Методика и экспериментальная установка для исследования параметров пьезоакселерометра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методика и экспериментальная установка для исследования параметров пьезоакселерометра

Д.А. Плотников

Аннотация

пьезоэлектрический акселерометр погрешность датчик

Рассмотрены вопросы разработки методики исследований и реализации соответствующей экспериментальной установки с целью определения погрешности предложенного метода повышения точности интеллектуального датчика вибрации для различных типов пьезоэлектрических акселерометров.

Ключевые слова: пьезоэлектрический акселерометр, интеллектуальный датчик, температурная погрешность, методика исследований, экспериментальная установка.

Основная часть

В [1] автором обоснована зависимость между текущим значением коэффициента преобразования (КП) пьезоэлектрического акселерометра (ПА) и амплитудой затухающих свободных колебаний, возникающих в чувствительном элементе (ЧЭ) ПА под воздействием тестового импульса напряжения и описываемых выражением

,

где q - мгновенное значение заряда; t - время; Q - амплитудное (начальное) значение заряда; ф - постоянная времени затухания переходного процесса; f₀ - частота свободных колебаний ЧЭ.

С использованием выявленной зависимости предложен и реализован в устройстве [2] метод повышения точности интеллектуального датчика вибрации (ИДВ), заключающийся в возбуждении свободных колебаний ЧЭ ПА, определении их амплитуды, вычислении текущего значения КП ПА и коррекции коэффициента передачи измерительного канала с учётом вычисленного значения КП.

Результаты экспериментов подтверждают корректность предложенного метода и его достаточную точность для нескольких исследованных экземпляров ПА. Тем не менее при разработке ИДВ с использованием ПА других типов целесообразно убедиться в том, что для них погрешность определения КП предложенным методом не превышает допустимых значений. Следовательно, возникает задача разработки методики выполнения таких исследований.

Для достижения поставленной цели нужно иметь возможность каким-либо способом изменять КП исследуемого ПА. Единственным доступным способом, позволяющим выполнить эту операцию без нарушения целостности ПА, является изменение температуры ПА. Поскольку задача измерения КП возникла именно ввиду его сильной зависимости от температуры, данный способ является вполне приемлемым.

Исследовать взаимосвязь КП ПА и параметров свободных колебаний, а также определять погрешности вычисления КП ПА предложено по следующей методике:

1. Определить фактическое значение КП ПА при нормальных условиях K₀. Для этого воздействовать на ПА источником вибрации со среднеквадратичным значением (СКЗ) виброускорения a_e0. Измерить СКЗ заряда на выходе ПА q₀, пропорциональное СКЗ виброускорения. Вычислить КП ПА по формуле

.

2. Воздействовать на ПА тестовым импульсом и определить параметры переходного процесса при нормальных условиях Q₀, f₀₀, ф₀. В соответствии с [1] определить константу C_A по формуле

.

3. Изменить значение КП ПА путём нагрева ПА до температуры T_i. Аналогично п. 1 определить фактическое значение КП ПА при температуре T_i - K_i.

4. Воздействовать на ПА тестовым импульсом и определить параметры переходного процесса при температуре T_i: Q_i, f_0i, ф_i. В соответствии с [1], используя полученную ранее константу C_A, определить расчетное значение КП K_Рi по формуле

.

5. Определить погрешность вычисления расчётного значения КП ПА по формуле

.

6. Определить дополнительную температурную погрешность канала измерения виброускорения, вызванную изменением КП ПА под влиянием температуры, по формуле

. (1)

7. Определить дополнительную температурную погрешность канала измерения виброускорения, использующего коррекцию коэффициента передачи, на основе вычисленного значения K_Рi:

. (2)

8. Повторить п. 2 _ 5 для различных значений температуры (и, соответственно, K_i) в рабочем диапазоне температур ПА.

9. Повторить п. 2 _ 6 для различных экземпляров ПА.

Для реализации предложенной методики исследований экспериментальная установка должна выполнять следующие функции:

1. Формирование тестовых импульсов регулируемой амплитуды U и длительности T_ИМП.

2. Осциллографирование сигнала на выходе ПА с синхронизацией по тестовому импульсу и с возможностью сохранения осциллограммы для дальнейшей обработки.

3. Воздействие на исследуемый ПА вибрацией с известными параметрами.

4. Измерение СКЗ параметра, пропорционального виброускорению, на выходе исследуемого ПА.

5. Изменение и поддержание температуры исследуемого ПА в рабочем диапазоне температур ПА.

На основании приведённого перечня функций разработана функциональная схема экспериментальной установки (рис. 1).

Рис. 1 Функциональная схема экспериментальной установки

Исследуемый ПА (ИПА) закреплён на штоке вибростенда ВС, совершающем возвратно-поступательные движения в горизонтальном направлении с частотой и амплитудой, определяемыми генератором Г. Форма колебаний штока близка к синусоидальной, частота и амплитуда задаются органами управления генератора. Для измерения фактических параметров вибрации штока на нём установлен второй ПА - контрольный (КПА). ИПА помещён в термостат ТС, управляемый терморегулятором ТР. ТР совместно с ТС обеспечивают поддержание заданной температуры ИПА. СКЗ виброускорения штока с помощью ИПА и КПА измеряется многоканальным контроллером интеллектуального датчика вибрации КИДВ [3]. Следует отметить, что вместо КИДВ может использоваться пара зарядовых усилителей (ЗУ1 и ЗУ2) с подключенными к их выходам измерителями СКЗ. С целью фиксации отклика ИПА на тестовый импульс к выходу ЗУ2 подключен цифровой запоминающий осциллограф (ОСЦ) TDS3034.

Управление основными измерительными блоками, а также считывание и анализ полученных данных осуществляются с помощью персонального компьютера ПК. ПК обеспечивает получение с КИДВ СКЗ виброускорения для КПА и ИПА, управление блоком формирования тестового воздействия БФТВ с целью задания параметров тестового импульса, получение и сохранение осциллограмм с ОСЦ. Анализ осциллограмм (предварительная фильтрация, вычисление параметров Q, ф, f₀ затухающих свободных колебаний) и другие необходимые вычисления выполняются с помощью программного комплекса Matlab, входящего в состав ПО ПК.

БФТВ обеспечивает формирование тестового импульса с заданными параметрами. Он выполнен на основе функциональных схем диагностических устройств, разработанных авторами и защищённых патентами РФ [2; 4]. Устройство и работа БФТВ поясняются рис. 2.

Рис. 2 Функциональная схема блока формирования тестового воздействия

Основным элементов БФТВ является микропроцессорный контроллер МПК, управляющий ключом К. В состоянии измерения ключ находится в верхнем положении, обеспечивая подключение ПА к зарядовому усилителю ЗУ. При формировании тестового импульса МПК переводит ключ в среднее положение, подключая ПА к регулируемому источнику напряжения ИН. Амплитуда тестового импульса U задаётся вручную и контролируется с помощью вольтметра V. По истечении времени T_ИМП МПК переводит ключ в нижнее положение, замыкая выводы ПА на время T_ЗАМ, а затем вновь переводит ключ в верхнее положение. Длительности интервалов T_ИМП и T_ЗАМ, а также период формирования тестовых импульсов задаются программно с помощью ПК.

С использованием разработанной методики и экспериментальной установки были определены параметры ПА АПЭ_1 и АПЭ_2, применяемых в системах вибромониторинга турбоагрегатов, аналогичных описанной в [5]. В результате установлено, что для всех исследованных экземпляров ПА значение дополнительной температурной погрешности измерительного канала при использовании предложенного метода [1], вычисленное по формуле (2), не превышает 1,5 % во всём рабочем диапазоне температур, в то время как без использования указанного метода [см. формулу (1)] значение этой погрешности достигает 30 %.

Список литературы

1. Плотников, Д.А. Повышение точности интеллектуального датчика вибрации / Д.А. Плотников // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: материалы XI Междунар. науч.-практ. конф. (г.Новочеркасск, 30 нояб. 2010г.) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. С. 19_22.

2. Пат. 99158 РФ, МПК G01H17/00. Устройство дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра / Лачин В.И., Малина А.К., Плотников Д.А. № 2010125245/28; заявл. 18.06.10; опубл. 10.11.10, Бюл. №31. 2 с.

3. Плотников, Д.А. Контроллер интеллектуального датчика вибрации / Д.А. Плотников, А.К. Малина, К.В. Кравченко // Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения: материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. С. 36_39.

4. Пат. 99182 РФ, МПК G01P15/09. Устройство дистанционного измерения резонансной частоты пьезоэлектрического акселерометра / Плотников Д.А., Малина А.К., Лачин В.И. № 2010118405/28; заявл. 6.05.10; опубл. 10.11.10, Бюл. №31. 2 с.

5. Лачин, В.И. Многоуровневая распределенная система мониторинга вибрационного состояния и защиты турбоагрегатов / В.И. Лачин, А.К. Малина, Д.А. Плотников // Информационные технологии и управление: юбилейн. сб. науч. тр. фак. информ. технологий и упр. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: Ред. журн. «Изв. вузов. Электромеханика», 2001. С. 69_74.

Размещено на Allbest.ru