Измерение характеристик механических колебаний

Механические колебания – периодическое изменение во времени параметров движения (перемещение, скорость, ускорение).

Различают детерминированные и стохастические колебания. При стохастических колебаниях процесс описывается случайной функцией и является следствием случайной совокупности различных причин.

Цель измерения механических характеристик колебаний – получение информации об амплитуде, частоте и фазе параметров движения.

В случае измерения характеристик стохастических колебаний определяются статистические оценки параметров движения: дисперсия, среднее значение максимальных и минимальных отклонений, вероятность выбросов, корреляционные и спектральные функции.

Применяют механические, электрические и оптические измерительные приборы.

Рис. 4.5. – Схема измерения вибраций механическими приборами

1-лента; 2-пишущее перо; 3-пружина; 4-механический щуп; 5-объект измерения; 6-корпус.

Предельная измеряемая частота зависит от жесткости пружины и приведенной массы щупа с пером.

В электрических приборах измерительная цепь состоит из измерительного преобразователя, преобразующего механические колебания в электрические сигналы, усилителя сигналов и регистрирующего прибора. Для избирательного измерения сигнал подается на анализатор.

Рис. 4.6. – Схема измерительного преобразователя абсолютных виброперемещений

1-объект измерения; 2-выходные провода; 3-индуктивный преобразователь; 4-пружина; 5-инерционный элемент; 6-корпус; 7-демпфер.

Корпус 6 крепится к объекту измерения 1. При колебаниях инерционный элемент 5 стремится сохранить состояние покоя. Его перемещение под действием силы пружины зависит от соотношения собственной частоты колебаний груз-пружина и измеряемой частоты вибраций. Относительные перемещения корпуса и инерционного элемента фиксируются индуктивного преобразователя 3.

Кроме индуктивных применяются электродинамические, электромагнитные и трансформаторные преобразователи (акселерометры), сигнал которых пропорционален виброускорению.

Рис. 4.7. Пьезоэлектрические акселерометры

1-пьезоэлемент; 2-тарельчатая пружина; 3-крышка; 4-инерционный элемент (груз); 5-корпус;

1. Методы и средства измерения силовых и энергетических величин

Измерение сил

Используются физические эффекты, в которых имеет место линейная зависимость между механической нагрузкой на чувствительный элемент преобразователя и другими величинами (упругой деформацией, электрическим разрядом, магнитной проницаемостью и др.

В большинстве методов используется линейная зависимость между силой и упругой деформацией пружинных элементов.

Упругий элемент вместе с приданными ему элементами (механическими и электрическими), выполняющими функции преобразователя, образует преобразователь силы (динамометр).

Механические динамометры применяют преимущественно для единичных измерений постоянных сил в тех случаях, когда требования к точности сравнительно невелики.

Рис. 5.1. – Схема механического динамометра

1-скоба; 2-индикатор часового типа; 3-винт с контргайкой (для установки на нуль).

Электрические динамометры получили наибольшее распространение, т.к. они пригодны для измерения сил в большом диапазоне значений (от 5Н до 10 Мн) и имеют небольшую погрешность измерения (до 0,03%).

Тензорезисторный преобразователь больших сил включает тензорезисторы 3, которые наклеиваются на специально подготовленные места упругого элемента 1. Корпус 2 обеспечивает защиту терморезисторов и закрепление выводных проводов.

Рис. 5.2. – Тензорезистроный измерительный преобразователь больших сил

Для измерения относительно небольших сил применяют чувствительные элементы, которые работают на изгиб.

Рис. 5.3. – Тензорезисторный измерительный преобразователь небольших сил

Тензорезисторы включаются в измерительную (обычно мостовую или полумостовую схему).

Рис. 5.4. – Мостовая схема включения тензорезисторов

В магнитоупругих дроссельных преобразователях сердечник чувствительного элемента 1 под действием усилия F сжимается. При этом изменяется его магнитная проницаемость (или индукция), следовательно изменяется индуктивное сопротивление измерительной катушки 2. Магнитный поток замыкается через кожух 4, котором смонтирован вывод 3 для проводов.

Рис. 5.5. – Магнитоупругие дроссельные измерительные преобразователи усилий

Пьезоэлектрические измерительные преобразователи обычно применяют для измерения динамических сил. На рис.5.6. приведена схема так называемой «Измерительной шайбы».

Рис. 5.6. – Пьезоэлектрические измерительные преобразователи:

а- для измерения переменных сил; б - постоянных

При ее нагружении силой вдоль оси на поверхности кварцевых пластинок 1 и 4 появляется пропорциональный нагрузке электрический заряд. Элементы 3 и 6 шайбы создают предварительное нагружение пластинок за счет завальцовки, что необходимо для повышения жесткости вибропреобразователя. Пластинки кварца прилегают друг к другу гранями противоположной полярности и включены в электрическую сеть параллельно. Сигнал с электрода 2 снимается проводником через вывод 5 и при помощи усилителя преобразуется в соответствующее электрическое напряжение. Такой преобразователь позволяет динамические силы высоких частот (до 100кГц), причем погрешность измерения не превышает 1%.

Для измерения статических и медленно, непериодически изменяющихся сил применяются пьезоэлектрические резонаторы или пьезоэлектрические трансформаторы рис.б. Он представляет собой пьезоэлемент 1 с тремя электродами 7, 3 и 6, образующими 2 системы. Часть, подключенную к источнику питания, называют возбудителем, а часть, подключенную к измерительной схеме 4,– генератором. В возбудителе переменный ток за счет обратного пьезоэффекта преобразуется в энергию акустических волн, которые, зарождаясь на границах электродов, распространяются по всему объему трансформатора. В генераторе механическое напряжение за счет прямого пьезоэффекта преобразуется в электрический сигнал. Пьезоэлемент с электродами помещен между демпфирующими прокладками 2 и 5. Под действием измеряемого усилия фактическая площадь упругого контакта между поверхностями пьезоэлемента и демпфирующих прокладок. Входное напряжение генератора пропорционально площади контакта.