Главная страница
Навигация по странице:

11. Измерение угловой и линейной скоростей, погрешностей вращательного движения и механических колебаний
Скачать 0.59 Mb.
Название 11. Измерение угловой и линейной скоростей, погрешностей вращательного движения и механических колебаний
Анкор 11-13.doc
Дата 02.05.2017
Размер 0.59 Mb.
Формат файла doc
Имя файла 11-13.doc
Тип Документы
#6592
страница 1 из 4
  1   2   3   4

11. Измерение угловой и линейной скоростей, погрешностей вращательного движения и механических колебаний



11.1. Приборы для измерения частоты вращения.

Механические тахометры
Под скоростью вращения U (об/мин) обычно понимают число оборотов n твердого тела за единицу времени t= 1 мин:

U = nt.

В числе производных единиц Международной системы единиц (СИ) отсутствует термин «скорость вращения» и имеются только следующие термины: угловая скорость  рад/с как отношение угла  (в радианах) поворота тела к времени вращения t (в секундах):

 =  / t.

«частота вращения» f Гц, обозначающая число полных оборотов за единицу времени t = 1 с:

f = n/t.
В машиностроении и во многих других областях техники необходимо точно определять частоту вращения, например, для контроля и регулирования работы машин. Неудивительно поэтому, что имеется много разнообразных типов тахометров, тем более, что в основу измерения частоты вращения могут быть положены разные физические явления.

Наиболее простой конструкцией отличаются механические тахометры. Они выпускаются в очень больших количествах в виде неподвижно встроенных в агрегаты приборов, используемых для непрерывной индикации усредненного мгновенного значения скорости, или в виде ручных приборов, применяемых иногда для единичных измерений. Характерным для них является то, что показание получается непосредственно у места измерения или на небольшом от него расстоянии. Указатель потребляет энергию от самого объекта измерения (энергия, затрачиваемая на потери в подшипниках, может быть значительной, если невозможно применить гибкое сцепление). Объект измерения должен быть доступен и должен обеспечивать возможность установки тахометра или подключения его вручную. Механические тахометры могут быть снабжены электрическими или пневматическими преобразователями, позволяющими использовать их для целей управления и контроля.

Механические тахометры делятся на стационарные, т.е. неподвижно монтируемые и портативные. Стационарные механические тахометры по принципу своего действия представляют собой приборы с индикацией в непосредственной близости от объекта измерения. Они соединяются с ним либо непосредственно, либо при помощи гибкого вала, ременной или цепной передачи. Поэтому измеренная величина может быть передана только на близкое расстояние.

В отношении физического принципа, положенного в основу измерения, имеются два типа механических тахометров: тахометр на вихревых токах и центробежный тахометр.

Тахометр на вихревых токах имеет вращающийся постоянный магнит, поле которого возбуждает вихревые токи в алюминиевом диске, соединенном с указателем. Возникающий при этом вращающий момент пропорционален частоте вращения магнита и перемещает указатель до тех пор, пока момент, создаваемый вихревыми токами, не уравновесится моментом, созданным возвратной пружиной. Тахометры этого типа применяют преимущественно в тех случаях, когда показания должны начинаться с нуля, соответствовать определенному направлению вращения и охватывать широкий диапазон измерения. Силы, создающие перемещение, сравнительно невелики, что ограничивает возможности использования этого типа тахометров для других целей, кроме индикации. Погрешности составляют около  1 % и в простейших приборах достигают  3 % от конечного значения. Тахометры на вихревых токах выпускаются серийно и рассчитаны на скорости до 5000 об/мин.

В центробежных тахометрах вращающийся маятник отклоняется под действием центробежной силы и через рычажную передачу приводит в движение стрелочный механизм. Отклонения стрелки являются мерой частоты вращения. Центробежные тахометры показывают частоту вращения не от нулевого, а от некоторого минимального и до максимального значения, соотношение которых может находиться в пределах от 1 : 3 до 1 : 10. Показание не зависит от направления вращения. Достаточные по величине силы, сообщающие движение стрелочному механизму, допускают приведение в действие дополнительных управляющих и регулирующих устройств. Погрешности измерения <1 %; в специальных исполнениях составляют 0,3 %. Так как центробежный тахометр представляет собой колебательную систему, он должен быть снабжен демпфирующим устройством, в особенности при использовании его для измерения низких частот вращения. Максимальная частота вращения серийно впускаемых центробежных тахометров составляет 10000 об/мин.

11.2. Электрические тахометры
Существуют разнообразные способы для определения частоты вращения электрическими средствами измерения.

Принципиально различные методы измерения могут быть разделены на две основные группы: аналоговые и дискретные. Различие этих двух методов обусловлено в основном применяемыми измерительными преобразователями (датчиками). Однако по техническим и экономическим причинам выбор того или иного из этих методов зависит от применения тех или иных показывающих приборов, хотя использование соответствующих согласующих элементов позволяет перейти от одного способа измерения к другому. Достоинством как аналогового, так и дискретного способов является возможность размещения показывающего прибора на расстоянии от места измерения, т.е. дистанционное измерение частоты вращения. При аналоговом методе с измерительного преобразователя скорости (датчика скорости) снимается выходной сигнал в виде напряжения (или тока), пропорционального измеряемой скорости. Чаще всего в качестве таких преобразователей применяют генераторы переменного тока, так называемые тахогенераторы переменного тока. Их особое достоинство заключается в том, что в них нет подвижных токонесущих деталей и поэтому они работают практически без износа.

При дискретном методе измерения частота вращения определяется подсчетом числа импульсов, создаваемых при каждом обороте за единицу времени, или числа единиц времени между двумя импульсами. Съем данных измерения может осуществляться механически (в результате срабатывания контактов), но основное преимущество дискретного метода заключается в возможности бесконтактной передачи данных (индуктивной, фотоэлектрической) и, как следствие, устранение износа трущихся частей и в высокой точности. Так как в основу этого метода измерения положен цифровой принцип, то, как правило, используется цифровая индикация и обработка данных измерения.

Значительно удобнее как по возможности использования для измерения различных физических эффектов, так и по возможности дальнейшей обработки измерительных сигналов являются электрические тахометры. Под ними понимаются все тахометры, дающие на выходе электрический сигнал. Сюда относятся, в частности, различные типы тахогенераторов, которые должны быть жестко связаны с объектом измерения и, как и механические тахометры, приводимые во вращение энергией, потребляемой от объекта измерения. Они вырабатывают непрерывный сигнал, пропорциональный частоте вращения объекта измерений, и могут быть также с успехом использованы для определения изменений частоты вращения.

Еще большие возможности использования различных физических эффектов дают электрические тахометры, взаимодействующие с объектом измерения без непосредственного контакта с вращающимся телом и потребляющие от объекта незначительное количество энергии, либо работающие совсем без затраты энергии объекта. Связь такого тахометра с объектом измерения осуществляется индукционным, магнитным или фотоэлектрическим путем. Такие тахометры пригодны для измерения вплоть до очень высоких скоростей и на очень малых объектах. Их достоинством является дистанционная передача выходных сигналов. Частота импульсов, снимаемых с таких тахометров, пропорциональная частоте вращения, менее восприимчива к помехам, чем напряжение, пропорциональное частоте вращения. Тахометры этого типа, как правило, требуют источник вспомогательной электрической энергии. Между чувствительным элементом прибора, воспринимающим измеряемую величину, и его выходным устройством находятся элементы согласования, преобразующие измерительный сигнал в форму, пригодную для дистанционной передачи измеренной величины.

Общим для всех электрических тахометров является возможность дистанционной передачи результатов измерений и их контроля и протоколирования совместно с результатами измерения других параметров. Возможно преобразование выходного сигнала в цифровой код, допускающий дальнейшую обработку в вычислительных машинах. В заключение следует также отметить возможность стробоскопического измерения частоты вращения. Хотя стробоскопический эффект используется преимущественно для исследования характера движения вращающихся тел, однако он может быть использован и для измерения частоты вращения. Это мобильный, лишенный обратной реакции на объект способ измерения.

Для бесконтактного измерения частоты вращения могут применяться ручные приборы преимущественно с аналоговой или цифровой индикацией. В таких приборах съем сигнала осуществляется оптическим методом, для чего на вращающуюся деталь наносят светлую метку.
11.3. Измерение линейной скорости
Под линейной скоростью  понимается отношение длины (пройденного пути) s к времени t, т. е.  = s/t.

Производной единицей линейной скорости, согласно Международной системе единиц (СИ), является метр в секунду (м/с). Применяется также единица км / ч.

Это определение аналогично понятию «частота вращения», т.е. количеству оборотов за единицу времени. Поэтому имеется простая возможность измерять линейную скорость путем преобразования линейного движения во вращательное при помощи колеса. Частота вращения этого колеса и измеряемая линейная скорость связаны между собой постоянным, неизменным соотношением. Поэтому измерять линейную скорость градуированным в единицах линейной скорости измерителем угловой скорости (частоты вращения).

Большинство используемых в промышленности способов измерения линейной скорости основано на этой предпосылке. Например, наблюдение за скоростью ленточных конвейеров, измерение скорости автомобилей, а также измерение скорости схода нитей в машинах текстильной промышленности.
11.4. Методика измерения погрешностей

вращательного движения механических передач
11.4.1. Общие положения. Точность и плавность работы механических передач определяются погрешностями изготовления их элементов, погрешностями монтажа, а также температурными и упругими деформациями деталей (закручивание валов, осадка подшипников, изгибная и контактная деформации и т.д.).

Первичные ошибки изготовления и сборки, а также деформации звеньев нарушают согласованность движения ведущего и ведомого звеньев и приводят к погрешностям их относительного положения, т.е. к кинематическим погрешностям механизма.

Применительно к зубчатым передачам большое количество первичных погрешностей деталей зацепления привело к необходимости объединения их в три комплексные нормы точности: норму кинематической точности, норму плавности работы и норму контакта профилей взаимодействующих деталей.

Норма плавности работы передачи определяет требования к параметрам, которые влияют на кинематическую точность и проявляются многократно за один оборот ведомого звена. Требования плавности работы особенно важны, если передача является силовой, так как многократно проявляющиеся за один оборот погрешности являются источником ударов, приводящих к появлению шума и вибраций и, как следствие, к снижению КПД.

Нормы контакта относятся к элементам передач, которые определяют величину поверхностей касания взаимодействующих профилей элементов зацепления.

Кинематическая погрешность любой передачи характеризуется разностью между действительным и номинальным (расчетным) углами поворота ее ведомого вала, соответствующими одинаковым углам поворота ведущего вала. Она может выражаться в угловых единицах, а также в единицах длины дуги делительной окружности ведомого колеса. Согласно определению,

;



где - кинематическая погрешность в угловых единицах;

- кинематическая погрешность передачи, выраженная в линейных единицах;

- действительный угол поворота ведомого вала;

- номинальный угол поворота ведомого вала, равный ;

- действительный угол поворота ведущего вала;

U – передаточное отношение передачи;

- радиус окружности, относительно которой определяется погрешность.

Плавность работы передачи определяется погрешностями, которые многократно (циклически) проявляются за оборот выходного вала и составляют часть кинематической погрешности. Кинематическую погрешность можно представить в виде спектра гармонических составляющих, амплитуды и частоты которых зависят от характера элементарных погрешностей деталей зацепления. Циклические погрешности, нарушающие плавность работы передачи, можно определять по спектру кинематической погрешности.

Исследования обычно проводятся на испытательных стендах, обеспечивающих условия работы передачи, близкие к эксплуатационным. При этом всегда стремятся получать по возможности широкий набор сведений, наиболее полно характеризующий технический уровень передачи.

Для того чтобы сократить продолжительность и снизить стоимость испытаний передач на стадии отработки их конструкции и методики расчета, создана автоматизированная система испытаний механических передач, включающая испытательный стенд, первичные преобразователи, регистраторы сигналов от преобразователей в виде персональной ЭВМ с устройством расширения ее функциональных возможностей и программный комплекс для обработки информации от первичных преобразователей и представления этой информации в виде сведений об исследуемых параметрах.

Устройство расширения функциональных возможностей ЭВМ включает в себя измерительный многоканальный блок, служащий в качестве интерфейса цифрового ввода информации в ЭВМ от первичных преобразователей, также работающих в среде Windows. Этот блок является специализированной приставкой к ЭВМ, обеспечивающей измерения кинематических погрешностей механических передач, имеющих до 15 валов, вибрации передач и других объектов, а также шероховатость поверхностей различных деталей и круглость цилиндрических и конических поверхностей. При измерении кинематических погрешностей передач это устройство предусматривает использование стандартного преобразователя угловых перемещений ВЕ-178А, а при измерении вибрационных параметров – любых пьезоэлектрических преобразователей скоростей и ускорений, использующихся при измерении вибраций в измерителях шума и вибраций типа ИШВ.

Если же ведется измерение шероховатости и круглости поверхностей деталей, то используется специальный блок-датчик, в котором применяется для ощупывания поверхности детали индукционный преобразователь, используемый в известных профилометрах-профилографах.

Автоматизированная система позволяет при исследовании передач получить следующие сведения:

  • частоты вращения валов;

  • передаточное отношение передачи;

  • кинематическую погрешность передачи за один оборот ведомого вала и ее амплитудно-частотный спектр;

  • нагрузку на ведущем и ведомом валах;

  • КПД передачи;

  • статическую характеристику передачи;

  • переходную характеристика (ПХ);

  • амплитудно-частотную характеристику (АЧХ);

  • фазочастотную характеристика (ФЧХ);

  • уровень вибраций передачи и их спектр.

Схема автоматизированного стенда для исследования параметров механических передач различных типов приведена на рис. 11.1. Стенд содержит основание 1, привод передачи (асинхронный электродвигатель) 2, нагружатель 3, выполненный в виде порошкового электромагнитного тормоза типа ПТ с обмоткой возбуждения 4, испытуемую передачу 5, преобразователи 6 и 7 вращающего момента, установленные на ведущем и ведомом валах передачи соответственно (они же преобразователи частоты вращения валов и преобразователи мощности на этих валах), фотоэлектрические датчики 8 и 9 типа ДФ-1, работающие в паре с преобразователями момента 6 и 7, фотоэлектрический преобразователь 10 угловых перемещений типа BE-178A, блок питания 11 нагружателя, выполненный в виде сумматора напряжений на двух резисторах от источника 12 регулируемого напряжения и генератора 13 синусоидального напряжения или случайных сигналов, ЭВМ 14, устройство 15 расширения функциональных возможностей ЭВМ в виде измерительного многоканального блока и цифрового осциллографа типа Bordo-50, маховик 16, соединительную муфту 17 и источники питания фотодатчиков 8 и 9 и преобразователя 10 (на схеме не показаны).

Преобразователи 6 и 7 совместно с фотодатчиками 8 и 9 могут выполнять функции преобразователей частоты вращения валов, так как частота вращения вала обратно пропорциональна среднему периоду следования импульсов.

Так как мощность равна произведению момента и угловой частоты вращения вала, то по зарегистрированной последовательности импульсов можно также судить о величине мощности на валах передачи, которая оказывается пропорциональной отношению средней длительности импульсов к их среднему периоду.

Преобразователь 10 угловых перемещений служит для оценки равномерности вращения ведомого вала передачи, т.е. для измерения кинематических погрешностей этой передачи. Если кинематическая погрешность измеряется на холостом ходу передачи, то преобразователь 10 при помощи муфты 17 присоединяется непосредственно к ведомому валу передачи. Если же измерения производятся при работе передачи под нагрузкой, то преобразователь 10 связывается с передачей так, как это представлено на описываемой схеме стенда, т. е. через вал ротора порошкового электротормоза.

При измерениях кинематических погрешностей передачи на ее ведущем валу закрепляется маховик 16, что обеспечивает равномерность вращения этого вала, по отношению к которому оценивается неравномерность вращения ведомого вала, определяющая кинематические погрешности передачи.

О величине кинематической погрешности передачи судят по результатам анализа последовательности прямоугольных импульсов, генерируемых преобразователем 10 и регистрируемых измерительной системой 15 при помощи ЭВМ 14. Преобразователь 10 за один оборот вала формирует 2500 прямоугольных импульсов. Измерив их период и длительность и оценив отклонения этих параметров от номинальных значений, можно судить о равномерности вращения вала и величинах кинематических погрешностей передачи. Обработку результатов измерений, разложение кинематических погрешностей в частотный спектр и их графическое представление осуществляют по специально разработанным программам для ЭВМ.

При исследовании характеристик передачи под нагрузкой на стенде используется электромагнитный порошковый тормоз 3. Нагружение осуществляется путем подачи на обмотку возбуждения 4 напряжения от блока питания 12. Постоянная нагрузка на ведомом валу передачи воспроизводится тогда, когда на обмотку 4 электротормоза подается от источника 12 регулируемого напряжения некоторая величина постоянного напряжения. Переменная нагрузка воспроизводится при подаче на обмотку 4 суммы постоянного напряжения от источника 12 и переменного напряжения от генератора 13, который может давать либо переменное синусоидальное напряжение, либо переменное напряжение, изменяющееся по случайному закону с определенными статистическими характеристиками – средним значением и средним квадратическим отклонением.

Порошковый электромагнитный тормоз 3 имеет дополнительную обмотку возбуждения (на схеме не показана). Она используется при регистрации экспериментальной переходной характеристики электротормоза 3 (при помощи преобразователя 7) и переходной характеристики динамической системы, состоящей из электротормоза 3 и контролируемой передачи 5 (при помощи преобразователя 6). При регистрации переходных характеристик маховик 16 с ведущего вала передачи 5 снимается, а на дополнительную обмотку возбуждения электромагнитного тормоза подается единичное ступенчатое воздействие и ведется запись процесса нарастания моментов на ведущем и ведомом валах передачи. На основе анализа переходных характеристик судят о динамических свойствах контролируемой передачи, т.е. получают ее амплитудно-частотную, фазочастотную характеристики и передаточную функцию.

Система может быть также снабжена устройством расширения функциональных возможностей ПЭВМ, которое включает в себя измерительную систему Bordo-50, работающую в среде Windows и представляющую собой отдельную плату к ЭВМ.

Измерительная система Bordo-50 позволяет производить измерения сигналов с частотой до 80 МГц и последующую обработку экспериментальных данных в среде Microsoft Excel. Эта система, как и обычный цифровой осциллограф, может работать с любым преобразователем, формирующим электрические сигналы либо непрерывного, либо импульсного характера.

При проведении исследований система производит регистрацию и обработку сигналов от виброакустических преобразователей по четырем независимым каналам, и сигналов от датчиков круговых перемещений типа ВЕ-178А, установленных на валах исследуемого механизма.
11.4.2. Регистрация сигналов и методика обработки экспериментальных данных. Частота вращения валов механизмов может быть получена в результате анализа сигналов преобразователя круговых перемещений ВЕ-178А, импульсы от которого связаны с текущим временем, т.е. помечены моментами времени. Так, если фронтам двух соседних импульсов, формируемых преобразователем круговых перемещений, соответствуют моменты времени t1 и t2, то частота вращения вала в пределах этого интервала может быть найдена по формуле

,

где - угловой шаг маски преобразователя; N – число импульсов, формируемых преобразователем за один оборот.

Если известна частота вращения , приводного двигателя, то передаточное отношение передачи определяется частицами 1/.Величина кинематической погрешности определяется по формуле , из которой можно определить величину погрешности угла поворота ведомого звена

.

Передаточное отношение передачи можно также установить по соотношению

.

Соотношение с учетом кинематической погрешности может быть представлено в виде

.

Эту зависимость можно привести к виду . Таким образом, колебание передаточного отношения равно и эквивалентно величине кинематической погрешности механизма. В то же время кинематическая погрешность F является более чувствительным параметром, так как величина при увеличении от нуля до 2 и далее пропорционально уменьшается почти до нулевого значения, т.е. до величины, соизмеримой с погрешностями вычислений.

Математическая обработка сигналов позволяет строить спектры сигналов, рассчитывать их кепстры и автокорреляционную функцию. Система поддерживает удобный пользовательский интерфейс (рис.11.2).






    1. Методика измерения погрешностей

вращательного движения станка
Результаты исследований показали, что погрешности изготовленных деталей, обусловленные станком, весьма сильно зависят от технического состояния станка, его фактических (а не справочных) характеристик жесткости и точности, включая кинематическую точность формообразующих движений. Однако в научно-технической литературе нет исчерпывающих сведений о влиянии кинематической точности формообразующих движений станков на погрешности формы и расположения обрабатываемых поверхностей.

На основе исследований кинематической точности цепей формообразующих движений станка можно получить величины амплитуд гармонических составляющих кинематической погрешности станка и сравнить их с соответствующими амплитудами гармонических составляющих суммарной погрешности обработки, представленной отклонениями реального профиля обработанной поверхности от номинального. Следует ожидать, что амплитуда одной и той же гармонической составляющей кинематической погрешности для различных станков будет различной при прочих одинаковых условиях, и в этом будет проявляться влияние состояния станка на точность обработки.

Исследования кинематической точности цепи главного рабочего движения станка можно проводить с использованием описанной выше исследовательской системы. Для получения функции кинематической погрешности вращающегося шпинделя станка, например, токарного, можно также использовать преобразователь угловых перемещений ВЕ-178А. Этот преобразователь можно вмонтировать в корпус измерительного центра. На рисунке 11.3 показан общий вид конструкции такого измерительного центра.

Измерительный центр содержит корпус с коническим хвостовиком 1, преобразователь угловых перемещений 2 типа ВЕ-178А, упорную втулку 3, в которой размещен центр 4, крышку 5, установочное кольцо 6, упругую муфту 7, дистанционное кольцо 8, подшипники 9 и 10.

При измерении кинематических погрешностей цепи главного рабочего движения станка измерительный центр устанавливается в пиноль задней бабки и используется как обычный вращающийся центр. Преобразователь угловых перемещений 2 соединяется с измерительным комплексом. Обрабатываемая детали (образец) устанавливается в центрах и производится ее обработка, в ходе которой ведется регистрация последовательности импульсов, генерируемых измерительным центром. Таким образом, измерения проводятся в процессе формообразования обрабатываемой поверхности. Зарегистрированные последовательности импульсов для каждого условия обработки образца, сохраняются в виде отдельных файлов, которые затем по специальным программам подвергаются математической обработке и представляются в виде графика кинематической погрешности станка за один или несколько оборотов его шпинделя и графика амплитудно-частотного спектра. Результаты обработки экспериментальных данных экспортируются в среду Microsoft Excel, где и сохраняются в виде Excel – файлов.
11.6. Измерение механических колебаний
11.6.1. Общие понятия и определения. Под механическим колебанием (вибрацией) понимают изменение времени механического движения (перемещений) в заданных пределах. Сюда относятся изменяющиеся во времени движения — прямолинейное, круговое и др., изменяющиеся во времени силы (нормальные силы, изгибающие моменты, вращающие моменты, давления жидкости, газа), а также зависящие от них механические напряжения. В колебательном процессе различают: детерминированные процессы, подчиняющиеся определенному тематическому закону, которые повторяются или могут повторяться во времени; стохастические процессы (беспорядочные процессы, которые не описываются математической функцией и определяются случайной последовательностью разных причин). Цель измерения механических колебаний сводится к получению по возможности наиболее полной информации о колебательном процессе. При определимых процессах эта задача решается путем определения амплитуды, частоты или положения по фазе. При стохастических процессах можно лишь путем «сортировки» мгновенных значений по различным критериям ограничиться статистическими оценками. В простейшем случае это сводится измерению уровня колебаний.

В большинстве случаев механические колебания (вибрации) представляют собой нежелательные явления, часто накладывающиеся на закономерные процессы движения. Однако колебания могут создаваться и принудительно в качестве активных функций, например, в вибрационных питателях и контейнерах, используется для транспортировки материалов.
11.6.2. Измерительные преобразователи перемещений. Механические параметры колебаний, а именно виброперемещение, виброскорость и виброускорение, могут быть измерены при помощи преобразователей относительного или абсолютного перемещения.

Преобразователь относительных перемещений измеряет параметр колебаний по отношению к любой внешней неподвижной (опорной) точке.

Измерительный преобразователь может быть различным обра­зом соединен с объектом измерения. Наиболее существенными вариантами присоединения являются следующие.

Жесткое соединение. При этом подвижный щуп измерительного преобразователя перемещения жестко соединяется с объектом измерения приклеиванием, приваркой или привинчиванием. Такое выполнение соединения позволяет использовать преобразователь перемещения во всем его частотном диапазоне.

Соединение с силовым замыканием при помощи упорного за­остренного щупа. При этом исключается необходимость крепления его к объекту измерения, однако возникает опасность отхода заостренного щупа при высоких частотах. Во избежание этого не­обходимо, чтобы сила Fпредварительного натяжения пружины, прижимающей щуп, в среднем положении была больше силы инерции щупа, определяемой амплитудой колебания и воз­растающей пропорционально квадрату частоты. Верхняя граничная частота составляет при этом

f= ,

где F — сила предварительного натяжения пружины; U — пиковое значение амплитуды колебания; m — активная масса движущихся деталей преобразователя.

Отсюда следует, что при измерении относительных перемещений движущаяся масса должна быть меньше, а натяжение пружины больше, однако чрезмерно большое натяжение пружины может повлечь за собой искажающее статистическое смещение объекта измерения.

Преобразователи относительных перемещений могут быть использованы для измерения виброперемещений (амплитуды) или скоростей (интенсивности вибраций). Особым достоинством измерения относительных виброперемещений является возможность осуществления измерений при частотах, близких к нулю. Поэтому при измерении относительных виброперемещений вся измерительная цепь от чувствительного элемента преобразова­теля до регистрирующего прибора может градуироваться в статическом состоянии. Градуировка остается в силе для всего диапазона рабочих частот. Сдвиг фаз, вызванный подключением усилителей и регистрирующих приборов, может возникнуть только на высоких частотах диапазона измерения. При измерении виброскорости возможность статической градуировки исключается, так как виброскорость при частоте, равной нулю, также становится равной нулю.
11.6.3. Измерительные преобразователи параметров прямолинейных механических колебаний (вибраций). Преобразователи относительных виброперемещений. Для измерения относительных виброперемещений в основном используют индуктивные преобразователи перемещения с сердечниками, не имеющими направляющих и жестко соединенными с объектом измерения. При этом сердечник крепится к подвижному объекту измерения, а корпус преобразователя — к неподвижной опоре. При коротком поводке между стенками и сердечником должен иметься достаточный зазор. Такие индуктивные измерительные преобразователи серийно выпускаются для измерения перемещений от ±0,l до ±300 мм.

Для измерения относительных виброперемещеннй очень подходят индуктивные преобразователи перемещений, щуп которых соединен с объектом измерения. Их подвижная масса очень мала, и они работают с очень малым трением. Такие преобразователи выпускаются для измерения перемещений в пределах от ±1 до ±50 мм.

Особое значение для измерения параметров механических колебаний (вибраций) имеют также бесконтактные измерительные преобразователи. В этих преобразовате­лях полное сопротивление одной или нескольких измерительных катушек зависит от расстояния между ними и объектом измере­ния. Бесконтактные измерительные преобразователи не требуют какого-либо механического их соединения с объектом измерения и потому работают почти полностью без обратного воздействия. Достоинством этих преобразователей, является то, что они позволяют измерять вибрации объектов, которые одновременно перемещаются в разных измерениях, например радиальные коле­бания вращающихся валов. Сам объект измерения должен быть, насколько это возможно, выполнен из магнитного материала или иметь на измерительной поверхности покрытие из такого мате­риала. Объекты измерения из немагнитного материала, обла­дающего высокой электрической проводимостью, могут быть использованы для бесконтактного измерения, однако та­кому способу измерения присущ недостаток, заключающийся в меньшей чувствительности и в повышенной температурной зависимости.

Наряду с описанными индуктивными системами для относи­тельных измерений колебаний применяют также, однако в мень­шем объеме, измерительные потенциометры и емкостные преоб­разователи. При помощи емкостных преобразователей можно бесконтактно измерять зазоры как между металлическими, так и неметаллическими объектами.

Измерительные преобразова­тели абсолютной виброскорости. Для измерения виброскорости большое значение приобрели элек­трические преобразователи с электродинамической измеритель­ной системой. Такие преобразователи с электронным интегрированием или дифференцированием измерительного напряжения могут быть использованы для измерения виброперемещений и виброускорений. Катушка перемещается в коль­цевом воздушном зазоре электромагнита горшкового типа вдоль оси, в результате чего создается измерительное напряжение, пропорциональное виброскорости. Конструктивные эти преобра­зователи выполнены так, что их можно использовать для измерения как абсолютной, так и относительной виброскорости. При этом с катушкой, обычно подпружиненной, механически связан стержнеобразный щуп, выходящий наружу и служащий для жесткого (или с силовым замыканием) соединения с объектом измерения. Преобразователь располагается при этом на неподвижной опоре.

Верхняя предельная частота преобразователей виброскорости составляет около 1000 Гц. Измеряемые виброскорости находятся в пределах от 0,1 до 100 мм/с. С помощью электронных дифферен­цирующих и интегрирующих приборов преобразователи абсо­лютной виброскорости можно использовать для измерения вибро­перемещений и виброускорений. В отношении максимально до­пустимых амплитуд, механически воспринимаемых такими пре­образователями, к ним применимы те же ограничения, что и к пре­образователям виброперемещений с электронным расширением пределов измерения.

Измерительные преобразователи ускорения (акселерометры). Электрические акселерометры представляют собой в принципе преобразователи абсолютных перемещений. Для получения широкого диапазона измеряемых частот характеристическая частота преобразователя должна быть, насколько это возможно, высокой. Это, однако, противоречит требованиям высокой чувствительности измерения, так как она снижается пропорционально квадрату характеристической ча­стоты. По виду электрической части системы разделяют резистивные и индуктивные (пассивные), а также пьезоэлектрические (активные) измерительные преобразователи ускорения. Последние пригодны для колебаний высокой частоты и ударных ускорений.

Исключи­тельно высокой чувствительностью отличаются резистивные пре­образователи с полупроводниковыми чувствительными элемен­тами, называемые также пьезорезистивными преобразователями. Так как эти преобразователи могут иметь высокую характеристи­ческую частоту, то они иногда поставляются без устройства жидкост­ного демпфирования. В этом случае характеристическая частота преобразователя должна во избежание чрезмерных превышений амплитуды значительно выходить за пределы рабочего частотного диапазона.

Резистивные преобразователи ускорения работают на ускоре­ния примерно до 104 и с характеристическими частотами примерно до 10 кГц.

Индуктивные преобразователи ускорения имеют вместо резистивной измерительной системы, обладающую высокой чувстви­тельностью, индуктивную измерительную систему с поперечным перемещением якоря, включенную в двуплечую мостовую схему. Такие преобразователи имеют очень малые размеры и могут, подобно резистивным преобразователям ускорения, использоваться для статических измерений. Они очень чувствительны и могут без ограничений применяться в статическом состоянии, допускают возможность очень простой градуировки в поле зем­ного притяжения с изменением ускорения на 2 g путем поворота на 180°. Индуктивные преобразователи нечувствительны к пере­грузкам, и электрическая схема их включения очень проста. Благодаря высокой чувствительности они особенно пригодны для измерений углов наклона в поле земного притяжения.

Максимальные ускорения, воспринимаемые этими преобразо­вателями, составляет приблизительно 2500 м2/с при характери­стической частоте в 2000 Гц и в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц.

Пьезоэлектрические преобразователи ускорения являются активными преобразователями, которые, как и электро­динамические преобразователи, создают измерительное напряже­ние без подачи на них напряжения от постороннего источника.

</1>
  1   2   3   4
написать администратору сайта