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

амплитудно-частотной характеристики в пределах частотного диапазона.

того, чтобы обеспечить наибольшую точность измерения основных гар­

моник колебательного процесса. В нашей стране нормировано назна­ чение базовой частоты в пределах 63—125 гц [218].

Назначение базовой частоты в пределах нижней части частотного диапазона придает коэффициенту преобразования смысл первого со­ множителя в правой части формулы (2.18), где, однако, для пьезоак­ селерометров различной конструкции вместо М могут стоять другие выражения, количественно не большие М. В паспортах иногда указы­ вается конкретное значение К, полученное при градуировке в стан­ дартных условиях. Существенным здесь является то, что в знаменателе стоит величина суммарной емкости С пьезоэлемента Сп, кабеля Ск и входной цепи усилителя Свх. И если первая величина для данного при­ бора является неизменной, то вторая и третья могут меняться в весьма широких пределах. Поэтому, указывая величину коэффициента преобра­

емкость стандартного кабеля, и указывают значение Ад коэффициента преобразования, приведенное к этой емкости, по формуле

(2.23)

где Квх — действительное значение коэффициента преобразования при данном СвхЭто придает значению Кя независимость от Свх. Для каждого конкретного усилителя Квх может быть определено из урав­ нения (2.23) при известных остальных величинах.

Необходимо отметить еще, что в случае, когда имеется нелиней­ ность амплитудной характеристики, коэффициент преобразования ста­ новится зависимым от измеряемой амплитуды ускорения. Поэтому сей­ час узаконено определение коэффициента преобразования при ускоре­ ниях, не превышающих 500 м/сек2 [218]. Кроме того, вольтметры, с по­ мощью которых определяют коэффициент преобразования, обычно из­ меряют эффективное напряжение с дальнейшим пересчетом на пиковое

путем умножения на У 2. При нелинейных же искажениях формы си­ нусоиды погрешность пересчета эффективного значения в пиковое мо­ жет оказаться весьма существенной [243, 244]. В паспортах ряда при­

Следует также иметь в виду зависимость коэффициента преобра­ зования от температуры, в связи с чем ряд фирм указывает в паспор­ тах величину поправки на температуру либо гарантирует достаточно малую температурную погрешность. Наконец, весьма существенное влияние на величину коэффициента преобразования могут оказать способы крепления пьезоакселерометра к объекту, на котором произ­ водится измерение, время его работы и хранения, характер перенесен­ ных механических воздействий и т. п. [40, 45, 70]. Некоторые фирмы дают в паспортах приборов определенные гарантии и необходимую информацию по этңм вопросам.

Сдвиг фаз пьезоакселерометра получится как алгебраическая сумма сдвигов фаз электрической цепи и механической системы.

Нижняя граница измеряемых ускорений зависит главным образом от уровня собственных шумов измерительной цепи.

41

Наибольшие допустимые ускорения зависят главным образом от

прочности пьезоакселерометра.

Коэффициент поперечного преобразования (поперечная чувстви­ тельность) является весьма важной характеристикой, которая необхо­ дима при измерении параметров двух- и трехкомпонентных вибраций.

Характеристики некоторых серийных пьезоакселерометров приве­ дены в табл. 2.3 (вклейка). Наряду с отечественными, в таблицу включены также некоторые довольно широко распространенные в нашей стране типы зарубежных приборов. Данные по некоторым несерийным, а также менее широко распространенным серийным пьезоакселеромет-

рам приведены в работах [2, 14, 244].

Другие применения пьезоэффекта в приборах для исследования динамики сооружений ограничиваются главным образом непосредст­ венным измерением силы и мощности, передаваемых от источников

на машины — источника вибраций; 5 —основание

между двумя жесткими поршнями (рис. 2.13), предварительно стяну­ тыми между собой с помощью упругого элемента, благодаря чему удается измерить и растягивающие силы. Для передачи силы к порш­ ням они могут быть снабжены резьбой. Иногда динамометр выполня­

по обе стороны от источника силы (рис. 2.13, б), полностью воспри­ нимают силу, передаваемую на основание.

Измерение мощности, передаваемой от источника вибрации, можно осуществить, если одновременно с силой измерять перемещение, ско­ рость или ускорение с помощью отдельного датчика, либо датчика, конструктивно объединенного с динамометром (рис. 2.14). Такой дат­ чик, с выхода которого можно снимать два сигнала, один из которых

данс), характеризуемую отношением амплитуды силы к амплитуде пе­ ремещения и сдвигом фаз между ними при гармоническом возбужде­ нии. Номенклатура серийно выпускаемых импедансных головок чрез­ вычайно узка и ограничивается применением динамометров с весьма низким максимальным значением силы (до 300 Я), в связи с чем для динамических исследований сооружений они широкого применения не нашли.

Учитывая, что пьезоакселерометры, равно как и другие датчики с пьезоэлементами, работают лишь со специальными усилителями, ко­ торые не являются универсальными и не находят применения для

42

интегрирования по времени, подключение которых специальным пере­ ключателем позволяет измерять с помощью пьезоакселерометров-также скорости и перемещения.

Усилители заряда, данные о которых помещены в этой таблице, представляют собой сравнительно новый тип усилителей, чувствитель­ ность которых не зависит от емкости датчика и соединительного кабеля, а следовательно, и от длины кабеля. Например, усилитель заряда типа 2624, по данным фирмы, может быть использован при длине кабеля до нескольких километров. Вторым достоинством этих усилителей является очень низкая граница частотного диапазона, что позволяет применять их для измерения колебаний высотных сооруже­ ний. Например, сочетание усилителя типа 2624, имеющего коэффициент

1

при требовании, чтобы уровень сигнала превышал уровень шумов не

менее чем в 10 раз, позволит измерять ускорения, начиная с ZMин= = 0,01 м/сек2. При гармонических колебаниях это соответствует ампли­ тудам перемещений (в мм):

тересных и ценных сведений о пьезоэлектрических датчиках приво­

в приборах с сейсмомассой, сигнал от которых в зависимости от ре­ жима механической колебательной системы будет пропорционален пе­ ремещению, скорости или ускорению, а также в приборах, измеряю­ щих перемещение относительно неподвижной точки. В зависимости от электрических параметров, изменение которых связано с изменением измеряемой механической величины, их называют р е з и с т и в н ы м и (преобразующими элементами омического сопротивления или просто сопротивления), и н д у к т и в н ы м и или е м к о с т н ы м и .

43

Резистивные преобразователи широко применяют для измерения перемещений и деформаций. Наиболее распространены два основных вида преобразователей сопротивления — тензорезисторы, сопротивление которых меняется пропорционально деформации чувствительного эле­ мента, изготовляемого из специальных тензочувствительных материа­ лов, и ползунковые резисторы, сопротивление которых меняется про­ порционально перемещению ползунка по спирали, намотанной из про­ вода, либо по элементу, покрытому специальной мастикой, обладаю­

новном используется изменение площади контакта перемещающегося электрода с жидкостью, преобразователи к о н т а к т н о г о с о п р о -

Рис. 2.15. Схемы включения ползунковых резисторов для измерения перемещений

а — реостатная; б — потенциометрическая; в — расчетная схема измери­ тельного моста

т и в л е н и я с угольными дисками и порошками и др. Но сколько-ни­ будь заметного применения в динамике сооружений они не нашли.

Тензорезисторы широко используются в качестве преобразующих элементов виброизмерительных приборов и для непосредственного из­ мерения деформаций в элементах конструкций. Теория и практика их применения вылилась в самостоятельное научное направление, назы­

ответственно измерительное и балансировочное переменные сопротивле­ ния. Ползунок измерительного сопротивления связан с колеблющимся телом, а .ползунок балансировочного сопротивления устанавливается перед началом измерений в положение, при котором ток через галь­ ванометр не протекает (нулевое положение).

Реостатная схема содержит еще два сопротивления, каждое из которых включено в одно плечо измерительного моста. Она имеет недостаток, заключающийся в том, что сопротивление контакта, меняю­ щееся по случайному закону, включено последовательно с сопротивле­ нием Ra, из-за чего возникают большие погрешности измерения.

Потенциометрическая схема свободна от этого недостатка, так как контактное сопротивление включено последовательно с внутренним со­ противлением гальванометра. Кроме того, при равных напряжениях и токах питания она обеспечивает вдвое большую чувствительность по сравнению с реостатной.

46

где Rr — внутреннее сопротивление гальванометра.

Обычно величины всех сопротивлений перед началом измерений стремятся устанавливать одинаковыми, так что, например, для потен­ циометрической схемы, обозначая через AR пропорциональное переме­ щению изменение сопротивления в одном из измерительных плеч моста

жению питания U и тем больше, чем меньше R. Однако при подборе этих величин имеются ограничения. Во-первых, мощность, рассеивае­ мая на потенциометрическом преобразователе

т _ и г

должна быть не больше мощности, допускаемой по нагреву ползункового резистора, а обычно ее устанавливают в 2—3 раза меньше. Вовторых, величина ДR/R должна быть достаточно малой, чтобы можно было не считаться с нелинейностью, которую она вызывает. Величина этой нелинейности может быть оценена значением соответствующего члена в знаменателе формул (2.27) и (2.28).

Чувствительность измерительной схемы с ползунковый резистором, включенным по потенциометрической схеме, на линейном участке ха­ рактеристики можно рассчитать, положив в формулах (2.27) и (2.28)

47

которым движется ползунок, равную I, и его сопротивление при перемещении ползунка изменяется линейно, то

#

Рис. 2.16. Схемы некоторых индуктивных преобразователей

В каждом случае применительно к конкретным условиям эксперимента преобразователи такого типа несложно изготовить самим [147]. Однако после (54-10) - ІО5 циклов они требуют замены.

Индуктивные преобразователи довольно широко используются бла­ годаря простоте изготовления и надежности. Преобразователь содер­ жит одну или несколько электрических катушек с сердечником-магни- топроводом. В определенной зависимости от измеряемой величины ме-

. няется коэффициент самоиндукции (индуктивность) катушки или взаи­ моиндукции катушек за счет изменения зазора в магнитопроводе (рис.

48

Преобразователи с переменным зазором обычно делают с сердеч­ ником в виде пакета из тонких листов магнитомягкого железа, пер­ маллоя или пучка железных проволок, покрытых электрической изоля­ цией, либо, наконец, в виде ферритовых «горшочков», чтобы уменьшить

(ОнО^Цо

т. е. линейную зависимость тока от зазора и, следовательно, от пе­ ремещения ярма магнитопровода. Чувствительность измерительной цепи по току

в виду, что, с одной стороны, для того чтобы надежно отфильтроваться от несущей частоты, она должна не менее чем в 5—10 раз превышать верхнюю границу спектра измеряемого процесса, а с дру­ гой стороны, при несущих частотах выше 3—5 кгц уже необходимо принимать специальные меры для того, чтобы избежать влияния па­ разитных емкостей и индуктивностей соединительных проводов, дета­ лей измерительной схемы и т. п.

Недостатком описанного датчика является то, что для выполнения условия (2.36) отношение силы тока при отсутствии колебаний (нуле­ вого тока) к силе тока, связанного с измеряемыми колебаниями (тока сигнала), весьма велико. Компенсация нулевого тока с помощью схем­ ных решений оказывается ненадежной, так как при этом наблюдается сильный дрейф нуля из-за флуктуаций величины начального зазора, связанных с колебаниями температуры и другими причинами, а также из-за изменения частоты и напряжения источников питания.

2.16, б. Две катушки этого преобразователя включаются в противо­ положные плечи измерительной мостовой схемы, благодаря чему флук­ туации зазора, равно как и другие помехи, оказываются в значительной мере скомпенсированными.

Преобразователи с переменным зазором имеют высокую чувстви­ тельность и позволяют измерять перемещения от десятых долей мик­ рона до нескольких миллиметров, причем для измерения перемещений более 1 мм используют изменение не только величины зазора, но и площади его поперечного сечения. Однако для измерения больших

дополнительных вторичных обмоток, с которых снимается электродви­ жущая сила (величина ее меняется вместе с измеряемой величиной). ЭДС изменяется из-за изменения коэффициента взаимоиндукции, про­ исходящего по тем же причинам, а соответственно по тем же законам, что и изменение индуктивности катушек в дроссельных преобразова­ телях. Кроме того, для изменения ЭДС в этих датчиках используется изменение взаимного расположения катушек.

Магнитоупругие преобразователи [2, 56, 88, 118, 214] являются разновидностью индуктивных, в которых используется изменение маг­ нитной проницаемости ферромагнитных сердечников под воздействием приложенных к ним механических сил. Как видно из формулы (2.32), индуктивность катушки на сердечнике без зазора (т. е. при 60= 0) прямо пропорциональна магнитной ■проницаемости р. К сожалению, зависимость магнитной проницаемости от механических напряжений, а соответственно и от измеряемых сил существенно нелинейна. Маг­ нитоупругие преобразователи могут быть дроссельными и трансформа­ торными; применяется также включение катушек по дифференциальной

схеме.

Применение индуктивных преобразователей возможно в датчиках с любой механической системой. Некоторые образцы серийно выпускае­ мой виброизмерительной аппаратуры содержат комплекты разнообраз­ ных датчиков (перемещения, ускорения, давления, силы и пр.) с уни­ фицированными индуктивными преобразователями, сопрягаемыми с уни-

50

версальным вторичным прибором. В качестве примеров можно назвать

сальные измерительные устройства UM111 и UM131. Магнитоупругие преобразователи используются главным образом в динамометрах и дат­ чиках давления.

Емкостные преобразователи [2, 56, 88, 118, 214] имеют обычно вид плоского конденсатора (рис. 2.17), емкость которого С (пф) меняется

3: