СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ КОЛЕБАНИЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01P21/00 G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при контроле параметров средств измерения вибрации.

Одним из важнейших параметров акселерометра является резонансная частота (более точный термин - частота установочного резонанса), которая определяет его рабочий диапазон частот. Поэтому она в обязательном порядке контролируется при периодической поверке акселерометра. Однако существуют ситуации, когда акселерометр невозможно демонтировать с объекта измерения для проведения контроля, и единственным решением задачи является дистанционное электрическое возбуждение колебаний с частотой установочного резонанса (далее - частота УР).

Известен способ электрического возбуждения колебаний пьезоэлектрического датчика, основанный на обратимости пьезоэффекта и заключающийся в подаче на датчик импульсов напряжения, каждый из которых вызывает затухающие колебания датчика с частотой УР. Они преобразуются снова в электрический сигнал, который подается на регистратор для последующего анализа [1]. Регистрацию начинают с задержкой, чтобы предохранить регистратор от перегрузки, так как напряжение с частотой УР наложено на возбуждающий импульс, напряжение которого на три порядка больше.

Устройство, в котором реализован данный способ, содержит генератор однополярных электрических импульсов и детектор (т.е. регистратор), соединенные с проверяемым датчиком, причем между генератором и детектором включен ждущий мультивибратор [1].

Мультивибратор запускается возбуждающим импульсом, а его сигнал блокирует вход детектора на время, большее длительности импульса.

Недостатком этого способа и устройства является то, что время задержки регистрации должно быть больше не только длительности импульса возбуждения, но и длительности чисто электрического процесса разряда емкости датчика с кабелем до уровня, сопоставимого с уровнем возбужденных колебаний с частотой УР. Оба процесса спадают экспоненциально, но постоянная времени разряда емкости всегда больше времени затухания колебаний, поэтому уровень последних может к моменту открытия входа детектора стать ниже значения, обеспечивающего достоверность регистрации.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому способу является способ, при котором на акселерометр подают пачку симметричных импульсов напряжения [2]. При таком возбуждении среднее значение возбуждающего напряжения равно нулю, вследствие чего сигнал акселерометра состоит лишь из колебаний с частотой УР.

Способ осуществлен в устройстве, содержащем генератор возбуждающего напряжения в форме пачки симметричных двуполярных импульсов напряжения и переключатель, подключающий акселерометр попеременно к генератору или регистратору [2]. При подаче пачки импульсов на акселерометр в последнем возбуждаются колебания с частотой УР, сигнал от которых после перевода переключателя во второе положение поступает на вход регистратора. Непременным условием функционирования устройства является подключение акселерометра к регистратору только после окончания пачки импульсов (иначе среднее значение напряжения, поступающего на регистратор, будет отлично от нуля), для чего устройство должно содержать не упомянутые в описании прототип формирователь сигнала управления переключателем, а также источник напряжения.

Данный способ и реализующее его устройство позволяют за счет резкого повышения отношения полезного сигнала к помехе повысить точность регистрации колебаний с частотой УР. Однако они имеют и ряд недостатков. Для обеспечения равенства нулю среднего значения возбуждающего напряжения необходимо, чтобы степень асимметрии импульсов обеих полярностей была не выше, чем отношение уровней возбужденных колебаний и возбуждающего импульса, т.е. не более 10^-3, что трудно достижимо.

Кроме того, если частота в пачке импульсов будет заметно отличаться от частоты УР, они будут действовать не в такт и уровень полезного сигнала уменьшится. Таким образом, необходимо подбирать параметры возбуждающих импульсов для каждого типа контролируемых акселерометров, а при значительной степени влияния объекта на частоту УР - и индивидуально.

Ожидаемым техническим результатом использования заявляемых технических решений является повышение точности контроля параметров пьезоэлектрического акселерометра и, как следствие, повышение точности измерения вибрации при длительной эксплуатации акселерометра без демонтажа с объекта измерения. Это достигается тем, что электрическое возбуждение колебаний акселерометра с частотой УР осуществляют подсоединением акселерометра к источнику постоянного напряжения с последующими отключением и кратковременным замыканием выводов акселерометра перед подключением к регистратору.

Кроме того, для достижения ожидаемого технического результата в устройство для электрического возбуждения колебаний пьезоэлектрического возбуждения колебаний пьезоэлектрического акселерометра с частотой УР, содержащее источник напряжения возбуждения, переключатель и разъемы для подключения акселерометра и регистратора, введены формирователь сигналов управления, первый и второй нормально-замкнутые ключи и элемент задержки, в качестве источника напряжения возбуждения используется источник постоянного напряжения, соединенный через переключатель в одном его положении с параллельно включенными первым ключом, разъемом для подключения акселерометра и цепью из последовательно соединенных второго ключа и разъема для подключения регистратора, а во втором положении переключателя - с формирователем сигналов управления, который соединен с управляющим входом первого ключа и через элемент задержки с управляющим входом второго ключа.

Сущность заявляемых способа и устройства поясняется фиг. 1-3, на которых представлены:
на фиг. 1 - циклограмма заряда акселерометра при использовании заявляемого способа (пунктиром показано нерегистрируемое состояние;
на фиг. 2 - блок-схема заявляемого устройства, где обозначено: 1 - источник постоянного напряжения; 2 - переключатель; 3 - разъем для подключения акселерометра; 4 и 5 - нормально-разомкнутые ключи; 6 - разъем для подключения регистратора; 7 - формирователь сигналов управления ключами; 8 - элемент задержки;
на фиг. 3 - экспериментально полученная с помощью макета заявляемого устройства осцилллограмма затухающих колебаний акселерометра типа АНС 114 с частотой УР.

Способ осуществляют следующим образом. Акселерометр подсоединяют к источнику постоянного напряжения (интервал I, фиг. 1). При этом пьезоэлемент акселерометра деформируется пропорционально приложенному напряжению.

Затем акселерометр отключают от источника напряжения и выводы его замыкают (интервал II, фиг. 1). Заряд пьезоэлемента уменьшается до нуля практически мгновенно, а деформация его вследствие инерционности механической системы акселерометра убывает в виде затухающих колебаний с частотой УР. Наряду с ними при замыкании возникают также колебания более высоких частот, затухающие быстрее основных.

После размыкания акселерометра на его выводах остается только переменный заряд, пропорциональный мгновенным значениям деформации пьезоэлемента (интервал III, фиг. 1). Таким образом, акселерометр подготовлен для подключения к регистратору, на который будет поступать полезный сигнал в виде затухающих колебаний с частотой УР (интервал IV, фиг. 1).

Требования к длительности интервала I, II, обеспечивающие реализацию способа, заключаются в следующем. Длительность интервала I должна быть такой, чтобы деформация пьезоэлемента установилась на постоянном уровне. Практически для этого достаточно 0,1 с при самом низком реальном значении частоты УР. Длительность интервала II должна быть достаточной для полного исчезновения первоначального заряда пьезоэлемента, но меньшей времени затухания возбужденных колебаний. Она может варьировать в пределах от единиц микросекунд до миллисекунд.

Длительность интервала III не является критичной и может определяться временем переключения цепей.

Характерной особенностью заявляемого способа является то, что начальная амплитуда затухающих колебаний, вызванных замыканием пьезоэлемента, предварительно заряженного постоянным напряжением, больше, чем при возбуждении напряжением иной формы, поскольку энергия, запасенная в пьезоэлементе, в этом случае максимальна. Ее задание и поддержание стабильности сводится к таким же операциям над постоянным напряжением, которые осуществляются минимальными техническими средствами. Так как разряд пьезоэлемента длится доли микросекунд, а это заведомо короче самого малого возможного периода колебаний, их возбуждение происходит одинаково при любой частоте УР. По этим причинам заявляемый способ более технологичен, нежели известные.

Функционирование устройства для осуществления заявляемого способа происходит следующим образом. При установке переключателя 2 в положение "а" происходит зарядка акселерометра, подключенного к разъему 3, постоянным напряжением от источника 1. По истечении установленного времени зарядки и после перевода переключателя 2 в положение "б" акселерометр отключается от источника 1, а формирователь 7 вырабатывает сигнал управления ключом 4, в результате чего акселерометр закорачивается на время, заданное параметрами формирователя. С запаздыванием, определяемым элементом задержки 8, ключ 5 подключает акселерометр к разъему 6 для подключения регистратора. При выборе длительностей замыкания и задержки в соответствии с вышеприведенными рекомендациями на регистратор поступает сигнал, в котором отсутствуют напряжение разряда емкости акселерометра и колебания с частотой, большей частоты УР.

Как видно из фиг. 3, заявляемые способ и устройство позволяют возбудить колебания с уровнем и чистотой, необходимыми для точного определения частоты УР.

Для возбуждения колебаний достаточно напряжения (10-15) В, которое не вызывает каких-либо изменений состояния пьезоэлемента. Если же материал последнего чувствителен к подобным воздействиям, целесообразно проводить операцию дважды, меняя полярность возбуждающего напряжения.

Преимуществами заявляемых технических решений перед известными являются:
большая технологичность ввиду отсутствия необходимости изменения временных параметров возбуждающего напряжения при испытаниях акселерометров с другой частотой УР;
повышенная точность регистрации колебаний, обусловленная стабильностью условий возбуждения и отсутствием наводок и помех после начала регистрации.

Заявляемые способ и устройство позволяют повысить точность измерения вибрации при длительной эксплуатации акселерометра без возможности временного демонтажа его с объекта измерения.

Источники информации
1. Авт. свид. СССР, N 535478, М. кл. G 01 L 27/00, 1976, бюллетень N 42.

2. Bruel & Kjaer. Sound & Vibration Catalogue 1997, p. 43 (прототип).

Способ и устройство предназначены для использования в измерительной технике при контроле параметров средств измерения вибрации. Для повышения технологичности электрического возбуждения колебаний пьезоэлектрического акселерометра с частотой установочного резонанса, а также повышения точности их регистрации колебания возбуждают подключением акселерометра к источнику постоянного напряжения с последующими отключением и кратковременным замыканием выводов акселерометра. Устройство содержит источник напряжения возбуждения, переключатель и разъемы для подключения акселерометра и регистратора, формирователь сигналов управления, первый и второй нормально-разомкнутые ключи и элемент задержки. В качестве источника напряжения возбуждения используется источник постоянного напряжения, соединенный через переключатель в одном его положении с параллельно включенными первым ключом, разъемом для подключения акселерометра и цепью из последовательно соединенных второго ключа и разъема для подключения регистратора, а во втором положении переключателя - с формирователем сигналов управления, который соединен с управляющим входом первого ключа и через элемент задержки - с управляющим входом второго ключа. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ электрического возбуждения резонансных колебаний пьезоэлектрического акселерометра, отличающийся тем, что возбуждение осуществляют подсоединением акселерометра к источнику постоянного напряжения с последующими отключением и кратковременным замыканием выводов акселерометра. 2. Устройство для электрического возбуждения резонансных колебаний пьезоэлектрического акселерометра, содержащее источник напряжения возбуждения, переключатель и разъемы для подключения акселерометра и регистратора, отличающееся тем, что в него введены формирователь сигналов управления, первый и второй нормально-разомкнутые ключи и элемент задержки, в качестве источника напряжения возбуждения используется источник постоянного напряжения, соединенный через переключатель в одном его положении с параллельно включенными первым ключом, разъемом для подключения акселерометра и цепью из последовательно соединенных второго ключа и разъема для подключения регистратора, а во втором положении переключателя - с формирователем сигнала управления, который соединен с управляющим входом первого ключа и через элемент задержки - с управляющим входом второго ключа.