Пьезоэлектрические акселерометры

Пьезоэлектрический акселерометр является вибродатчиком, отдающим электрический сигнал переменного тока.

Из закона сохранения энергии следует, что на выходе любого устройства (в том числе акселерометра) нельзя получить энергию в отсутствии энергии на выходе этого устройства. Приложенная на пьезоэлементы акселерометра статическая сила не сопровождается присутствием энергии на входе последнего. Следовательно, пьезоэлектрический акселерометр вообще не отдаёт сигнал постоянного тока. Самый простой и широко распространённый на практике метод проверки акселерометров и содержащих последние комплектов и систем основывается на применении опорного источника механических колебаний с точно определёнными параметрами, т.е. калиброванного вибростенда.

Требования, предъявляемые к качеству поверхности исследуемого или испытуемого объекта.

Одним из важных условий сохранения большого значения частоты резонанса закрепленного акселерометра и, следовательно, широкого рабочего частотного диапазона последнего является как можно высокое качество (ровность, гладкость и чистота) поверхности исследуемого или испытуемого объекта на и вблизи места крепления акселерометра. Отметим, что загрязненную поверхность необходимо тщательно очистить, возможно, с применением соответствующего промышленного растворителя, например, ацетона.

Поперечная чувствительность.

Pezoelektricheskie-akselerometry1Пьезоэлектрические акселерометры чувствительны не только к механическим колебаниям в направлении их главной (продольной) оси, но в некоторой степени и к колебаниям в перпендикулярной к этой оси плоскости. Значение поперечной чувствительности выражается в процентах от значения чувствительности в направлении главной оси. Идеальным считался бы акселерометр с нулевой поперечной чувствительностью. Однако, небольшие неточности пьезоэлементов и металлических деталей на практике исключают возможность создания идеальных акселерометров, вообще нечувствительных к поперечным колебаниям. В процессе производства акселерометров большое внимание уделяется чистоте и однородности используемых пьезоэлектрических материалов и точности обработки, доводки и сборки отдельных деталей. Таким образом, поперечная чувствительность находящихся о надежном состоянии и прочно закрепленных на ровной и чистой поверхности акселерометров на частоте 30 Гц не превышает 4% от их номинальной чувствительности в направлении главной оси.

Поперечная чувствительность надежно закрепленных акселерометров не превышает 10% от их номинальной чувствительности в направлении главной оси на всех частотах в диапазоне с верхним пределом, равным вычисленному на 6 значению соответствующей резонансной частоты. На частотах, близких (коэффициент умножения прибл. 1/3) частоте резонанса закрепленного акселерометра, практически нельзя определить точное значение поперечной чувствительности. Это обусловлено находящимся в соответствующей области поперечным резонансом акселерометра.

Pezoelektricheskie-akselerometry2

Диаграмма, способствующая определению относящихся к различным направлениям значений поперечной чувствительности акселерометра.

Места крепления акселерометров.

Расположение мест крепления акселерометров часто непосредственно связано с целями соответствующих исследований. Нужно подчеркнуть, что при выборе мест крепления следует учитывать необходимость совпадения оси максимальной чувствительности (главной оси) закрепленного акселерометра с направлением, соответствующим условиям осуществляемых исследований. Корпус закрепляемого акселерометра целесообразно направить так, чтобы упомянутая красная метка совпадала с направлением поперечных колебаний с максимальными амплитудами. Соблюдение этого указания способствует существенному уменьшению влияний поперечных колебаний исследуемого или испытуемого объекта.

Места крепления акселерометров нужно выбирать с учетом достижения как можно коротких и хорошо определенных путей распространения механических колебаний от их источников к используемым вибродатчикам. Между источниками механических колебаний и местами крепления акселерометров должны находиться лишь жесткие элементы, в то время как упругие и/или демпфирующие элементы (пружины, прокладки и др.) нужно по мере возможности исключить. Например, при исследованиях механических колебаний оборудования вращательного действия оптимальными с точки зрения крепления акселерометра или акселерометров являются корпуса подшипников.

При исследованиях механических колебаний часто нужна информация, относящаяся лишь к одной из главных осей (вертикальной или горизонтальной) учитываемого оборудования. Однако, применение трехкомпонентного акселерометра даёт возможность одновременных исследований механических колебаний в направлениях трех взаимно перпендикулярных осей.

Переходная характеристика акселерометра.

Pezoelektricheskie-akselerometry3

При исследованиях кратковременных (переходных, импульсных и др.) механических колебаний и механических ударов необходимо уделять особое внимание линейности используемой виброметрической аппаратуры, так как всякого рода нелинейность любого элемента обуславливает искажение формы волны отображающих исследуемые процессы сигналов. Пьезоэлектрические акселерометры являются высоколинейными вибродатчиками, способствующими неискажённой обработке разного рода кратковременных механических колебаний и ударов. В содержащих эти акселерометры системах вероятной причиной искажений и других затруднений являются используемые совместно предусилители и, чаще всего, различные интеграторы и/или фильтры. Однако, для обеспечения нужных точности, надёжности и воспроизводимости результатов при исследованиях кратковременных механических колебаний и механических ударов целесообразно учитывать рассматриваемые ниже явления и процессы.

Частота незатухающих собственных колебаний.

Частота незатухающих собственных колебаний является одним из основных параметров акселерометров, несмотря на ее весьма ограниченное применение в области виброметрической практики. Один из методов определения незатухающих собственных колебаний предполагает возбуждение подвешенного на соответствующем соединительном кабеле акселерометра сигналом переменного тока, сообщаемым ему соответствующим генератором через конденсатор емкостью 1 нФ. Частота незатухающих собственных колебаний по определению является частотой, при которой напряжение сигнала возбуждения и протекающий через акселерометр ток точно совпадают друг с другом по фазе. Приближенное значение этой частоты определяется при помощи осциллоскопа, на экране ЭЛТ которого одновременно изображаются напряжения на выводах акселерометра и на упомянутом конденсаторе, причем искомый результат получается при достижении равного 90° фазового сдвига упомянутых напряжений. При практическом применении этой системы осуществляется настройка частоты сигнала возбуждения до достижения на экране ЭЛТ осциллоскопа фигуры Лиссажу в виде окружности, соответствующей равному 90° сдвигу по фазе. Частота незатухающих собственных колебаний акселерометра потом равна частоте настройки отдающего сигнал возбуждения генератора.

Номограмма для пересчёта значений различных величин механических колебаний.

Показанная ниже номограмма отображает в графическом виде соотношения между различными величинами механических колебаний, т.е. частотой, перемещением, скоростью, и ускорением гармонических механических колебаний. На основе значений двух величин можно по этой номограмме определить соответствующие значения остальных двух величин механических колебаний. Для увеличения изображения щелкните по нему левой кнопкой «мыши».

Pezoelektricheskie-akselerometry4
Источник: Справочник по теории и эксплуатации.

Пъезоэлектрические акселерометры и предусилители. Брюль и Къер.