Способ градуировки виброакустического тракта

 

Изобретение относится к виброакустическим измерениям и может быть использовано при градуировке виброизмерительных трактов с пьезопреобразователями на входе о широком диапазоне частот в натурных условиях эксплуатации. Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей за счет проведения градуировки виброакустического тракта в натурных условиях без демонтажа вибропреобразователя с объекта Перед установкой вибрспреобразователя на ббъект измеряют его присоединенную массу, а градуировку тракта проводят по найденной зависимости между чувствительностью вибропреобразователя и его электрофизическими характеристиками . 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 04 R 29/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4718189/10 (22) 18.04.89 (46) 07.09.91.Бюл.№ 33 (75) В.П,Ревенко (53) 534.232(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР ¹ 862398, кл. Н 04 R 29/00, 1981. (54)СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ВИБРОАКУСТИЧ Е С КО ГО ТРАКТА (57) Изобретение относится к.виброакустическим измерениям и может быть использовано при градуировке виброизмерительных трактов с пьезопреобразователями нв входе

Изобретение относится к виброакустическим измерениям и может быть использовано при градуировке виброизмерительных трактов с пьезопреобразователем на входе в широком диапазоне частот в натурных условиях эксплуатации, Целью изобретения является расширение эксплуатационных воэможностей эа счет проведения градуировки в натурных условиях без демонтажа вибропреобразователя с объекта. На фиг.1 представлена эквивалентная электромеханическая схема вибропреобразователя в дорезонансной частотной области; на фиг,2 — функциональная схема устройства, реализующего способ.

Схема содержит корпус 1, к которому одним концом прикреплена упругая пружина 2 жесткости.с, а другим концом — к инерционной массе 3, поджатой к пьезоэлементу

4. Станина 5 вибропреобразователя жестко

„„5U„„1676115 А1 в -:мирском диапазоне частот в натурных условиях эксплуатации. Цель изобретения— расширение эксплуатационных воэможносте :, за счет проведения градуировки виброакустического тракта в натурных условиях без демонтажа вибропреобразователя с объекта. Перед установкой вибропреобразователя на объект измеряют его присоединенную массу,.а градуировку тракта проводят по найденной зависимости между чувствительностью вибропреобразователя и его электрофизическими характеристиками. 2 ил. прикреплена к исследуемому объекту и корпусу 1, Устройство содержит вибропреобразователь 6, генератор 7 тока, виброэлектрический тракт 8, коммутатор 9, измерительный вольтметр 10 и регистрирующий прибор 11.

Способ градуировки виброакустического тракта состоит в следующем.

Перед установкой вибропреобразователя на объект определяют его присоединенную инерционную массу m, которая имеет временную стабильность, превосходящую точность градуировки. Для корректного определения инерционной массы m и получения функциональной связи между чувствительностью и импедансом вибропреобразователя рассмотрим его эквивалентную электромеханическую схему (фиг.1).

При перемещении корпуса 1 вибропреобразователя на верхнюю грань пьезоэле1676115 мента 4 действует усилие N, которое согласно законам Ньютона и Гука равно

N = — mg — (у — () с, (1) где и X— - соответственно смещение корпуса вибропреобразователя и инерционной 5 массы.

Уравнения состояния, описывающие работу пьезоэлемента на низких частотах со, можно представить в виде о 1О еу = — M — j — -1-=- I

F вF (2)

О = — -9 — N — ) - —;.-1, J,È

Г вГ где) — число, мнимая единица, ек- деформация пьезоэлемента, 1 — ток, протекающий через пьезоэлемент; U — электрическое напряжение на обкладках пьезоэлемента; S

-- гибкость пьезоэлемента в режиме холоСтого хода F площадь торца пьезоэлЕмен- О та; Р- диэлектрическая непроницаемость

Свободного, пьезоэлемента; g — пьезоконСтанта давления; 1 — толщина пьезоэлемента.

Деформация пьезоэлемента выражает- „

Ся через перемещения

Х"1ж= 1 (3)

Работу вибропреобразователя испольЗуют в стационарном режиме, когда

g=gое ; =(е U =Uîе

l =loe (= — —, JNt . а (4) в где Ко, о, Uo, lo — амплитудные значения

Соответствующих величин;

35 а — ускорение исследуемого объекта.

Уравнения состояния пьезоэлемента (2)

С учетом выражений (1), (3) и (4) преобразуют к виду

4О

Ко + — — Р ((гп в -- с ) о

)-„,jlo оl (Й

Uo = - ((m QP — c ) go — --" —, C j - J Jo

При измерении уровня вибрации вибропреобразователь работает как приемник, лерпающий энергию из вибрации исследуе- 5 мого объекта и выделяющий преобразованчую электрическую энергию на импедансе нагрузки.

Рассмотрим работу преобразователя при нагружении его на электрической сто- -55 роне генератором тока и при отсутствии внешней вибрации (исследуемый объект чакодится в спокойном состоянии).

Из требований к условиям эксплуатации вибропреобразователя исследуемая поверхность, к которой крепится вибропреобразователь, должна иметь массу ьл.жесткость, многократно превышающие значения параметров эквивалентной -схемы вибропреобразователя гп и с, т.е. в этом случае (:= О.

Импеданс 7(в) — -- Uo/lo вибропреобразователя находят из системы уравнений (5), полагая @ =О .„() 1 1 — в2 Ъ2 рез в Со 1 — иР/аР ан

F SD иРан где Co = емкость вибро1ДЯ в рез преобразователя на низких частотах, „2. Л .- )

, с. + РlеЯ ) ез - — — — ЧаСТаТа РЕ30гьь нанса виброп реобразователя, (c+F/e SD) взн

ITI .частота а нти резонанса вибрап реобразователя;

S — гибкость пьезоэлемента в режиме

F короткого замыкания.

Формула (6) определяет импеданс вибропреобразователя на низких частотах до частоты первого резонанса. Коэффициенты, входящие в формулу (6), определяются при измерениях на электрической стороне вибропреобразователя.

Измерение емкости С производится на низких частотах при отключенном измерительном тракте 8, Генератор 7 тока падает синусоидальн ый ток lp, амплитуда которого измеряется амперметром, а напряжение Uo, вольтметром 10, Емкость вольтметра намного меньше емкости пьезоэлемента, а GO противление намного больше сопротивления пьезоэлемента, Емкость пьезоэлемента определяется по формуле о

Uo во где во — частота подаваемого тока.

Для измерения частоты резонанса от генератора 7 тока подается ток, амплитуда которого прямо пропорциональна частоте в (l=lp в, lо — некоторый постоянный коэффициент), и частота резонанса определяется при достижении максимального значения напряжения Umax (врез ) на измерительном вольтметре 10, При дальнейшем увеличении частоты определяется частота антирезонанса W«, при которой измеряемое вольтметром напряжение достигает минимума UmI> (а ), Определяют чувствительность вибропреобразователя по напряжению в режиме

1676115 измерения вибраций. Учитывая, что большинство виброизмерительных каналов имеет входное сопротивление намного большее собственного импеданса вибропреобразователя, в уравнениях (5) можно пренебречь членами, содержащими переменную 1з. Решая систему уравнений (5), получают выражение чувствительности Виб ропреобразователя в виде о а S004„1 — в2 N2„ где взн — частота антирезонанса вибропреобразователя.

Сравнивая выражение импеданса вибропреобразователя (6) с найденным значением чувствительности (Bj, находят имеющуюся между ними функциональную связь

М (в) =12(в)1в >

1 — ц lй рез

8)

Соу где К1 — —. статический коэффици. Р о4. ент пропорциональности.

Можно определять коэффициент К, проводя измерение только электрических характеристик преобразователя. Учитывая выражение резонансных и антирезонансных частот (6), а также зависимость между гибкостью пьезоэлемента в режиме холостого хода S и короткого замыкания S

2 Е 0+g (10) определяют разность

a3. — оф.. = — я — — " -"- (1 1) н ез—

С учетом выражения (11) статический коэффициент пропорциональности К> равен

К1 п <о (И н врез )

1 ефез Взк (12)

Если коэффициент К известен, то можно осуществить градуировку виброизмерительного тракта, проводя только одни электрические измерения.

: Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) А (в) виброизмерительного тракта, который содержит вибропреобразователь и измерительный канал, равна а (в) = — = M (в) К(в), 0 где Ор — уровень электрического сигнала на выходе измерительного тракта; а — уровень вибрации, воздействующий на вибропреобразователь, К(в) — передаточная функция электрического измерительного тракта.

Модуль электрического импеданса виб5 ропресбразователя 2(в) определяют (фиг.2), подавая генератором 7 ток 1(в) прямо пропорциональна зависящий от частоты (1 (и) = в1), и регистрируя измерительным прибором 11 напряжение Up на выходе электрического. тракта

"0 . U 0

1 {в)1— (1(в) К в в!,К в

14)

Используя связь между чувствительностью-: и импедансом (9), получают значение чувствительности вибропреабразователя в виде

1о К (> ) 1 — о// ф

Следовательно, АЧХ виброизмерительнога тракта можно определить, учитывая соотношение (13), по следующей формуле: ÊX, U

А(в,—

1 1 — Рl(4

25 где значение статического коэффициента пропорциональности Ki дано выражением (12).

В выражении (12) все величины, кроме значения корня квадратного из массы по3р движной части вибропреобразователя, определены путем измерения электрических характеристик вибропреобразователя..

Для измерения массы подвижной части вибрап реобразователь перед установкой на

35 объект устанавливают на вибростенд и измеряют на низкой опорной частоте его чувствительность М>, на этой же частоте измеря ют емкость виброп реобразователя

Со, .а также измеряют частоту резонанса

40 в рз и антирезонанса в озн.

После этого корень квадратный из присоединенной массы подвижной части находят по формуле

45 m—

Формула изобретения

Способ градуировки виброакустическо50 го тракта, заключающийся в воздействии на вибропреобразователь электрического тока, амплитуда которого пропорциональная его частоте, и регистрации выходного электрического сигнала, о — л и ч а ю шийся

55 тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей за счет обеспечения возможности градуировки в натурных условиях без демонтажа вибропреобразователя с обьекта, предварительно определяют приА(в) = — О 1

1о, К1 — gp/гф где в- круговая частота;

Up — напряжение на выходе виброакустического тракта;

Составитель С.Юдин

Техред М.Моргентал

Редактор M. Янкович

Корректор Э. Лончакова

Заказ 3015 . Тираж 362 Подписное

ВНИИПИ! осударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

7 167 веденную инерционную массу вибропреобразователя, а при воздействии электрического тока измеряют на низкой частоте емкость вибропреобразователя, частоту резонанс и частоту антирезонанса и чувствительность виброакустического тракта определяют из выражения !

6115 8

4 — коэффициент пропорциональности подаваемого на вибропреобразователь тока

I-.:!о в е ; вр — частота резонанса вибропреобразователя; рактеристика чувствительности вибропреобразователя тракта;

Со — емкость вибропреобразователя на низких частотах; иЪн — частота антирезонанса вибропреобразователя;

m — инерционная масса вибропреобразователя.