Приборно-измерительные комплексы, аппаратура, применяемые для контроля и обработки вибросигналов, отличаются разнообразием конструктивного исполнения и функциональными возможностями. Общими для всех видов аппаратуры является наличие измерительных преобразователей (ИП) для фиксации параметров вибросигналов, электронных блоков регистрации и обработки вибрационных сигналов и средств коммутации датчиков с электронными блоками.
Виброизмерительная аппаратура может быть в виде:
— стационарных лабораторных приборов (многоканальных приборов последовательного действия и параллельного действия);
— многофункциональных приборов – анализаторов вибрации и микропроцессоров;
— переносных лабораторных промышленных приборов;
— комплекса приборов для испытательной техники (приборы с управлением вибрационным процессом, многокомпонентные приборы, приборы для формирования и измерения широкополосной случайной вибрации).
Комплекс стационарных лабораторных приборов предназначен для исследования и отработки различных объектов и их элементов при воздействии на них механических нагрузок.
Комплекс переносных приборов предназначен для последовательного или параллельного контроля уровней вибрации и шума в одной или нескольких точках объекта, технической диагностики и балансировки вращающихся частей машин и механизмов. Он включает в себя контрольно-сигнальную, балансировочную и вибродиагностическую аппаратуру.
Комплекс приборов для испытательной техники предназначен для испытания продукции на воздействие вибрационных, ударных нагрузок, акустических шумов и включает приборы и средства задания, воспроизведения механических нагрузок, аппаратуру управления, контроля и измерительную аппаратуру.
Эти приборы должны обеспечивать достоверность проведения испытаний и соответствовать требованиям технических условий на объект и условиям их эксплуатации.
Аппаратура выпускается как одно-, так и многоканальная, стационарная и переносная. Современные переносные приборы выпускаются, как правило, одноканальными и по функциональным возможностям делятся на два класса:
— приборы-сборщики вибросигналов, позволяющие измерять общий уровень вибрации, записывать, хранить и передавать информацию на компьютер для ее последующей обработки и анализа;
— приборы, называемые сборщиками-анализаторами, позволяющие дополнительно выполнить анализ формы вибросигнала, его частотный и спектральный анализ с помощью быстрого преобразования Фурье.
Стационарная аппаратура включает базовый компьютер, соединенный линиями связи с ИП, средствами усиления сигналов и преобразования их в цифровую форму. Неотъемлемой частью современных систем вибродиагностики и мониторинга является программное обеспечение для компьютера. Программное обеспечение отличается уровнем сложности и перечнем решаемых задач: сбор, хранение, обработка и анализ информации, выявление и идентификация дефектов, выдача долгосрочного прогноза технического состояния оборудования и др. Самыми сложными являются программы автоматической диагностики, позволяющие наряду с автоматической постановкой диагноза и выдачей прогноза технического состояния оборудования формировать рекомендации по его обслуживанию и ремонту. Стационарная аппаратура обычно изготовляется многоканальной, позволяющей вести контроль одновременно в ряде характерных точек контролируемого объекта. Для роторных машин большой единичной мощности параллельный многоканальный контроль параметров вибрации в разных (двух-трех) направлениях является обязательным, так как позволяет определить орбиту движения вала в подшипнике (прецессию) и взаимный анализ одновременных спектров. Кроме того, любая система вибрационной диагностики включает в себя датчик оборотов (чаще всего вихретоновый), подключаемый к цифровому входу виброанализатора.
При контроле используют два принципа измерения вибрации: кинематический и динамический.
Кинематический принцип измерения. В приборах, основанных на кинематическом принципе измерения, датчик измеряет вибрацию одного объекта относительно другого, на котором он установлен. Датчики относительной вибрации, как правило, бесконтактные. Примером использования такого принципа измерения может служить измерение вибрации вала относительно подшипника с помощью бесконтактного вихретокового датчика. ИП, основанные на этом методе измерения, называют преобразователями относительной вибрации.
Динамический принцип измерения. В датчиках, основанных на динамическом принципе измерения, искусственно создается неподвижная точка, относительно которой измеряют параметры абсолютной вибрации объекта, на котором установлен датчик. Такие ИП называют преобразователями абсолютной вибрации. Системы измерения вибрации, использующие в качестве искусственной неподвижной системы отсчета инерционный элемент, связанный с объектом через упругий подвес, называют сейсмическими системами.
При изменении частоты возбуждающих колебаний центр масс, в силу инерции, отстает от колебаний точки подвеса пружины и, начиная с некоторого значения частоты, становится неподвижным. Центр массы инерционного элемента, точнее центр масс всех подвижных элементов системы, и является точкой, относительно которой измеряются параметры абсолютной вибрации точки подвеса пружины, следовательно, объекта, на котором установлен датчик.
Рассмотрим требования, предъявляемые к приборам для измерения параметров вибрации.
Число измеряемых компонентов вибрации. Известно, что твердое тело имеет шесть степеней свободы, и в общем случае для определения характера его вибрации в пространстве измеряют три линейных компонента, направленных вдоль трех ортогональных осей, и три угловых компонента колебания вокруг этих осей. Однако в практике число измеряемых компонентов ограничено, и измерения проводят в направлениях, где наличие или возрастание вибрации характеризует вибрационное состояние объекта. При необходимости измерения параметров абсолютной вибрации в одной точке используют двух- и трехкомпонентные датчики, причем каждый компонент, как правило, выполнен по однонаправленной схеме. Все компоненты смонтированы в одном корпусе.
Существуют одно-, двух- и трехкомпонентные датчики с использованием одного инерционного элемента для измерения по всем направлениям, например, пьезоэлектрические акселерометры.
Ввиду большого разнообразия требований к вибродатчикам, касающихся выбора числа компонентов колебательной величины, которую они должны измерять, рабочих частотного и динамического диапазонов, условий окружающей среды, размеров и массы датчиков, в практике измерений вибрации применяют датчики, различные по принципу действия, конструкции, виду используемых электромеханических преобразований.
ИП бывают контактными и бесконтактными, основанными на разных физических явлениях.
Параметры вибрации, подлежащие измерению. В практике встречается необходимость измерения следующих параметров вибрации, которые могут относиться в виброперемещению и его производным по времени (скорости, ускорению, резкости):
— мгновенных значений, размаха, или пиковых значений;
— частоты основного тона и гармоник;
— крутизны фронта нарастания и длительности действия импульса;
— среднеквадратичного значения, корреляционной функции, распределения вероятности;
— спектрального состава: частот и амплитуд составляющих спектра, фазовых соотношений между ними, энергетического спектра и пр.
Лекция № 15. Вибродиагностика. Вибродатчики
Первичным элементом любой виброизмерительной системы является вибропреобразователь (вибродатчик), который выполняет роль преобразователя вибрационных колебаний, получаемых от источника, в электрические сигналы.
В задачах технической диагностики измеряется частота до 30 000 Гц (чаще до 10 000 Гц), виброускорение до 1000 
.
Структурная схема для измерений вибраций приведена рис. 15.1.
Рис. 15.1 Структурная схема измерения вибраций
С помощью датчика Д неэлектрические величины u (t) (механические перемещения, давления и т. п.) преобразуются в электрический сигнал. Преобразователь П осуществляет первичные преобразования сигнала (фильтрацию и т. п.). Усилитель У и регистратор Р усиливают и регистрируют сигнал и дальше эта информация поступает на обработку и анализ. По назначению в зависимости от измеряемого параметра вибрации вибропреобразователи могут быть предназначены для измерения: ускорения (акселерометры), скорости (велосиметры) и перемещения.
Индукционные вибропреоразователи основаны на преобразовании механических колебаний в изменение индуктивности. Они относятся к электромагнитным вибропреобразователям. Электромагнитные вибропреобразователи могут быть контактными и бесконтактными и делятся на:
— индукционные;
— трансформаторные, основанные на использовании зависимости индуцируемой ЭДС от воздушного зазора между сердечником и магнитопроводом, а также от изменения взаимного расположения обмоток на магнитопроводе;
— электродинамические, основанные на изменении индуцированной ЭДС (катушка перемещается в зазоре постоянного магнита или постоянный магнит перемещается относительно неподвижной катушки);
— вихретоковые, основанные на регистрации изменений электромагнитного поля вихревых токов, наводимых возбуждаемой катушкой и вибрирующим изделием (изменение электромагнитного поля вихревых токов определяется взаимодействием преобразователя с изделием).
В настоящее время существует широкий набор измерительных преобразователей.
Преобразователи абсолютной вибрации:
— генераторные: пьезоэлектрические; индукционные; на основе эффекта Холла;
—параметрические: резисторные; пьезорезисторные; индуктивные; трансформаторные; магнитоупругие; емкостные;
— электронно-механические; вибрационно-частотные;
— предельно контактные; импедансные.
Бесконтактные измерители относительной вибрации:
— магнитные;
— радиоволновые;
— электромагнитные;
— акустические;
— радиационные;
— оптические.
В бесконтактных измерителях реализуют кинематический метод измерения параметров относительной вибрации на основе использования оптических радиоволновых и др. электромагнитных полей. Наибольшее применение в бесконтактной вибродиагностике нашли оптические методы и средства измерения параметров вибрации, которые по способу выделения информации об измеряемом параметре делят на амплитудные и частотные. К амплитудным методам измерений относят фотоэлектронные, дифракционные и интерференционные методы измерения, а также методы с использованием пространственной модуляции светового потока. Измерение параметров вибрации, основанное на измерении частоты излучения оптического квантового генератора, отраженного от объекта, проводят измерительными устройствами, действие которых основано на использовании эффекта Допплера.
Преобразователи значений вибрации в электрический сигнал делят на два класса:
— генераторные, преобразующие энергию механических колебаний в электрическую;
— параметрические, преобразующие механические колебания в изменение параметров электрических цепей, например, индуктивности, емкости, активного сопротивления, частоты или сдвига фаз и т. д.
Для вибродиагностики машин и механизмов используют в основном электродинамические и пьезоэлектрические преобразователи, относящиеся к генераторным, а также индуктивные, вихретоковые и емкостные, относящиеся к параметрическим [1].
Электродинамический датчик нашел широкое применение для исследования, периодического и эксплуатационного контроля роторного энергетического оборудования. Он широко использовался также для исследования вибрации строительных конструкций и сейсмических колебаний. Механическая система датчика работает в режиме виброметра, но вследствие использования в нем индукционного электромеханического преобразователя, сигнал на выходе электродинамического вибродатчика пропорционален виброскорости (датчик скорости — велосиметр).
Достоинствами электродинамического датчика являются:
— высокие чувствительность и помехозащищенность;
— широкий амплитудный диапазон;
— низкое выходное сопротивление;
— возможность передачи сигналов по длинной линии связи.
Конструкция вибродатчика включает в себя катушку, связанную с инерционным элементом — массой, подвешенной обычно на двух плоских ленточных или круговых с прорезями пружинах различной конфигурации. Катушка входит в кольцевой зазор магнитной системы, обычно с постоянным магнитом, жестко связанным с корпусом датчика.
Напряжение и на выходе датчика равно
(15.1)
где B — магнитная индукция в зазоре; l — длина проводника, находящегося в магнитном поле; ϑ — скорость вибрации.
Таким образом, напряжение на выходе датчика пропорционально скорости перемещения проводника в магнитном поле.
Обычно частотный диапазон датчика составляет 7. . . 300 Гц. Сверху частотный диапазон ограничивают вторичные резонансы и частоты, на которых происходит потеря устойчивости пружин подвеса инерционной массы под действием поперечной вибрации.
Температурный диапазон датчиков −30 . . .+ 
C , чаще до + 
С.
Электродинамические преобразователи работают на частотах, значительно превышающих собственную частоту сейсмической системы. ЭДС на выходе катушки пропорциональна виброскорости гармонических колебаний. В сейсмометрии в настоящее время применяют электродинамические вибродатчики (например СМ-2М). Однако эти датчики все более вытесняются из практики контроля вибрации в промышленных условиях пьезоэлектрическими акселерометрами, как более прочными, имеющими более широкие динамический и частотный диапазоны и меньшие размеры.
Пьезоэлектрические вибропреобразователи применяются для измерения значений параметров вибрации и ударов. Они основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, при котором под воздействием внешних сил на кристаллы некоторых материалов и пьезокерамику в них возникает электрическая поляризация. В результате на поверхности пьезоэлемента образуются связанные заряды, плотность которых пропорциональна создаваемому механическому напряжению. Наибольшее применение в качестве пьезоэлементов получила пьезокерамика. Напряжение на выходе пьезоэлектрического преобразователя пропорционально ускорению. Широкое применение получила конструкция пьезоэлектрического акселерометра (рис. 15.2), состоящая из двух пьезоэлектрических дисков 4, расположенных между основанием корпуса 5 и инерционной массой 3, прижатой к ним жесткой пружиной 2. Между дисками помещают общий электрод 1 из красной меди или свинца, обеспечивающий удобство и надежность изготовления электрических выводов.
Рис. 15.2. Конструкция пьезоэлектрического акселерометра
Пьезоэлементы соединяются параллельно, что увеличивает вдвое полную емкость вибропреобразователя и обеспечивает лучшее воспроизведение колебаний на низких частотах. Однако снимаемое напряжение при этом остается неизменным. Наличие двух дисков позволяет за счет их взаимного перемещения относительно друг друга вокруг оси обеспечивать некоторую взаимокомпенсацию; корпус датчика выполнен из коррозионно-стойкой стали. Вибродатчики закрепляют на детали с помощью фланца или ввертывают в резьбовое отверстие. Для устранения динамических погрешностей первая собственная частота датчика должна превышать измеряемую частоту в 4–6 раз.
При воздействии вибрации на акселерометр инерционная масса вызывает сжатие–растяжение пьезоэлектрических дисков. В результате прямого пьезоэлектрического эффекта на электродах дисков образуется электрический заряд, пропорциональный воздействующей силе. Пьезоэлектрический акселерометр принято рассматривать как источник электрического заряда или напряжения.
Пьезоэлемент акселерометра можно представить в виде эквивалентных схем с источником электрического заряда (рис. 15.3) и с источником напряжения (рис. 15.4).
Пьезоэлемент можно представить как включенные параллельно емкость
и очень высокое сопротивление 
, которым на практике пренебрегают. Активный элемент пьезоэлектрического акселерометра можно рассматривать или как идеальный источник заряда 
с соединенным параллельно конденсатором емкости , образующий нагрузку емкостью соединительного кабеля, или как источник напряжения с последовательно соединенной емкостью , работающий на представленную емкостью соединительного кабеля нагрузку 
.
Рис. 15.3. Эквивалентная схема с источником заряда
Рис. 15.4. Эквивалентная схема с источником напряжения
Из рассмотрения эквивалентных схем следует, что выходное напряжение (см. рис. 15.4) акселерометра 
зависит от емкости соединительного кабеля, в то время как выходной заряд (см. рис. 15.3) от указанной емкости не зависит. Следовательно, использование кабелей различной длины сказывается на чувствительности по напряжению и приводит к необходимости калибровки измерительной системы.
Для подсоединения пьезоэлектрического акселерометра с высоким выходным импедансом к измерительной, анализирующей и (или) регистрирующей аппаратуре с относительно низким импедансом используют предусилители (согласующие усилители), обеспечивающие необходимое согласование. Кроме того, предусилители могут решать следующие задачи: усиление сигналов преобразователя с повышением чувствительности и интегрированием сигналов, пропорциональных ускорению в целях получения сигналов, пропорциональных скорости и перемещению; сигнализация о перегрузке по входу к выходу; фильтрация обработанных сигналов. В зависимости от того, рассматривается ли пьезоакселерометр как источник заряда или как источник напряжения, различают усилители заряда или напряжения. Усилители заряда обеспечивают получение на выходе напряжения, пропорционального поступающему на их вход заряду, а усилители напряжения — получение напряжения, пропорционального поступающему на их вход напряжению. Основным преимуществом применения усилителей заряда является то, что они исключают влияние длины соединительных кабелей на общую чувствительность измерительной системы.
При использовании усилителя напряжения в случае изменения длины кабеля необходимы подстройка коэффициента усиления и повторная калибровка измерительной системы. Датчик характеризуется чувствительностью по заряду и по напряжению. Чувствительность по заряду — это отношение электрического заряда, измеряемого в пикокулонах (пКл), к виброускорению, его вызвавшему. Чувствительность по напряжению — это отношение напряжения на выходе датчика к ускорению, его вызвавшему.
Пьезоэлектрический акселерометр в настоящее время является наиболее распространенным датчиком. В отличие от других типов вибродатчиков он эффективен при измерениях всех колебательных величин механических колебаний самых различных объектов измерения, практически в любых необходимых динамическом и частотном диапазонах, используется для измерения механической вибрации и ударов, параметров абсолютных колебаний невращающихся частей механизмов. Для получения достоверных результатов измерения рабочие (динамический и частотный) диапазоны используемого акселерометра должны соответствовать амплитудному спектру и динамическому диапазону измеряемой величины исследуемой вибрации, быть способными работать в условиях среды, окружающей датчик в месте его установки на объекте контроля.
Основные преимущества акселерометров:
— широкий амплитудный и частотный диапазон, высокая надежность и сравнительно низкая стоимость;
— линейная амплитудная характеристика в широком динамическом диапазоне;
— возможность при использовании интеграторов, включенных на выход акселерометра, получить сигнал, пропорциональный виброскорости и виброперемещению;
— способность работать в тяжелых окружающих условиях (температура, влажность, радиация, магнитные поля);
— высокая механическая надежность и долговечность, чему способствует отсутствие в датчике движущихся частей, как например, в датчиках, работающих в режимах виброметра и велосиметра;
— высокая вибро- и ударопрочность;
— отсутствие необходимости источника питания, так как пьезоакселерометр является датчиком генераторного типа;
— малогабаритная компактная конструкция и большое значение отношения чувствительности к собственной массе.
Основными недостатками пьезоэлектрических преобразователей являются высокое выходное сопротивление и низкая помехозащищенность. В меньшей степени эти недостатки свойственны пьезорезистивным преобразователям, относящимся к классу параметрических преобразователей. Выходной сигнал пьезоэлектрического акселерометра пропорционален ускорению воздействующей на него вибрации. Этот сигнал путем одинарного и двойного интегрирования можно преобразовать в сигнал, пропорциональный скорости и перемещению.
Однако интегрирование в области низких частот связано с большим усилением сигнала, а следовательно, снижением помехоустойчивости и искажением фазочастотной характеристики, что, как указывалось выше, при измерении размаха и пикового значения вибрации приводит к большой погрешности. Поэтому к определению нижней границы частотного диапазона акселерометра с интеграторами и к принятию мер по снижению их влияния на правильность результата измерения нужно подойти с учетом указанных выше факторов. Применение электронного интегратора идентично включению фильтра нижних частот, обусловливающего ослабление высокочастотных составляющих вибрации.
Простейший пьезоэлектрический преобразователь можно представить в виде пластины, изготовленной из кварца или искусственной пьезокерамики.
Для изготовления пьезокерамики применяют цирконат-титанат свинца (ЦТС), титанат висмута (ТВ) и др. Пластину прикрепляют к воспринимающему внешние колебания основанию, на другой стороне пластины располагают груз массой m. Собственная частота сейсмической системы такого преобразователя
(15.2)
где 
— коэффициент упругости пьезоэлемента в направлении приложения силы инерции груза массой m.
В частотном диапазоне 
на выходе преобразователя образуется заряд q (t), пропорциональный воспринимаемому виброускорению a(t):
(15.3)
где 
и k — пьезомодуль и коэффициент преобразования соответственно.
Величина заряда q(t) преобразуется в электрическое напряжение или ток.
При выборе пьезоэлектрических преобразователей для конкретных испытаний необходимо учитывать их температурный, амплитудный и частотный диапазоны, коэффициенты преобразования, частоту установочного резонанса и т. д.
В пьезопреобразователях используются различные виды деформаций: растяжения–сжатия, сдвига и изгиба пьезоэлемента [1]. Соединение пьезоэлемента с инерционной массой и другими конструктивными элементами может осуществляться путем:
— склеивания;
— поджатия пружиной;
— склеивания и одновременно поджатия.
Клееные преобразователи обладают постоянной жесткостью механического контакта за счет поджатия и демпфирования пьезоэлемента и инерционной массы, обеспечиваемого клеевым переходом. К недостаткам этого соединения относятся:
— возникновение начальных механических напряжений в результате усадки клея, снижающих механическую прочность пьезоэлемента и приводящих к увеличению поперечной чувствительности пьезопреобразователя;
— ограничение вибрационной прочности.
В конструкциях с предварительным механическим поджатием пьезоэлемент работает на сжатие–растяжение. Упругое поджатие достигается с помощью тарельчатой пружины, а иногда специальным винтом. Жесткость механических контактов зависит от двух факторов:
— высоты микро- и макронеровностей;
— усилия предварительного поджатия, которое уменьшает изгибные деформации пьезоэлемента, уменьшает и симметрирует нелинейность деформации пьезоэлемента.
Инерционные усилия от изменения ускорения увеличивают или уменьшают воздействие одного из факторов на жесткость контактов, изменяя как коэффициент преобразования, так и собственную частоту преобразователя. Поэтому использование датчиков с предварительным поджатием для измерения ускорений, превышающих указанные в документации (особенно в обратном направлении), неизбежно приводит к большим погрешностям измерения. Однако наличие качественного поджатия обеспечивает большую, чем у клеевой конструкции, механическую вибропрочность и меньшую поперечную чувствительность.
Имеется несколько типов конструктивных схем, основанных на использовании различным образом поляризованных пьезоэлементов, снятии зарядов с определенных граней и способе нагружения пьезоэлемента, основными из которых являются 5 конструктивных схем [1].
В первой схеме пьезоэлементы работают на растяжение–сжатие (рис. 15.5).
Рис. 15.5. Конструктивные схемы пьезоэлектрических преобразователей, работающих на растяжение–сжатие:
а — клееный; б — клеено-поджатый; в — с параллельно включенными пьезоэлементами
По этой схеме работает большинство используемых в практике акселерометров. Она проста, конструктивно и технологически позволяет изготавливать миниатюрные высокочастотные акселерометры, работающие при высоких температурах. Недостатками являются:
— температурная зависимость коэффициента преобразования;
— сравнительно большая поперечная чувствительность.
Вторая схема базируется на том, что пьезоэлементы работают на срез (рис. 15.6).
Рис. 15.6. Конструктивные схемы пьезоэлектрических преобразователей, работающих на срез:
а — с использованием поперечного пьезоэффекта; б — с пьезоэлементом, работающим на срез
По этой схеме работают разнообразные конструкции, выпускаемые ведущими зарубежными фирмами «Брюль и Кьер», «Эндевко» и др. Это акселерометры типа Delta Schear фирмы «Брюль и Кьер» и Isoschear («Эндевко») с пьезоэлементами, работающими на срез. Акселерометры типа Delta Schear фирмы «Брюль и Кьер» содержат три плоских пьезоэлемента, закрепленных между расположенной в центре опорной стойкой треугольного сечения и тремя сейсмическими массами, сжатыми упругим стяжным кольцом. Поскольку стяжное кольцо действует на массы и пьезоэлементы с большой радиальной силой, а все элементы тщательно обработаны и притерты, в этих акселерометрах для соединения его элементов не требуется ни винтов, ни клеевых соединений. Акселерометры Delta Schear отличаются большим отношением чувствительности к собственной массе и малой чувствительностью к деформации основания и резким изменениям температуры. На рис. 15.6, б приведена конструкция акселерометра с пьезоэлементом, работающим на срез, и принципиально не отличающимся от акселерометра Delta Schear. Акселерометры, выполненные по этой схеме, также обладают малой чувствительностью к деформации основания и изменениям температуры.
В третьей схеме пьезоэлементы работают на изгиб (рис. 15.7).
В этой схеме пьезоэлемент может быть выполнен в виде:
— пластинки, нагруженной на конце массой;
— в виде диска, закрепленного в центре и нагруженного массой по периферии.
Для увеличения прочности пьезоэлемент наклеивается на металлическую подкладку. Пьезоакселерометры с кольцевым пьезоэлементом (рис. 15.7, в) обладают высоким коэффициентом преобразования, очень малой поперечной чувствительностью (1. . . 2 %) и сравнительно низкой собственной частотой.
Рис. 15.7. Конструктивные схемы пьезоэлектрических преобразователей, работающих на изгиб:
а, б — с изгибным консольным элементом, подкрепленным и биморфорным соответственно; в — с изгибным грибообразным чувствительным элементом
По четвертой схеме работает пьезоакселерометр, собранный по «поворотной» схеме. Чувствительность такого акселерометра в четыре раза превышает чувствительность пьезоакселерометра таких же размеров и массы, использующего пьезоэлемент, работающий на растяжение–сжатие. На базе такой схемы легко выполнить двухкомпонентный пьезоакселерометр с одним инерционным элементом практически в тех же размерах, что и однокомпонентный. Чувствительность к деформации основания акселерометра такой конструкции очень мала. По такой схеме выполнены двухкомпонентные пьезоакселерометры типа 2ПА-22, нашедшие широкое применение при исследовании и эксплуатационном контроле энергетического оборудования, и особенно оборудования АЭС.
В пятой схеме — акселерометр с встроенным согласующим устройством — может быть выполнен любой из описанных выше акселерометров. Совмещение пьезоакселерометра с согласующим устройством или усилителем- возбудителем линии передач там, где это позволяют размеры и температура окружающей среды, дает возможность повысить его помехозащищенность, исключить соединительный кабель и обеспечить низкоомный выход. Эффективно использование пьезоакселерометра с встроенным усилителем при измерении инфранизкочастотных колебаний, где особо важно обеспечить высокую помехозащищенность. Действие большинства параметрических преобразователей основано на изменении комплексных сопротивлений или проводимости электрических цепей. Наибольшее распространение получили индуктивные, трансформаторные, вихретоковые, магнитоупругие, механотронные и емкостные преобразователи.
Помимо пьезоэлектрических производятся также так называемые пьезорезистивные датчики, использующие эффект пьезорезистивности — изменения электрического сопротивления некоторых кристаллов под действием приложенных механических сил. Пьезорезистивные датчики позволяют производить измерения вплоть до 0 Гц.
В настоящее время в отечественной и зарубежной практике используются бесконтактные вихретоковые преобразователи для контроля относительной вибрации элементов работающего оборудования, например, вала относительно подшипников. Измерение относительной вибрации методом вихревых токов основано на регистрации изменений электромагнитного поля в зависимости от зазора между возбуждающей вихревые токи электрической катушкой и электропроводной поверхностью изделия, совершающего механические колебания, где наводятся вихревые токи.
На интенсивность и характер распределения вихревых токов, возбуждаемых на поверхности объекта существенное влияние оказывают:
— величина контролируемого зазора;
— толщина токопроводящего слоя;
— магнитная проницаемость и удельная электрическая проводимость материала объекта.
Глубина проникновения вихревых токов в металл зависит от их частоты.
Увеличивая частоту тока питания катушки можно добиться возбуждения вихревых токов только в тонком поверхностном слое контролируемого объекта. Влияние магнитной проницаемости объекта контроля учитывают при калибровке аппаратуры. Метод измерения относительной вибрации с помощью вихревых токов имеет ряд существенных преимуществ перед прочими бесконтактными методами (емкостным, индуктивным):
— он практически безинерционен в звуковом диапазоне частот;
— пределы измерения амплитуд виброперемещения простираются от мкм до мм в зависимости от диаметра катушки;
— частотный диапазон — от нуля до сотен килогерц в зависимости от частоты тока, питающего катушку.
Вихретоковые датчики просты и надежны по конструкции, не чувствительны к поперечным вибрациям [1].
Рис. 15.8. Конструкция вихретокового преобразователя
Конструктивно вихретоковый преобразователь (рис. 15.8) выполнен в виде накладной цилиндрической катушки 5 (накладными называют катушки, которые располагают над поверхностью изделия) с ферритовым сердечником 4, помещенными в пермаллоевый концентратор 6, изолированный от корпуса изоляционной втулкой 3. Вся конструкция смонтирована в корпусе 1 и наконечнике 2. При расположении катушки, по которой течет переменный ток, в непосредственной близости от испытуемого изделия обнаруживается ее взаимодействие с изделием. Если изделие изготовлено из неферромагнитного металла, то часть энергии превращается в тепло (активные потери), а часть идет на уменьшение индуктивности катушки (реактивные потери). Если изделие выполнено из ферромагнитного металла, то имеет место увеличение индуктивности катушки. При этом с ростом частоты питающего тока, хотя и имеет место некоторое увеличение активных потерь, индуктивность катушки возрастает.
Однако по мере увеличения частоты возрастает и влияние емкости связи и межвитковой емкости.
Функциональная схема вихретокового датчика включает в себя генератор несущей частоты, который через цепочку связи питает катушку индуктивности, настроенную в резонанс на частоту генератора при отсутствии вблизи рабочей поверхности датчика металла. Комплексное сопротивление катушки в случае ее приближения к металлу складывается из собственного сопротивления катушки и вносимого сопротивления, а следовательно, напряжение на катушке зависит от расстояния ее до металлической поверхности. При перемещении этой контролируемой поверхности относительно торца катушки напряжение на ней модулируется по амплитуде по закону перемещения объекта, вибрация которого контролируется. Это напряжение передается на детектор, с выхода которого постоянная и переменная составляющие продетектированного напряжения датчика поступают на вход каскада согласования, который служит для согласования высокого выходного сопротивления детектора с низким входным сопротивлением канала усиления и с большой реактивной нагрузкой линий связи. Постоянная составляющая напряжения на выходе детектора пропорциональна зазору между вибродатчиком и объектом, переменная — виброперемещениям объекта.
Имеются схемы, использующие не амплитудную, а частотную модуляцию. По сравнению с преобразователями вихревых токов, работающими по принципу частотной модуляции, недостатком вихретоковых преобразователей с амплитудной модуляцией является чувствительность к переменным электромагнитным полям, но она незначительна. Лучшие результаты дает реализация частотного метода, являющегося более чувствительным к изменению проводимости металла изделия.
В данном случае катушка включается в частотно-задающую цепь автогенератора, что позволяет за счет изменения ее индуктивности, вызванного перемещениями изделия при вибрации, осуществлять изменения частоты автогенератора. Выбор рабочей частоты автогенератора зависит от метода получения полезной информации, положенного в основу измерительной схемы. Он определяет характер вносимых сопротивлений, зависящий от электропроводности металла (его удельной электрической проводимости), из которого изготовлено испытуемое изделие, а также от зазора между катушкой и поверхностью изделия. Характер вносимых сопротивлений определяет тип преобразователя (индуктивный или вихретоковый). Датчики могут быть одно- и двухкатушечными. Катушки могут быть различными по диаметру и высоте намотки. Число витков катушки определяется выбранной частотой тока питания. Введение ферритового сердечника повышает чувствительность датчика, но повышает и зависимость его чувствительности от материала контролируемого объекта.
Наиболее известные у нас отечественные приборы с вихретоковыми бесконтактными преобразователями выпускают фирмы «Виконт», «Элексир», НПО «Эрг» и др. Фирмы Bently Nevada corporation и Metrix Instrument Co выпускают серию унифицированных по чувствительности вихретоковых датчиков, отличающихся массой и длиной кабеля. Бесконтактные вихретоковые датчики относительной вибрации выпускают также Schenk (ФРГ), Vibrometer (Швейцария) и др. В большинстве типов схем, используемых в вихретоковых датчиках, возможно измерение как постоянной составляющей, т. е. зазора между датчиком и поверхностью, так и относительной вибрации, возможна калибровка датчика в статическом режиме.
Отметим технические характеристики некоторых датчиков.
Датчик перемещения ДП-И ИЦФР.402248.001 предназначен для бесконтактного измерения зазора (осевого сдвига), размаха и амплитуды виброперемещения, модуля векторной суммы виброперемещения по двум каналам и мгновенного значения измеряемого параметра. Область применения — контроль за положением и виброперемещением элементов конструкции газо- и нефтеперекачивающих агрегатов, паровых и газовых турбин, насосов, двигателей и других объектов.
Измеряемые параметры:
— зазор (осевой сдвиг, среднее положение вала) (от 0 до 2,5 мм);
— амплитуда (peak) виброперемещения;
— размах (peak to peak) виброперемещения (до 500 мкм);
— амплитуда векторной суммы виброперемещения двух каналов;
— мгновенное значение сигнала.
Датчик виброскорости HAUBER 640 со встроенной электроникой имеет
следующие характеристики:
— диапазон частот 5 Гц. . . 1 кГц;
— максимальная виброскорость от 8 до 1000 мм/с;
— рабочий диапазон температур −40 . . .+85 ◦С;
— напряжение питания 12. . . 30 В;
— вес 150 г.
Векторный акселерометр тип ВТК-1 имеет следующие характеристики:
— диапазон измерения виброускорений (СКЗ), 0,5. . . 1400 мс−2;
— диапазон частот 5. . . 5000 Гц;
— масса датчика 27 г.
Датчики вибрации пьезоэлектрические МВ-06, МВ-37, МВ-38 предназначены для:
— преобразования ускорений в широкой полосе частот;
— работы в составе аппаратуры контроля вибрации авиационных ГТД.
К поверхности контролируемого объекта, находящейся под местом установки датчика, предъявляется ряд требований, имеющих целью исключить дополнительные погрешности:
— поверхность должна быть гладкой;
— недопустимы неоднородность состава поверхностного слоя объекта, присутствие локального остаточного магнетизма.
В непосредственной близости от датчика со стороны боковых частей не должно быть больших масс металла, иначе датчик приходится экранировать, а это приводит к снижению его чувствительности. Система крепления датчика не должна иметь резонансов в рабочем диапазоне частот. В промышленных условиях вихретоковые преобразователи получили наибольшее распространение для измерения вибрации вала относительно вкладыша опорного подшипника.
Существует по крайней мере три основных способа установки виброакустических датчиков для проведения измерений:
— жесткое крепление с помощью шпильки, винтов, клея;
— быстросъемное крепление с помощью магнита, воска, липкой ленты, специального держателя и т. п.;
— обеспечение контакта датчика с объектом путем прижатия и удержания его рукой к объекту. Виброакустический сигнал передается через специальный щуп или элементы корпуса, контактирующие с объектом. Такие измерения называют «измерениями с помощью щупа».
Лекция № 16. Вибродиагностика. Методы испытаний и оборудование
Дата: 2018-11-18, просмотров: 848.
