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

Рис. 24