Лабораторная работа: Виброизмерительные преобразователи
При линейной зависимости между Е и V:
где Е – максимальное значение сигнала при ряде измерений в различных положениях вибропреобразователя.
• относительный коэффициент поперечного преобразования вибропреобразователя – отношение коэффициента поперечного преобразования к коэффициенту преобразования:
• возможность использования вибропреобразователя при температурных, влажностных и других климатических воздействиях.
• независимость измерения от внешних электрических и магнитных полей.
• возможность использования вибропреобразователя для измерений в эксплуатационных, лабораторных и производственных условиях, а также для метрологических целей.
3. Основные критерии оценки бесконтактных вибропреобразователей
Для сравнения бесконтактных методов измерения параметров вибрации и основанных на них виброизмерительных преобразователей целесообразно пользоваться, помимо перечисленных параметров, следующими критериями оценки: характер физических полей или излучений, взаимодействующих в процессе измерений; величина зазора между вибрирующим изделием и чувствительным элементом вибропреобразователя, а в ряде случаев и источником (излучателем) колебательной энергии; погрешность установки зазора; разрешающая способность метода измерений; критичность к качеству механической развязки вибратора и вибрирующего изделия с источником (излучателем) колебательной энергии или чувствительным элементом вибропреобразователя.
Характер взаимодействия используемых физических полей колебательной энергии (механических или электрических волновых явлений) с поверхностью материала изделия существенно зависит от условий их распространения. При этом, в случае использования энергий электрического или магнитного полей (радиотехнического диапазона частот) необходимо учитывать электрические и магнитные свойства изделия.
Зависимость возможности реализации ряда бесконтактных методов измерений параметров вибрации от характера взаимодействия используемой для измерений колебательной энергии с материалом изделия приводит в ряде случаев к необходимости искусственного придания поверхности изделия определенных свойств (создание зеркального отражения, обеспечения электропроводимости и т.д.). Если при этом происходит заметное изменение габаритов и масс испытываемых изделий, то данный метод нельзя рассматривать как бесконтактный.
Величина зазора между вибрирующим изделием и чувствительным элементом вибропреобразователя или источником (излучателем) колебательной энергии для ряда методов является весьма критичной, поскольку от нее зависит максимальная величина измеряемой амплитуды перемещения, а также порог чувствительности вибропреобразователя. Для некоторых методов погрешность измерений зависит не только от величины зазора, но и от соотношения величины максимальной амплитуды перемещения (Sa max) и величины зазора So. Причем в ряде случаев имеются определенные требования к величине данного соотношения (Sa max/So). Например, для бесконтактного электретного вибропреобразователя Sa max/So < 0,1. Порог чувствительности для ряда методов определяется максимальной величиной зазора, при которой сигнал на выходе вибропреобразователя оказывается соизмеримым с уровнем шумов или минимальное изменение измеряемого параметра вибрации вызывает изменение показаний виброметра, соизмеримое или меньше числа отсчета измеряемой величины. Зависимость точностных характеристик некоторых методов измерений от предельных значений зазора, а ряде случаев от точности его установки, приводит к необходимости введения в рассмотрение параметра – погрешность установки зазора.
Разрешающая способность метода измерений характеризует его способность обеспечивать раздельное наблюдение и измерение параметров вибрации близко расположенный друг к другу элементов конструкций или изделий. При измерении линейной вибрации следует пользоваться разрешающей способностью в плоскости и разрешающей способностью по зазору, т.е. по расстоянию от источника (излучателя) колебательной энергии до вибрирующего элемента конструкции или изделия.
Разрешающей способностью в плоскости называется минимальное расстояние между элементами конструкции или изделия, расположенными в одной плоскости, при котором возможно раздельное измерение их параметров вибрации.
Разрешающей способностью по зазору называется минимальная разность зазоров между элементами конструкции или изделиями и вибропреобразователем или источником (излучателем) колебательной энергии, при котором возможно раздельное измерение их параметров вибрации. При измерении угловой вибрации следует пользоваться разрешающей способностью по зазорам и разрешающей способностью по угловым координатам.
Разрешающей способностью по угловым координатам называется минимальная разность угловых координат элементами конструкции или изделиями, находящимися на одинаковом расстоянии от вибропреобразователя или источника (излучателя) колебательной энергии, при котором возможно раздельное измерение их параметров угловой вибрации.
Критичность к качеству механической развязки вибратора и вибрирующего изделия с виброизмерительной системой (излучатель энергии и вибропреобразователь) связана с тем, что в основу бесконтактных методов положен кинематический метод преобразований.
4. Понятие пьезоэффекта и его основные параметры
В настоящее время наиболее широкое применение контактные пьезоэлектрические вибропреобразователи инерционного действия. Пьезоэлектрические вибропреобразователи основаны на использовании явлений прямого и обратного пьезоэффектов. При прямом пьезоэффекте под действием механических сил на некоторые вещества с кристаллической структурой возникает деформация элементарных ячеек кристалла, приводящая к смещению положительных и отрицательных ионов относительно друг друга, что вызывает электрическую поляризацию вещества. При обратном пьезоэффекте воздействие внешнего электрического поля вызывает относительное смещение положительных и отрицательных ионов, что приводит к деформации вещества. Пьезоэффект наиболее сильно выражен у кварца, сегнетовой соли, титаната бария, цирконата титана свинца (ЦТС), ряда других материалов.
Основными параметрами, характеризующими Пьезоэффект являются: напряженность электрического поля £, поляризация Р (или электрическая индукция D), упругое напряжение <3 и деформация С3. Упругое напряжение (СТ) определяется как сила, действующая на единицу площади. Деформация L, объема пьезоэлемента сопровождается некоторым его смещением Y, которое может быть представлено вектором с компонентами Yx, YY, Yz, направленными по осям симметрии кристалла. Поляризация Р изотропного диэлектрика, помещенного в электрическое поле 8, определяется следующей формулой:
где X – коэффициент поляризации. Величины Р и 8 являются векторами, Электрическая индукция:
где ЕО – электрическая постоянная;
Е – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
Если пренебречь анизотропными свойствами диэлектрика и предположить однонаправленность электрического поля, то математическое выражение прямого пьезоэффекта имеет вид:
где d – пьезомодуль, характеризующий взаимозависимость между механическими и электрическими величинами;