Способ градуировки виброакустического тракта Советский патент 1991 года по МПК H04R29/00 

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 возможностей за 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

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 т, 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 пьезоэлеXС

мента 4 действует усилие N, которое согласно законам Ньютона и Гука равно

N --тя-(я-Ј)с ,(1)

где Ј и 3Ј- соответственно смещение корпуса вибропреобразователя и инерционной массы.

Уравнения состояния, описывающие работу пьезоэлемента на низких частотах СУ , можно представить в виде

SD ex -N-j

U

wF ,,.

где J - число, мнимая единица; деформация пьезоэлемента; I-ток, протекающий через пьезоэлемент; U - электрическое напряжение на обкладках пьезоэлемента; SD - гибкость пьезоэлемента в режиме холостого хода; F - площадь торца пьезоэлемента; /J- диэлектрическая непроницаемость свободного, пьезоэлемента; g - пьезокон- станта давления; I - толщина пьезозлемен- та.

Деформация пьезоэлемента выражается через перемещения

Р)

Работу вибропреобразователя используют в стационарном режиме, когда

Jftjt ;| $е1Ю|;и иое1° ;

(4)

I-loe

Ј- а 5

где %о , Јо , Uo, Io амплитудные значения соответствующих величин;

а - ускорение исследуемого объекта.

Уравнения состояния пьезоэлемента (2) с учетом выражений (1), (3) и (4) преобразуют к виду

()o (5)

- - п- /31

чёт

Ло.

При измерении уровня вибрации вибропреобразователь работает как приемник, черпающий энергию из вибрации исследуемого объекта и выделяющий преобразованную электрическую энергию на импедансе нагрузки.

Рассмотрим работу преобразователя при нагружении его на электрической стороне генератором тока и при отсутствии внешней вибрации (исследуемый объект находится в спокойном состоянии).

0

5

Из требований.к условиям эксплуатации вибропреобразователя исследуемая поверхность, к которой крепится вибропреобразователь, должна иметь массу и жесткость, многократно превышающие значения параметров эквивалентной х;хемы вибропреобразователя тис, т.е. в этом случае Ј 0.

Импеданс 2( ш) U0/Io вибропреобразователя находят из системы уравнений (5), полагая Ј0 0

1 1 - of-/а рез

Z(o) где Со

FSD

ft) Co а ан

(6)

1 - ofVu/2 ан

- емкость вибро0

lpSE ft/2 рез преобразователя на низких частотах;

m

частота резонанса вибропреобразователя; Ж iL +

m

.частота антире5

0

5

0

5

0

5

зонанса вибропреобразователя;

S - гибкость пьезоэлемента а режиме 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 Со производится на низких частотах при отключенном измерительном тракте 8. Генератор 7 тока подает синусоидальный ток Ь, амплитуда которого измеряется амперметром, а напряжение U0 вольтметром 10. Емкость вольтметра намного меньше емкости пьезоэлемента, а со- противление намного больше сопротивления пьезоэлемента. Емкость пьезоэлемента определяется по формуле

Со Uoftfc где О)о - частота подаваемого тока.

Для измерения частоты резонанса от генератора 7 тока подается ток, амплитуда которого прямо пропорциональна частоте ш (Но ft , to - некоторый постоянный коэффициент), и частота резонанса определяется при достижении максимального значения напряжения Umax () на измерительном вольтметре 10. При дальнейшем увеличении частоты определяется частота антирезонэн- са (Оан , при которой измеряемое вольтметром напряжение достигает минимума Umin

(ад™).

Определяют чувствительность вибро- преобразователп по напряжению в режиме

измерения вибраций. Учитывая, что большинство виброизмерительных каналов имеет входное сопротивление намного большее собственного импеданса вибропреобразователя, в уравнениях (5) можно пренебречь членами, содержащими переменную 10. Решая систему уравнений (5), получают выражение чувствительности вибропреобразователя в виде

iVi ( СО )- -р; nо7,

v ; з SDoiH 1 где (Оэн -4acTota антирезонанса вибропреобразователя.

Сравнивая выражение импеданса виб- ропреобрззователя (6) с найденным значением чувствительности (В), находят имеющуюся Мч°жду ними функциональную связь

Ki

M(G) |Z(U) -orVft e

(S)

где Ki

Со

°g

статический коэффициS° H ент пропорциональности.

Можно определять коэффициент Ki, 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

SE SD+|- , определяют разность С- -2

(Ю)

4ез-- - 0)2

(11)

. (Ирез

С учетом выражения (11) статический коэффициент пропорциональности Ki равен

1

Шрез -Шак

ГПС0(й|н )

Ki

(12)

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

- Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) А (и)) виброизмерительного тракта, который содержит вибропреобразователь и измерительный канал, равна

а(й)) М(ш)-К(о),

3

где Up - уровень электрического сигнала на выходе измерительного тракта;

а-уровень вибрации, воздействующий на вибропреобразователь.

0

5

0

5

0

5

0

К( о)) - передаточная функция электрического измерительного тракта.

Модуль электрического импеданса вибропреобразователя Z(o) определяют (фиг.2), подавая генератором 7 ток (ш} прямо пропорционально зависящий от частоты (I (и) ш 10), п регистрируя измерительным прибором 11 напряжение Up на выходе электрического тракта

I 7 г м | - иР Up t

1 z t Цш Г(аГ) ш 10 К (ш) 14)

Используя связь между чувствительностью и импедансом (9), получают значение чувствительности вибоопресбразователя в виде

Ki Up

М (о)

- (15)

oK(u; т /о|ез Следовательно, АЧХ виброизмеритель- ногс трйкта можно определить, учитывая соотношение (13), по следующей формуле:

д f,Ki Up1

А (ш) -г-

°1 -(/(4

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

В выражении (12) все величины, кроме значения корня кгадратного из массы подвижной части вибропреобраэователя, определены путем измерения электрических характеристик вибропреобразователя.

Для измерения массы подвижной части вибропреобразователь перед установкой на обьект устанавливают на вибростенд и измеряют на низкой опорной частоте его чувствительность Мв, на этой же частоте измеряют емкость вибропреобразователя Со0 .а также измеряют частоту резонанса ш Ор и антирезонанса (Ы0ан.

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

гГГ Mb Шор Шоан УСор гп-, Ј„

V йЈан - (Щр

(,е)

Формула изобретения Способ градуировки виброакустического тракта, заключающийся в воздействии на вибропреобразователь электрического тока, амплитуда которого пропорциональная его частоте, и регистрации выходного электрического сигнала, обличающийся

тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей за счет обеспечения возможности градуировки в натурных условиях без демонтажа вибропреобразователя с объекта, предварительно определяют при

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 вибрспреобра- зователя на ббъект измеряют его присоеди- ненную массу, а градуировку тракта проводят по найденной зависимости между чувствительностью вибропреобразователя и его электрофизическими характеристиками. 2 ил.

Фиг.1

д

11 ,