Способ измерения вибраций

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (л)5 G 01 Н 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

U йР xosIn (cu т), dmlm

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4781808/28 (22) 16.01.90 (46) 07.08,92; Бюл. % 29 (71) Каунасский политехнический институт (72) А.В. Мозурас, Л.P. Паташене, К.M. Рагульскис и С.Б. Славицкас, (56) Макеев В.П. Новая конструктивная схема построения пьезоэлектрических акселерометров, нВибрационная техника", M., МДНТП, 1976, с.8.

Приборы и системы для измерения вибраций, шума и удара. Справочник под ред.

Клюева В.В., М., Машиностроение, 1978, кн.1, с.49 — прототип.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров механических колебаний с помощью пьезопреобразователей.

Известен способ измерения параметров движения с помощью пьезодатчика, определяющий амплитуду колебаний обьекта по изменению напряжения на пьезоэлементе. При этом считается, что амплитуда напряжения на пьезоэлементе пропорциональна амплитуде хя гармонических колебаний объекта где бзз- пьезомодуль пьезоэлемента датчика в направлении вибраций;

Е, Е о — ОтнОСительная диэлектричЕская проницаемость пьезоэлемента и электрическая постоянная;

„, Ы2,„1753293 А1 (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров механических колебаний. Цель изобретения — повышение точности путем учета нелинейности сигнала" пьезодатчика. При реализации способа устанавливают пьезодатчик на поверхности вибрирующего обьекта, регистрируют сигнал датчика, дифференцируют по времени сигнал, по характерным интервалам времени, измеренным между"экстремальными значениями продифференцированного сигнала с учетом выведенных рабочих соотношений, судят об амплитуде механических колебаний. 1 ил.

1, S — толщина и площадь поверхности пьезоэлемента;

rn — масса инерционного элемента датчика; earn@ в- циклическая частота колебаний.

Однако точная формула для расчета на- (Л пряжения на пьезоэлементе, которая выводится из формулы (1), является следующей:

U > (иРхо sin(rut) + —. пансо sln2 (an)3, (2) О дед (т 4 а 2 где ззз — упругая постоянная пьезоматериала в направлении вибраций.

Сравнивая формулы (2) и (1) видно, что в при расчете х ïî формуле (1) сталкиваются с погрешностью измерения, которая тем больше, чем больше уровень вибраций. Это является недостатком способа. Кроме того в способе для определения хо нужно дополнительно определить бзз, е, I, так как они входят в рабочее выражение (1).

1753293 х - хо$1п(аt). (3) Однако и в этом способе закан зависимости U от х считают линейнь|м; т.е; в качестве расчетной формулы для айределения хо принимают формулу (1), и сталкиваются с систематической погрешностью измерения. Недостатком также является то, что нужно дополнительно определять параметры бзз, е, 1, входящие в расчетную формулу (1), и низкое отношение С(Ш.

Цель изобретения — повышение точности путем учета нелинейностей.

Сущность изобретения заключается в том, что при дифференцировании по временй"най рйкения на пьезоэлементе, измерении характерных интервалов времени и определении х представляется возможность повысить точность из-за учета нелинейностей основной зависимости, На чертеже представлен характерный ход информативного сигнала, полученного путем дифференЦирования по времени напряжения пьезодатчика (2) при изменении виброперемещения по закону (3).

Способ осуществляют следующим образом.

Устанавливают пьезодатчик на вибрирующем объекте. Регистрируют выходной сигнал пьезоэлемента датчика. Информативный сигнал получают, дифференцируя по времени выходной сигнал пьезоэлемента. Условно принимают второй экстремум из любой пары ближних соседних экстремумов информативного сигнала за первый, измеряют интервал времени Лц между первым и и-тым экстремумами (и — четное число, n 2) и интервал времени между первым и (n+1)-м экстремумами последнего сигнала, а амплитуду колебаний определяют по формуле з Р (4)

2 п Узз соз (ла (й /Ж вЂ” 1)/2) Т" где А - сто (д п(Ь11/At - 1}/2; ззз — упругая постоянная пьезоматериала датчика в направлении вибраций;

$ — площадь пЬверхности пьезоэлемента датчика; е - масса инерционнога элемента датчика.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения амплитуды хо механических колебаний объекта по напряжению на пьезоэлементе датчика, установленного на объекте. Если вибрация объекта гармоническая, тогда виброперемещение изменяется по закону

В предлагаемом способе учтены нелинейности (исключены систематические погрешности прототипа), так как рабочая формула (4) выведена из (2) с учетом всех нелинейностей (без приближенных допущений), что повышает точность в среднем 3,5 раза.

Расширен динамический диапазон измерений, так как в предлагаемом способе соотношения точные, в то время как в прототипе из-за принятого допущения линейности ограничивают динамический диапазон измеПриведем вывод формулы (4), Пусть виброперемещение объекта изменяется по закону(3). Выражение(2) представляет зависимость напряжения

5 пьезоэлемента U or времени t. Дифференцируем (2) па времени t и получаем зависимость информативного сигнала от времени т. Для нахождения условия экстремума информативного сигнала еще раз дифферен10 цируем предыдущую зависимость rio времени. Приравниваем в результате этого полученное выражение нулю и получаем соотношение, связывающее искомую амплитуду механических колебаний хо с фазой

15 максимума информативного сигнала (Gent)max.

Учитывая соотношения, связывающие фазу максимума информативного сигнала (в ) с характерными интервалами времени At> и

A t из предыдущего соотношения выражаем

20 хо и получаем расчетную формулу способа(4).

В способе предусмотрена вазможность по большим интервалам времени (в смысле того, чта информация может быть получена не только по одному, но и по любому числу

25 периодов информативного сигнала), определять хо, что также повышает точность измерений.

Для реализации способа использовался пьезодатчик на основе LiNb0z. Сигнал пьезо30 элемента усиливался и дифференцировался по времени с помощью аналогового дифференциатора. Прадифференцированный сигнал отображался на экране осциллографа. flo характерным точкам информативного сигна35 ла с учетом данных развертки осциллографа измерялись интервалы времени Лt> и At.

Технические данные использованного пьезодатчика являются следующими: S = 10 6 м, m =5 10 кг, ззз=4,9 10 Па . Предла40 гэемый способ позволяет в широком диапазоне виброперемещений (10 -10 ) м измерять вибрации.

Для определения хо не надо дополнительно определять бзз, г, 1, что видно из

"5 рабочей формулы(4), вто время как в прототипе это необходимо, 1У53293

Составитель А.Мозурас

Техред М.Моргентал Корректор П.Гереши

Редактор О.Головач

Заказ 2760 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного 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 рений, чтобы не возросли систематические ошибки.

По сравнению с известными способами, например измерений с помощью индуктивных датчиков, предлагаемый способ имеет преимущества, связанные с линеаризацией измерений, широким динамическим диапазоном и компактностью.

Формула изобретения

Способ измерения вибраций, заключающийся в том, что на контролируемый объект устанавливают пьезодатчик, регистрируют выходной электрический сигнал пьезодатчика, по которому судят об амплитуре вибраций объекта, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности путем учета нелинейности сигнала пьезодатчика, электрический выходной сигнал пьезодатчика дифференцируют по времени, определяют временной интервал Ьц между любым из экстремумов полученного сигнала, который принимают за первый, и и-м экстремумом этого сигнала, считая n - 2k, 5 где k = 1,2,3..., измеряют временной интервал Л t между первым и (и+1)-м экстремумами сигнала, а амплитуду колебаний объекта определяют по формуле э 2

А

10 2 п 5д cps (лп (й, /д — gyp) (Т вЂ” А) где А - ctg t л п(Л и/Л т - 1)/2); эзз — уп ругая постоянная и ьезометрическая пьезодатчика;

15 $ — площадь поверхности пьезоэлемента пьезодатчика;

m — масса инерционного элемента пьезодатчика..