Виброприемник для измерения сектора колебательного смещения

 

Виброприемник для измерения величины и направления вектора колебательного смещения в данной точке колеблющегося тела содержит пьезоэлектрические элементы, служащие для измерения различных видов деформаций. В качестве пьезоэлектрических элементов применены соединенные между собой биморфный приемник, работающий на изгибных колебаниях, и приемник продольных колебаний, снабженные раздельными парами электродов. Технический результат - повышение точности измерения. 8 ил., 1 табл.

Известно, что в пластинах биморфного пьезоэлемента, выполненного в виде консольной балки (см. фиг.1), при поперечных колебаниях свободного конца в направлении АА' возникают механические напряжения разного знака, равные по величине в каждом поперечной сечении. В результате пьезоэффекта на внешних обкладках пластин (в случае поляризации, указанной на фиг.1) возникают заряды противоположного знака. При параллельном соединении внешних электродов эти заряды будут компенсироваться, и чувствительность приемника к поперечным колебаниям будет равна нулю. При последовательном соединении внешних электродов напряжения на них будут складываться в фазе, и чувствительность будет равна конечной величине. При продольных колебаниях свободного конца биморфного элемента (в направлении, указанном на фиг.1 стрелкой ВВ') в пластинах возникают равные механические напряжения одного знака, вследствие чего (при указанной на фиг.1 полярности пластин) на внешних электродах появляются заряды (и электрические напряжения) одинакового знака, которые при параллельном соединении электродов складываются, при последовательном - взаимно компенсируются (вычитаются).

Таким образом, при параллельном соединении внешних электродов биморфный элемент, изображенный на фиг.1, чувствителен только к продольным колебаниям (ВВ'), а при последовательном соединении - только к поперечным колебаниям (АА').

Если теперь разделить внешние электроды биморфного элемента так, как показано на фиг.2, а затем соединить одну пару электродов параллельно, а другую - последовательно, то с такого элемента можно получить два сигнала - один - пропорциональный поперечным колебаниям его свободного конца, а другой - пропорциональный продольным колебаниям. Если считать, что заделка второго конца элемента осуществлена жестко, то чувствительность элемента в вольтах на микрон не будет зависеть от частоты.

Чувствительность к поперечным колебаниям будет больше у части элемента, расположенной ближе к закрепленному концу - так как форма прогиба балки определяется выражением

у=0,707[ch kx-cos kx]-0,518[sh kx-sin kx]

σ≡у''≡0,707k²[ch kx+cos kx]-0,518k ²[sh kx+sin kx]

(см. фиг.3)

Если свободный конец биморфного элемента будет совершать колебания в некотором направлении ОС, находящемся в плоскости чертежа (см. фиг.4), то напряжение, снимаемое с последовательно соединенных электродов будет пропорционально проекции вектора ОС на вертикальную ось (ОСу), а напряжение, снимаемое с параллельно соединенных электродов, будет пропорционально проекции вектора ОС на горизонтальную ось (ОСх) (ось элемента).

Если затем эти напряжения подать соответственно на вертикальные и горизонтальные пластины осциллографа, то на экране осциллографа произойдет обратное сложение векторов, соответствующих проекциям ОСу и ОСх, и будет наблюдаться суммарный вектор, величина и наклон которого (при соответствующей предварительной калибровке) будут соответствовать величине и наклону вектора амплитуды колебаний ОС.

Для определения плоскости, в которой лежит вектор амплитуды колебаний , используется угловая зависимость чувствительности биморфного элемента к поперечным колебаниям, которая имеет форму косинусоиды (как у диполя).

Кроме рассмотренного виброприемника со сплошными пластинами и разделенными электродами (фиг.2) можно предложить другие варианты конструктивного оформления, например: виброприемник с разделенными пластинами при параллельном включении обеих пар пластин (см. фиг.5а) или виброприемник с разделенными пластинами с последовательным их включением (см. фиг.5б).

Предлагаемая конструкция виброприемника была проверена экспериментально. Чувствительный элемент был выполнен из пьезокерамических пластинок толщиной 1 мм.

Соединение с исследуемым образцом осуществлялось с помощью металлического конуса, приклеенного к свободному концу элемента. Для улучшения механического контакта в исследуемом образце были предварительно просверлены лунки, диаметром 1 мм и глубиной - 0,7 мм.

Второй конец был приклеен к массе весом около 30 гр, которая была развязана от корпуса - экрана с помощью резиновой прокладки.

На фиг.7 приведена экспериментальная характеристика направленности чувствительности биморфного элемента к поперечным колебаниям. На фиг.8 - снятые экспериментально эпюры распределения радиального и касательного смещений пьезокерамического цилиндрического преобразователя, работающего на 1-ой моде продольных колебаний по окружности. Там же приведены теоретические распределения, рассчитанные по формулам.

Чувствительность виброприемника, определенная экспериментально на ряде частот приведена в таблице.

Таблица частота 1 410 2030 чувствительность Вольт/микронизгиб 510 111013 прод.20 15015050  

Величина чувствительности достаточна для работы виброприемника прямо на вход осциллографа при измерении амплитуд ≥1μ.

Виброприемник предлагаемой конструкции может быть использован для определения величины амплитуды касательных и нормальных смещений (скоростей, ускорений) данной точки колеблющегося тела, а также для изучения распределения их на поверхности тела в широком диапазоне частот. Виброприемник позволяет также определять направление касательных смещений, а следовательно, и направление вектора колебательного смещения (скорости, ускорения).

Формула изобретения

Виброприемник для измерения величины и направления вектора колебательного смещения в данной точке колеблющегося тела, содержащий пьезоэлектрические элементы, служащие для измерения различных видов деформаций, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в ней в качестве пьезоэлектрических элементов применены соединенные между собой биморфный приемник, работающий на изгибных колебаниях, и приемник продольных колебаний, снабженные раздельными парами электродов.

РИСУНКИ