Составные части комплекта виброизмерительной аппаратуры.

Датчики вибрации.

Датчики предназначены для преобразования механической вибрации в аналоговый электрический сигнал. Наибольшее распространение получили три типа датчиков: пьезодатчики (пьезоэлектрические акселерометры), индукционные датчики и токовихревые датчики.

Пьезодатчики.

Используются для измерения абсолютной вибрации. Принцип действия этих датчиков основан на пьезоэффекте: генерации электрического сигнала, пропорционального ускорению при сжатии или растяжении пьезокристалла.

Положительными качествами этих датчиков являются:

широкий диапазон частот работы;

прочность конструкции;

компактность; Недостатки:

возможна перегрузка пред усилителя.

Индукционные датчики.

Используются для измерения абсолютной вибрации. Принцип действия индукционных датчиков основан на эффекте электрической индукции, т.е. генерации электрического сигнала, пропорционального скорости, в катушке которая движется относительно постоянного магнита.

Положительными качествами этих датчиков являются:

высокий уровень выходного сигнала, позволяющий не применять предусилители;

большое отношение сигнал/шум; Недостатки:

большие, по сравнению с пьезодатчиками, размеры и вес;

ограниченный частотный диапазон измерений и диапазон рабочих температур;

относительно высокая стоимость.

Токовихревые датчики.

Используются для измерения относительной вибрации.

Положительными качествами этих датчиков являются:

возможность непосредственного измерения колебаний и положения ротора относительно подшипников;

низкий порог чувствительности: возможность измерения малых уровней колебаний вала; Недостатки:

сложность установки;

сложность настройки.

Рассмотрим подробнее пьезодатчики. Пьезодатчик является универсальным вибродатчиком, в настоящее время применяемым почти во всех областях измерения и анализа вибрации в промышленности. Эксплуатационные параметры пьезодатчиков в общем случае лучше, чем у любого другого типа вибродатчиков. Пьезодатчики отличаются широким рабочим динамическим и частотным диапазонами измерений, прочной конструкцией, надежностью и высокой стабильностью параметров.

Так как пьезодатчики являются активными датчиками, генерирующими пропорциональный ускорению механических колебаний электрический сигнал, при их эксплуатации не требуется источник питания. Отсутствие движущихся элементов конструкции исключает возможность износа и гарантирует исключительную долговечность пьезодатчиков. Отметим, что отдаваемый пьезодатчиком сигнал, пропорциональный ускорению, можно интегрировать с целью измерения и анализа виброскорости и виброперемещения механических колебаний.

Основной частью пьезодатчика является чувствительный элемент из пьезоэлектрического материала, в качестве которого используется искусственно поляризованная ферроэлектрическая керамика. Подвергаемый действию силы (при растяжении, сжатии или сдвиге) пьезоэлектрический материал генерирует на своих поверхностях, к которым прикреплены электроды, электрический заряд, пропорциональный воздействующей силе.

Конструкция датчика предусматривает наличие инерционной массы, воздействующей на пьезоэлемент с силой, пропорциональной ускорению механических колебаний в соответствии с законом Ньютона, согласно которому сила равна произведению массы и ускорения.

На частотах, значительно меньших резонансной частоты общей системы масса — пружина (см. рис. 2 — 08) ускорение инерционной массы совпадает с ускорением его основания и, следовательно, отдаваемый пьезодатчиком электрический сигнал пропорционален ускорению воздействующих на него механических колебаний.

Представленный на рынке широкий ассортимент вибродатчиков способен удовлетворить различные запросы пользователя. При приобретении определенного типа датчика всегда приходится выбирать компромиссное решение с учетом стоимости, порога чувствительности и предела измерений акселерометра, частотного диапазона измерений и размеров, расположения разъемов, многокомпонентности направлений измерения вибрации, условий эксплуатации и ряда других факторов. Обычно наиболее выгодные — группа пьезодатчиков "общего назначения", удовлетворяющая требованиям большинства областей измерения и анализа механических колебаний. И все же не рекомендуется замыкаться при приобретении диагностической аппаратуры только датчиками "общего назначения", поскольку все ситуации в процессе проведения периодического вибромониторинга предусмотреть невозможно.

Малогабаритные акселерометры при отличном частотном диапазоне измерений и миниатюрности имеют сравнительно низкий коэффициент преобразования (высокий порог чувствительности) и применяются для измерения колебаний с большими амплитудами и высокими частотами, а также при исследовании легких конструкций, каркасов, панелей и др.

Промышленные акселерометры идеально приспособлены для эксплуатации в стационарных системах для контроля и мониторизации механических колебаний в неблагоприятных условиях окружающей среды, в том числе во взрывоопасных средах. Их отличают прочная конструкция корпуса и разъемов (уплотнений), надежность при непрерывной эксплуатации, нормализованная чувствительность, высокая

помехозащищенность, передача сигнала на большие расстояния. Некоторые имеют встроенный предусилитель.

Как правило, крепятся они с применением трех болтов и в этом их достоинство (для постоянного мониторинга) и недостаток (для периодических измерений).

Высокотемпературные акселерометры, обычно как часть промышленных систем специального назначения, имеют специальный чувствительный элемент (пьезокристалл), как правило, естественного происхождения, позволяющий

работать до 400...500С ° и специальный кабель, соединенный с датчиком без разъема. Эти датчики отличает высокая стоимость и, обычно, более низкий коэффициент преобразования, по сравнению с аналогами по габаритам, за счет применения естественного пьезокристалла.

Многокомпонентные акселерометры содержат в общем уплотненном корпусе реже два, а обычно три пьезоэлемента, измерительные оси которых направлены перпендикулярно друг относительно друга. Такой датчик одновременно воспринимает вибрацию в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Его существенное преимущество в том, что для проведения трех измерений датчик необходимо крепить лишь один раз.

Основными параметрами, положительно влияющими на приобретение того или иного типа вибродатчика, являются:

высокий коэффициент преобразования, т.е. способность при воздействии нормированных колебаний генерировать как можно более высокий электрический сигнал; достигается (при прочих равных условиях) увеличением размеров пьезоэлемента и, следовательно, увеличением размеров и собственной массы частей и акселерометра в целом, что в итоге приводит к снижению верхней границы частотного диапазона измерений;

широкий частотный диапазон измерений, т.е. способность акселерометра правильно измерять как существенно низкочастотные , так и высокочастотные механические колебания агрегата; верхний предел частотного диапазона измерений определяется частотой установочного резонанса; как эмпирическое правило можно принять, что относительная погрешность акселерометра (при Нормальных Условиях) при принятии верхнего предела рабочего частотного диапазона равным 1/5 от величины резонансной частоты не превышает 6%, а при 1/3 — 12%; нижний предел частотного диапазона измерений определяется двумя факторами: нижней частотой среза предусилителя, применяемого с акселерометром и влиянием быстрых изменений температуры окружающей среды, поскольку все пьезоэлементы к ней чувствительны;

широкий диапазон измерений, т.е. способность акселерометра работать в области как высоких, так и низких уровней вибрации; нижний предел диапазона измерений чаще определяется не характеристиками пьезоэлемента, а качеством соединительных кабелей и разъемов, усилительными каскадами и электрическим шумом (для работы в области особо низких частот применяются специальные сейсмодатчики); верхний предел диапазона измерений акселерометра определяется прочностью его конструкции и способами его крепежа;

размеры и собственная масса (миниатюрность), т. е. возможность применения акселерометра для измерения вибрации труднодоступных мест и легких объектов; важно следовать правилу, что масса вибродатчика не должна превышать десятую часть динамической массы объекта, на котором он закреплен.

В области резонанса нарушается пропорциональность между выходным электросигпалом пьезодатчика и ускорением механических колебаний исследуемого объекта. При измерении вибрации в широкой полосе частот попадание резонансной частоты акселерометра в анализируемую частотную полосу приводит к ошибочным результатам, особенно если измеряемый процесс содержит составляющие с частотами в области резонанса акселерометра. Решением этой проблемы является использование фильтров нижних частот, как правило устанавливаемых в предусилителях.