (5.91) запишется
. (5.93)
Рабочий диапазон частот определяется членом в знаменателе (5.93). Для его увеличения нужно увеличивать демпфирование. Но это плохо, поскольку в этом случае уменьшается быстродействие датчика. Поэтому лучше в качестве вторичной величины брать относительную скорость .
Тогда
, (5.94)
что аналогично датчику перемещений (см. (5.92)).
Преобразование скорости перемещения относительно корпуса в электрический сигнал обычно обеспечивается катушкой, связанной с массой M, и перемещающейся относительно магнитного сердечника, скрепленного с корпусом датчика.
Принципиальная схема сейсмического датчика скорости представлена на рисунке 5.25, где 1- магнитный сердечник; 2 – катушка; 3- чувствительная масса; 4 – пружина; 5 – демпфер; 6 – движущаяся конструкция; eт – э.д.с., индуцируемая в катушке за счет движения массы M.
Сейсмический датчик ускорения
Входная величина – ускорение - измеряется либо в [м/с] либо в [g].
Перемещение - вторичная измеряемая величина, которая определяется одним из 3 – х способов:
- непосредственно акселерометрами, снабженными потенциометрами, трансформаторами, переменными емкостями;
- посредством деформации упругого чувствительного элемента, поддерживающего сейсмическую массу, т.е. тензометрическими акселерометрами;
- посредством восстанавливающей силы Cz, пропорциональной перемещению , т.е. пьезоэлектрическими акселерометрами.
Первичная чувствительность в этом случае определяется в соответствии с (5.91) как
, (5.95)
и является фильтром нижних частот.
Дата добавления: 2021-12-14; просмотров: 404;