---

При калибровке датчиков на маленьких ускорениях сила тяжести может оказать значительное влияние, если датчик чувствителен к поперечным ускорениям. Поэтому датчик должен быть размещен на центрифуге таким образом, чтобы его ось максимальной поперечной чувствительности находилась в горизонтальной плоскости.

Чувствительность датчиков ускорения на нулевой частоте может быть определена с погрешностью не более 1 %. Калибровка на центри­фуге не дает информации о рабочем частотном диапазоне датчика.

Когда ось вращения центрифуги не параллельна вектору силы тя­жести Земли, ускорение, приложенное к датчику, закрепленному на центрифуге, кроме центростремительного ускорения ©I, будет иметь переменную гравитационную составляющую,

gsin cpsin (юґ), (ЗО)

g — ускорение силы тяжести земли;

где ср — угол между осью вращения и вертикальной осью;

at — переменный угол, образованный рабочей осью датчика и го­ризонтальной плоскостью.

Влияние гравитационной составляющей ускорения на датчик, представленный в виде системы пружина—масса, описано. Синусо­идальное ускорение может быть приложено к датчику, когда г = 0 и Ф = 90°. В этом случае гравитационную составляющую ускорения определяют с минимальной неопределенностью. Ее пределом явля­ется ускорение ±g на любой частоте вращения. Максимальная часто­та обычно меньше нескольких сотен герц, она ограничена конструк­цией центрифуги и возможностью ее балансирования.

Двойная центрифуга состоит из маленькой центрифуги, эксцент­рично установленной на большой, прочно закрепленной на стене. Вибрационный датчик, смонтированный на маленькой центрифуге, может быть приведен в движение независимо маленькой центрифу­гой или приводным ремнем со шкивом, закрепленным в простран­стве концентрично с большой центрифугой. При движении обеих центрифуг с постоянными угловыми скоростями ось чувствительно­сти датчика переменно меняет свое направление относительно цен­тра большой центрифуги. Составляющую ускорения а, м/с², прило­женную вдоль оси чувствительности датчика в любой момент време­ни t, рассчитывают по формуле

а = г_са] cos (m_p/) + r(© ±©_р)², (31) где г — расстояние между центрами двух центрифуг, м;

ю — угловая частота большой центрифуги, рад/с;

±<в_р — угловая частота маленькой центрифуги относительно боль­шой центрифуги, рад/с; знак плюс ставят, когда направле­ния вращений центрифуг совпадают, и минус — когда они противоположны.

t — время, с;

г — расстояние между центром тяжести сейсмической массы датчика и центром маленькой центрифуги, м.

Когда членом г(ю ± <в_р)² можно пренебречь, ускорение, приложен­ное вдоль оси чувствительности датчика, становится синусоидальным и рассчитывается по формуле

а = г со² cos (а)_рf). (32)

Член г (со ± <в_р )² равен нулю, когда ю и со_р равны, но противопо­ложно направлены.

Существует также составляющая ускорения, направленная пер­пендикулярно оси чувствительности, которая делает этот метод не­приемлемым для датчиков с высокой поперечной чувствитель­ностью.

Выражение (32) верно и составляющая ускорения вдоль оси чув­ствительности датчика будет строго синусоидальной при приведен­ных ниже условиях. Центр шкива совпадает с центром большой цен­трифуги. Шкив такого же размера закреплен концентрично с малень­кой центрифугой и соединен с другим шкивом ремнем. Большая цен­трифуга приводится в движение мотором. При этом угловые частоты обеих центрифуг вокруг их соответствующих центров будут всегда равны и противоположно направлены.

Двойную центрифугу используют для создания синусоидального ускорения до 500 м/с² в диапазоне частот приблизительно от 0,7 до 10 Гц.

Для калибровки линейных датчиков ускорения с нулевой частот­ной характеристикой и с незначительной поперечной чувствитель­ностью используют калибратор с поворотной опорой, принцип дей­ствия которого основан на гравитации Земли. Он применяется в ди­апазоне ускорений от минус g до плюс g. Калибруемый датчик прикрепляют к платформе на конце рычага для измерения составля­ющей ускорения вдоль рычага. Рычаг может быть отклонен на угол ср относительно вертикальной оси между 0° и 180°. Он снабжен стрел­кой для считывания значений угла ср с градуированного круга. Уро­вень основания, к которому прикреплен датчик, должен быть тща­тельно выставлен в положение ср = 0°. Установка рычага с погрешно­стью не более 0, Г осуществляется с помощью отградуированного круга.

Составляющую ускорения вдоль рычага рассчитывают по фор­муле

а — geos ср. (33)

Тогда изменение ускорения Да в зависимости от углового переме­щения Дер рассчитывают по формуле

Да = gsin Дер. (34)

Датчик ускорения подвергают воздействию составляющей уско­рения а₍ под прямым углом к направлению оси чувствительности датчика, равной рассчитанной по формуле

а, = gsin ер. (35)

Обычно это не влияет на результаты калибровки датчиков с не­значительной поперечной чувствительностью.

Примечание — Для достижения удовлетворительных результатов может потребоваться виброизоляция средств испытаний. Снизить воздействие вибрации позволяет также электронное фильтрование и усреднение в измерителях напряжения постоянного тока.

5.2.5 Калибровка методом удара

Большинство абсолютных методов ударной калибровки основаны на принципе измерения скорости. Это связано с тем, что скорость может быть измерена практически. Обычно калибруемый датчик крепят на наковальне, подвешенной каким-нибудь способом в поло­жении покоя. Затем молотком определенного вида ударяют по нако­вальне таким образом, чтобы вызвать ее кратковременное движение. Удар должен контролироваться, чтобы изменение скорости не было слишком быстрым или слишком медленным и не возбудило частот­ных составляющих за пределами рабочих диапазонов приборов. Ка­либруемые датчики скорости или ускорения должны иметь массу намного меньше, чем масса наковальни, на которой они крепятся. Направление оси чувствительности датчика должно точно совпадать с направлением силы удара во время столкновения. В процессе удара записывают выходной сигнал датчика во времени. Сразу после удара измеряют приращение скорости наковальни Av.

Приращение скорости может быть определено измерением времени движения наковальни в пределах известного расстояния. Для включе­ния электронного таймера могут использоваться фотоэлектрические и магнитные датчики. Приращение скорости Av, м/с, являющееся пря­мым результатом воздействия ускорения, приложенного во время удара, рассчитывают по формуле

'2

A

(36)

v= ^a(f)dt,
'і

где / и 0 — время начала и конца удара;

а (0 — ускорение, м/с².

Тогда выходной сигнал датчика и_а (0 рассчитывают по формуле

и

(37)

_а (0 = К_а• a (t) ,

где К_а— чувствительность датчика в единицах выходного сигнала на м/с².

Объединив выражения (36) и (37), решение относительно К_а даст

К

(38)

_а = J и₀ (0 dt / Av.

Формула (38) позволяет калибровать линейные датчики ускоре­ния по записи выходного сигнала во время баллистического удара.

Если удар проводится по наковальне, расположенной на пружине с линейной характеристикой, то он имеет форму полусинусоидаль-

ного импульса с площадью, равной 0,637 • h b, где hub — высота и ширина импульса соответственно. Форма и длительность импульсов обычно регулируются изменением массы, упругости и других началь­ных условий, таких как высота падения, давление воздуха или других физических параметров в зависимости от типа генератора удара.

Обе методики (удар по свободной наковальне и удар по подпру­жиненной наковальне) применимы для получения значения Ат, тре­буемого для формулы (38). Выходной сигнал датчика может быть зарегистрирован в процессе удара в виде функции времени быстро­действующим осциллографом или с помощью запоминающего ос­циллографа с фотографированием. Значения напряжения у_с и време­ни х_с могут быть оценены наложением сигнала с известными напря­жением и_с и временем t_e Коэффициент напряжения и коэффи­циент временной шкалы К₂ рассчитывают по формулам

= (39)

Ус ^лс

Площадь D записанного выходного сигнала датчика рассчитыва­ют по формуле

Х

(40)

2

D = ydx,
м

где х_; и х, — начало и конец удара, деления шкалы времени;

у — напряжение выходного сигнала, деления шкалы напря­жений.

Подстановка этих выражений в формулу (38) дает

к

(41)

₁к₂Р

Ду

Площадь D может быть получена графическим интегрированием записи ускорения во времени. При измерении площади под записью ускорения во времени обычно используют планиметрию. При опре­делении площади необходимо соблюдать осторожность, обращая внимание на уход нуля, зашкаливание и дребезг.

Интеграл в уравнении (38) может быть также определен с помощью электронного интегратора или цифровых интегрирующих и суммиру­ющих приборов. Это ускоряет процесс калибровки и уменьшает субъективные ошибки оператора.

Абсолютные методы ударной калибровки могут быть проведены с погрешностью менее 5 % практически во всем разумном диапазоне амплитуд и длительностей удара. При этом предполагается, что ка­либруемый датчик имеет линейную частотную характеристику в ин­тересующем диапазоне частот. Если это условие не выполняется, то значение результирующей погрешности очень трудно оценить. Кро­ме того, определенное значение чувствительности не дает никакой практической информации об амплитудно-частотной и фазо-частот­ной характеристиках. Однако это не ограничивает использование дан­ного метода. Более существенной проблемой является обеспечение тре­буемой точности.

5.3 Калибровка методом сличения

Вибрационные датчики, откалиброванные одним из вышеизло­женных методов, могут быть использованы в качестве эталонных для калибровки других датчиков. Метод, описанный в 5.2.1, является предпочтительным.

При калибровке методом сличения эталонный и калибруемый датчик, установленные соответствующим образом, подвергают одно­му и тому же движению на входе и измеряют их выходные сигналы х, и х, или отношение двух выходных сигналов. Если оба датчика чув­ствительны к одному и тому же параметру вибрации, т. е. оба чув­ствительны к скорости или к ускорению, и если характеристики обоих датчиков линейны, то амплитуда чувствительности датчика 2 — К_г связана с соответствующей амплитудой чувствительности эталон­ного датчика 1 следующим соотношением

(42)

Калибровка методом сличения ограничена диапазоном частот, длительностью импульса и амплитудами, для которых датчик 1 был откалиброван. Также может быть определена и комплексная чувстви­тельность к₂ датчика 2, если известна фазо-частотная характеристика датчика 1 и измерено отношение фаз между х, и Х;.Если два датчика чувствительны к различным параметрам вибра­ции, например, если датчик скорости сравнивают с датчиком ускорения, то чувствительность К„ будет также связана с какой-то степенью /и. В рассматриваемом случае К₂, рассчитанное по форму­ле (42), следует умножить на /со.

Наилучшие результаты обычно достигаются, когда датчики жест­ко установлены в положение «спина к спине» и их оси чувствитель­ности параллельны направлению движения. Необходимо убедиться в том, что датчики 1 и 2 испытывают одно и то же движение. Если оба датчика линейны и размещены на столе генератора вибрации, качающиеся движения стола должны быть пренебрежительно малы. Искажения формы сигнала обычно не являются критичными для ка­либровки методом сличения, особенно если датчики чувствительны к одному и тому же параметру вибрации. Однако наличие гармоник в движении может увеличить выходные сигналы обоих датчиков на раз­ные значения в зависимости от отношения чувствительностей датчи­ков на частотах гармоник.

Практически калибровка может быть выполнена с использовани­ем электродинамического генератора вибрации (вибростенда). Эта­лонный датчик («спина к спине») крепят на столе вибростенда нека­либрованной поверхностью к столу. Калибруемый датчик размеща­ют на «спине» эталонного.

Для использования метода сличения на высоких частотах эталон­ный датчик должен быть откалиброван с нагружением массой, рав­ной массе калибруемого по нему датчика.

Электрический выходной сигнал предусилителя эталонного дат­чика может быть удобно и точно сравнен с выходным сигналом ка­либруемого датчика, в случае использования прецизионного усили­теля с аттенюатором и компаратором.№

УДК 620.178.5.05:006.354 ОКС 17 020 П18 О КП 42 7746

Ключевые слова: вибрация, удар, датчики, калибровка

' Редактор Т. С. Шеко

Технический редактор В. Н. Прусакова
Корректор Т. А. Васильева

Компьютерная верстка В. Н. Романова

Изд. лиц. № 021007 от 10.08.95. Сдано в набор 19.06.96. Подписано впечать 02.09.96.

Усл.печ. л. 1,86. Уч.-изд. л. 1,73. Тираж 512экз. С 3771. Зак. 947.

. ИПК Издательство стандартов, 107076, Москва, Колодезный пер., 14. .
Набрано в Калужской типографии стандартов на ПЭВМ.
Калужская типография стандартов, ул. Московская, 256.

ПЛР № 040138