Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 0. Общие положения

Альтернативным является метод, при котором эталонный и ис­пытуемый датчики крепят на площадке внутри термокамеры. Этот метод ограничен диапазоном температур, в котором известны темпе­ратурные свойства эталонного датчика.

Для датчиков, чувствительных к статическому ускорению, изме­ряют разбаланс нуля при максимальной и минимальной температу­рах.

Датчики с внутренним демпфированием больше 10 % критичес­кого демпфирования следует калибровать как минимум на четырех частотах при одном значении амплитуды вибрации и при пяти зна­чениях температуры, включая комнатную. Этот метод должен при­меняться при испытаниях, например, датчиков электродинамичес­кого типа, в которых используются катушки с проводом. Частоты выбирают из частотного диапазона в зависимости от предполагаемо­го использования.

У пьезоэлектрических датчиков после их стабилизации при мак­симальной температуре измеряют внутреннюю емкость и сопротив­ление. При этом, если его сопротивление настолько низкое, что вли­яет на низкочастотную область характеристики применяемого уси­лителя, необходимо откалибровать датчик в низкочастотной области при этой температуре. Для адекватного описания частотной характе­ристики испытания проводят на нескольких частотах. При этом ка­либруется полная система с использованием того усилителя, кото­рый будет эксплуатироваться с датчиком.

Температурную чувствительность вычисляют как разность между чувствительностью датчика, измеренной при нормальной темпера­туре (20 °С) на частоте из диапазона частот, в котором частотная характеристика датчика линейна, и чувствительностью датчика при испытательной температуре. Эта разность выражается в процентах от чувствительности при нормальной температуре. Желательно ис­пользовать датчики, температурная чувствительность которых не превышает 15 % во всем рабочем диапазоне температур.

Примечание — Высокая температура может влиять как на частотную характеристику в низкочастотной области, так и на помехоустойчивость и стабиль­ность системы датчик — усилитель.

Пьезоэлектрические датчики под действием перепада температур генерируют пироэлектрический сигнал. Это особенно очевидно для ферроэлектрических материалов. Значение пироэлектрического вы­ходного сигнала зависит от химического состава кристалла и конст­рукции датчика. Обычно частота пироэлектрического выходного сиг­нала значительно меньше 1 Гц. Большинство пироэлектрических сигналов датчика фильтруются благодаря частотным характеристи­кам усилителей в низкочастотной области. Таким образом, пиро­электрический выходной сигнал зависит от скорости изменения тем­пературы и от характеристик усилителя и датчика, используемых совместно.

Пироэлектрические испытания проводят, используя тот тип уси­лителя, с которым обычно используется датчик. Датчик крепят к алюминиевому бруску обычным способом крепления. Их быстро погружают в ванну с ледяной водой или другой подходящей жидко­стью, температура которой отличается от нормальной приблизитель­но на 20 °С. Жидкость в ванне должна быть оговорена. Масса бруска должна быть приблизительно в 10 раз больше массы датчика. Долж­ны быть приняты меры предосторожности, чтобы жидкость не про­никла в датчик или чтобы сопротивление электрической изоляции не снизилось при соприкосновении с жидкостью и т. д. Максималь­ное значение выходного сигнала усилителя и время от начала погру­жения до момента достижения этого максимума измеряют на осцил­лографе постоянного тока или на самописце. Если выходной сигнал в течение первых двух секунд изменит полярность и достигнет мак­симума противоположной полярности, то значение и время этого максимума тоже должны быть зарегистрированы.

Для датчиков ускорения чувствительность к перепаду температур выражают в м • с^-2/°С и определяют как частотное от деления макси­мального выходного сигнала датчика на произведение разницы меж­ду температурой жидкости в ванне и нормальной температурой на чувствительность датчика.

В особых случаях используют усилители, имеющие низкочастот­ную область значительно шире. Пироэлектрические испытания сле­дует проводить с использованием именно таких специфических уси­лителей. Для случаев, когда скорость изменения температур сильно отличается от получаемой при условиях, описанных выше, могут быть проведены испытания, имитирующие определенное изменение тем­пературы.

Относительную поперечную чувствительность обычно определяют на одной частоте ниже 500 Гц. Используемая частота должна быть оговорена.

Синусоидальное движение воспроизводят на частоте, на которой движение в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности, как минимум в 100 раз больше движения в направлении оси чувствитель­ности. Для значений относительной поперечной чувствительности мень­ше 1 % это требование является трудновыполнимым, поэтому для по­лучения достоверных значений относительной поперечной чувствитель­ности необходима большая осторожность и высокая квалификация.

Датчик крепят перпендикулярно направлению входного движения с помощью специального приспособления, позволяющего поворачи­вать его вокруг оси чувствительности на 360 ⁰ с шагом не более 45°. Поворачивая датчик определяют его максимальный выходной сигнал в поперечном направлении.

Некоторые линейные датчики вибрации восприимчивы к рота­ционному воздействию. Примерами таких датчиков являются изгиб- ные пьезоэлектрические и пьезорезистивные датчики ускорения и маятниковые сбалансированные (серво) датчики. В настоящее время из-за недостаточной изученности и отсутствия соответствующих средств испытаний не могут быть стандартизованы методы определения рота­ционной чувствительности датчиков. Однако внимание к существова­нию ротационной чувствительности привлечено и нужно принимать меры предосторожности при других испытаниях для того, чтобы пре­дотвратить погрешность измерения от этого эффекта.

Предпочтительным при определении изменения чувствительнос­ти датчика из-за прогиба его основания является следующий метод.

Датчик крепят на простой консольной балке, которая воспро­изводит радиус кривизны 25 м и относительную деформацию є = 250 • 10-⁶.

Стальная консольная балка крепится к жесткой опоре. Балка имеет следующие размеры: ширина 76 мм, толщина 12,5 мм, длина 1450 мм. Собственная частота обычно близка к 5 Гц. Деформацию измеряют тензометрами, закрепленными на балке около места креп­ления датчика, расположенного на расстоянии 40 мм от места крепле­ния конца балки. Движение в месте крепления должно контролиро­ваться с помощью датчика, закрепленного с использованием изоляции для предотвращения прогиба его основания. При этом применяют дат­чик, чувствительность которого не менее чем в 10 раз больше чувстви­тельности испытуемого датчика. Выходные сигналы от тензометров и испытуемого датчика регистрируют.

Систему возбуждают отклонением свободного конца балки вруч­ную. Выходной сигнал испытуемого датчика снимают в точке, где деформация поверхности балки составляет 250- 10~⁶. Это соответ­ствует радиусу кривизны балки 25 м. Погрешность, обусловленная деформацией, равна разнице между движением балки в месте креп­ления испытуемого датчика и движением, измеренным с помощью этого датчика. Деформационную чувствительность, выраженную в единицах выходного сигнала на относительную деформацию є, оп­ределяют делением значения этой погрешности на 250.

Деформационная чувствительность должна быть определена при различных амплитудах деформации и в различных направлениях.Максимальная деформационная чувствительность датчиков может при­вести к существенной погрешности измерений при определенных ус­ловиях применения и способах крепления.

Для определения магнитной чувствительности датчик помещают в известное однородное магнитное поле и поворачивают в нем. Мак­симальный выходной электрический сигнал датчика характеризует его магнитную чувствительность. Для датчиков ускорения магнитная чувствительность выражается в м • с ²/Тл ; для датчиков скорости — в м • с^-1/ Тл. При этом вибрация и электрические шумы должны быть исключены.

Изменение чувствительности датчика от крутящего момента оп­ределяют, прикладывая к датчику момент, равный половине норми­рованного, нормированному и удвоенному нормированному. Этому испытанию подвергают только датчики, устанавливаемые с помо­щью винтов, болтов или других резьбовых соединений. Если крепле­ние предусматривает более одного соединения, то соответствующие моменты должны быть приложены к каждому крепежному элементу. При этом необходимо убедиться в том, что посадочная поверхность датчика не имеет заусенцев или других дефектов, которые могут пре­пятствовать плоской установке датчика. Поверхность, на которую устанавливают датчик, также должна быть плоской и гладкой. Реко­мендуемые значения неплоскостности и шероховатости поверхности следующие: неплоскостность — не более 5 мкм; среднее квадрати­ческое значение шероховатости — не более 2 мкм. Для установления датчика монтажная поверхность должна иметь отверстия с резьбой, перпендикулярные поверхности с неперпендикулярностью не более 0,05 мм. Обычно рекомендуется смазывать посадочные поверхности. Крутящий момент должен прикладываться к незакрепленному дат­чику, т. е. крутящий момент увеличивается от нулевого до каждого из трех испытательных значений.

На работу некоторых типов датчиков могут влиять различные спе­циальные условия окружающей среды, такие как электростатические, переменные магнитные и радиочастотные поля, акустические поля, кабельные эффекты и радиация.

В настоящее время нет общепринятых методик для оценки влия­ния таких специфических условий на датчик, хотя в тех случаях, когда ожидается их существенное влияние, такие испытания прово­дят.

4. МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ

   1. Общие положения

Для выполнения прямой калибровки датчика применяют генера­тор вибрации, создающий на входе датчика регулируемый и измеря­емый сигнал, и средства для регистрации или измерения выходного сигнала датчика.

Датчик должен быть прикреплен к генератору вибрации или раз­мещен около него, если датчик предназначен для измерения отно­сительного движения между датчиком и вибрирующим объектом. Креп­ление должно быть достаточно жестким, чтобы передавать движение от генератора вибрации датчику во всем частотном диапазоне датчика. Собственная частота системы, состоящей из датчика, рассматриваемого как масса, и крепления в виде пружины с одной степенью свободы, должна быть выше верхней частоты частотного диапазона генератора вибрации.

Генераторами вибрации являются: устройство для поворота дат­чика по отношению к силе гравитации, центрифуга, электродина­мический генератор вибрации, наковальня баллистического маятни­ка и др.

Устройство для поворота датчика и центрифугу используют для калибровки на нулевой частоте. Ротационную калибровку в гравита­ционном поле Земли применяют для низкочастотных датчиков. Элек­тродинамический генератор вибрации обычно используют для ка­либровки датчиков в установившемся синусоидальном режиме. Бал­листические маятники, создающие кратковременное воздействие, используют для определения собственной частоты датчика в удар­ном режиме.Некоторые методы калибровки, описанные в этом стандарте, имеют специальное назначение. Тем не менее использование лазерного ин­терферометра рекомендуется для абсолютной калибровки и, главным образом, для калибровки эталонных датчиков предпочтительно на одной из частот 160; 80 или 16 Гц в зависимости от применения датчика. Этим методом может определяться и частотная характерис­тика датчика. Ее снимают на дискретных частотах во всем интересу­емом диапазоне частот. Большинство других калибровочных потреб­ностей может быть обеспечено сличением с эталонным датчиком, откалиброванным абсолютным методом. Калибровка обычно отно­сится к движущемуся основанию датчика, а калибровка методом «спи­на к спине» — к закрепленному основанию испытуемого датчика.