Вибрационные датчики

На рис. 1 показаны основные элементы устройства для измерения вибраций - датчика вибраций. В простейшей схеме датчик вибраций можно представить в виде сейсмической массы m , прикреплённой пружинами внутри корпуса. Корпус установлен на конструкции, вибрации y которой должны быть измерены.

Рис. 1. Принципиальная схема датчика вибраций. х -координата массы; у - координата поверхности, на которой закреплён датчик; z - сигнал с датчика; m -масса; k - жесткость подвеса; c - демпфирование в датчике

Очевидно, что сейсмическая масса внутри корпуса совершает относительное движение x- y.

Чтобы понять принцип работы датчика, рассмотрим уравнение движения сейсмической массы m:

(1)

Обозначим относительное перемещение массы и корпуса

(2)

Объединяя уравнения (1) и (2), получаем

(3)

В предположении гармонического движения конструкции, на которой установлен корпус

(4)

получим

(5)

Решение уравнения (5) ищется в виде

(6)

Проведя соответствующие подстановки, получим выражение для амплитуды относительного смещения Z:

(7)

и его фазы:

(8)

В выражениях (7) и (8) V - относительный коэффициент демпфирования, wn - частота собственных колебаний. На рис.2 представлена графическая интерпретация решения.

Рис.2. Амплитудно-частотная характеристика устройства для измерения вибраций.

Полученные уравнения являются общими для всех типов вибрационных датчиков. Сам же тип датчика определяется соотношениями его резонансной частоты и частотным диапазоном измеряемого сигнала. В соответствии с этим можно выделить два типа датчиков - сейсмометры и акселерометры.

Сейсмометр имеет очень низкую частоту собственных колебаний. Поэтому область частот, для которых такой датчик используется, характеризуется большой величиной w / wn. Если w / wn ®¥, то относительное перемещение становится равным Y, или Z / Y = 1. Поэтому масса m находится в стационарном положении, в то время как корпус датчика движется вместе с колеблющимся телом.

Одним из основных недостатков сейсмометра является его большой размер. Так как |Z| = |Y| , то относительное движение сейсмической массы должно быть того же порядка, что и вибрации, которые должны быть измерены.

Относительное движение обычно в сейсмометрах преобразуется в электрическое напряжение. В корпусе сейсмометра помещается обмотка, через которую и будет проходить сейсмическая масса, выполненная из магнитного материала. Так как напряжение, возникающее в обмотке, пропорционально скорости изменения магнитного потока, то напряжение на выходе датчика пропорционально скорости колеблющегося тела. Обычно датчики такого типа, применяемые в двигателестроении имеют собственную частоту в диапазоне до 30 Гц и полезный частотный диапазон до 500 Гц. Чувствительность датчиков составляет около 100 мВ с/см, максимальное перемещение около 1 мм.

Акселерометры имеют высокую частоту собственных колебаний. Частотный диапазон, в котором они обычно работают, определяется величиной w / wn, которая лежит в пределах от 0 до 0,4. Из уравнения (7) видно, что при |w / wn| ®0, перемещение становится равным

(9)

Другие стьтьи в тему

Расчет супергетеродинного приемника в диапазоне средних волн
Изобретение радиосвязи великим русским ученым А.С. Поповым в 1895 г. одно из величайших открытий науки и техники. В 1864 г. английский физик Максвелл теоретически доказал существование электромагнитных волн, предсказанное еще Фарадеем, а в 1888 г. немецкий ученый Герц эксперимент ...

Разработка газолазерной головки для резки полимерных композиционных материалов
Полимерные композиционные материалы: основные типы Композиционные материалы (композиты) [1] - многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных в ...