книги из ГПНТБ / Максимов Л.С. Измерение вибрации сооружений справ. пособие

массы высверлены отверстия 6. Маятник вращается в шарикоподшип­ никах 10. Измерительная катушка 7 намотана на рамку 8, изготовлен­ ную из электролитической меди, выполняющую роль короткозамкну­ того витка, обеспечивающего демпфирование колебаний около 0,8 от критического. При установке маятника с подшипниками в специаль­ ные скобы 15 рамка с измерительной катушкой попадает в цилиндриче-

Рис. 2.5. Сейсмоприемник С5С

а — общий вид в поло­ жении для регистрации горизонтальных колеба­ ний; б —схематический разрез в положении для регистрации вертикаль­ ных колебаний

ский зазор между полюсными наконечниками 18 постоянного магнита /2 и сердечником 16, сидящим на направляющих стержнях 17. При вра­ щении рамки в этом зазоре в измерительной катушке вырабатывается ЭДС. При такой системе подвески маятник способен совершать по­ вороты до 30° от положения равновесия, не ударяясь об ограничители, так что максимальная измеряемая амплитуда выбирается главным об­ разом в зависимости от требований к линейности амплитудных харак­

32

ризонтальной, а маятник висел вертикально с более тяжелой массой внизу. Для измерения вертикальной составляющей колебаний станину

ные пластинки 19, которые, находясь в поле рассеяния магнита и стремясь установиться вдоль силовых линий, создают вместо пружины восстанавливающий квазиупругий момент, компенсирующий момент силы тяжести. Отсутствие пружины делает прибор настолько малочув­ ствительным к изменению температуры, что полностью отпадает необ­

ходимость в регулировках положения равновесия. Более того, повора­ чивая пластины 19, можно в случае необходимости устанавливать маятник для регистрации колебаний под любым углом к вертикали.

Частота собственных колебаний маятника регулируется передвиже­

от магнита, проверяя, только, чтобы отклоненный вниз тяжелый конец маятника возвращался в исходное положение.

Основным недостатком прибора является то, что шарикоподшип­ ники вносят в его колебательную систему сухое трение, в связи с чем использование ВБП-3 для измерения малых колебаний нежелательно. Следует иметь в виду, что при использовании подшипников класса точности ниже, чем С, или при их загрязнении влияние нелинейности может быть причиной значительных погрешностей и в случае больших амплитуд колебаний [180].

33

Вибродатчик ВБПП для раздельной регистрации больших поступа­ тельных перемещений и поворотов [87, 225] представляет собой, по су­ ществу, два прибора, аналогичные ВБП-3, смонтированные на одном основании (рис. 2.7) соосно таким образом, что центры тяжести маят-

Рис. 2.7. Вибродатчик ВБПП

ников находятся по разную сторону от их осей вращения. Измери­ тельные катушки включаются последовательно так, что при полной их идентичности в зависимости от полярности соединения либо удваива­ ются ЭДС, связанные с поступательными перемещениями, и компенси­ руются ЭДС, связанные с угловыми пере­

мещениями, либо наоборот.

Сейсмоприемник СПМ-16 [196], конструк­ тивная схема которого показана на рис. 2.8, является датчиком с осевой подвеской сейс­ момассы, роль которой выполняют измери­ тельные катушки 1, прикрепленные к по­ лому стержню 2 , подвешенному на фигур­ ных пружинах 3 к магнитной системе, со­ стоящей из постоянных магнитов 4, полюс­ ных наконечников 5 и магнитопровода 6 . Магнитная система жестко закреплена к корпусу прибора 7. При колебаниях при­ бора вдоль продольной оси вследствие пере­ мещения катушек в зазоре магнитной си­

стемы в них вырабатывается ЭДС, отводи­ мая кабелем 8 .

Мощность сигналов, вырабатываемых индукционными вибропреобразователями, во многих случаях достаточна для непосред­ ственного, т. е. без усиления, измерения или регистрации, благодаря чему измерительные

схемы оказываются чрезвычайно простыми и надежными.

34

§2.3. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Один из способов преобразования механической величины в элект­

в виброизмерительных приборах нашли вещества с наиболее сильно выраженным пьезоэффектом, обладающие высоким удельным электриче­ ским сопротивлением и сохраняющие эти свойства в достаточно широ­ ком интервале температур, такие как кварц, а также искусственные тек­ стуры и керамика из титаната бария и цирконата титаната свинца с различными присадками (пьезокерамика ЦТС).

няют роль упругого элемента механической системы, испытывающего одноосное растяжение — сжатие (рис. 2.9 и 2.10), сдвиг, изгиб (так называемые биморфные пьезоэлементы), изгиб с кручением или иное напряженное состояние. Геометрические формы и конструктивные осо­ бенности пьезоэлементов чрезвычайно разнообразны [88], но во всех случаях основным их свойством является пропорциональность прира­ щения заряда на обкладках пьезоэлемента dq приращению действую­ щей на него механической силы dP:

35

пьезоэлемент представляет собой конденсатор емкостью Сп с сопротив­ лением утечки Ra, соединенный с помощью кабеля емкостью Ск с вхо­ дом усилителя, измерительного или регистрирующего прибора, имеющим определенные входные емкость Свх и сопротивление R B% (рис. 2.11), то это приращение заряда частично покроет утечку заряда с конден­

Формулы для общей емкости С и сопротивления R получатся ис­ ходя из того, что все емкости и сопротивления соединены параллельно:

КпРъх

(2. 11)

п ~Ь R ex

Разделив в выражении (2.10) все члены на Cdt, получим д и ф ф е - р е н ц и а л ь н о е у р а в н е н и е д л я э л е к т р и ч е с к о г о н а п р я ­

(рис. 1.2, г), на пьезоэлемент передается сила, равная силе инерции массы М'.

36

Учитывая, что Z ——А (2 n /)2sin 2nft, получим амплитудно-частот­

ную характеристику электрической цепи пьезоэлектрического преобра­ зователя

тики пьезоэлемента. Он отличается от единицы на тем большую ве­ личину, чем ниже частота f. Величина

эта граница. Однако снижать ее стремятся только лишь за счет уве­ личения входного сопротивления RBX усилителя, так как при увеличе­ нии емкости Свх уменьшается первый сомножитель в правой части формулы (2.18), т. е. падает общая чувствительность измерительной цепи. По этой причине стремятся применять кабель с возможно мень­ шей емкостью, что обычно достигается сокращением его длины. Уси­ лители для измерений на низких частотах делают с входным сопротив­ лением порядка десятков мегом'.

Амплитудно-частотная характеристика пьезоакселерометра получа­ ется при умножении (2.18) на аналогичную приведенной на рис. 1.2, г амплитудно-частотную характеристику механической колебательной сис­ темы. При этом следует иметь в виду, что для большинства пьезоак­

Верхняя граница частотного диапазона зависит от так называемой частоты установочного резонанса, т. е. от собственной частоты /і пьезоакселерометра, установленного на объекте, и, как правило, не превышает ѴзЧ-'Д от f і, в зависимости от обусловленной неравномер­ ности амплитудно-частотной характеристики.

Частотный диапазон акселерометра обычно указывается в паспорте прибора, в котором приводятся значения нижней и верхней границ измеряемых частот с указанием входного сопротивления измеритель­ ного усилителя (или типа этого усилителя) и величины неравномер­ ности характеристики. При более высоких требованиях к равномерно­ сти характеристики частотный диапазон сужается, причем пересчет нижней границы может осуществляться по формуле (2.19) или (2.20), а верхней — по формуле ( 1.8).

37

Kf ö)

95

50

30

20

ІО

О

Рис. 2.12. Типичная амплитудно-частотная характеристика пьезоакселерометра

широко использоваться при построении характеристик пьезоакселеро­ метров, а также и других измерительных, регистрирующих и анализи­ рующих приборов. При этом применяются условные относительные ло­ гарифмические единицы — д е ц и б е л ы , характеризующие, во сколько

38

раз одно значение величины, скажем, амплитуды колебаний А, больше

сравнительно близких величин выражались целыми числами; он принят равным 20 для характеристики величин, содержащих единицы длины, силы и т. п. в первой степени, таких как перемещение, скорость, уско­

боты и т. п. При изменении величины в п=А/Ао раз говорят, что она изменилась на L (дб). Для перевода одних единиц в другие удобно пользоваться табл. 2.2, в которой приводятся отношения п, соответ­ ствующие децибелам от 0 до 20 с шагом в 0,1 дб. Например, изме­

ток исключается из исходного числа децибел, а потом полученное из таблицы отношение умножается на десять в степени, равной количе­

39