Датчики, сигнал которых пропорционален виброускорению, являются основным средством измерения характеристик вибрации и составляют одну из самых многочисленных групп датчиков. Выходной величиной датчиков вибрации может быть либо заряд, либо напряжение. Чтобы измерить выходной сигнал с датчика вибрации, можно воспользоваться специальными средствами измерения, а также можно разработать свою аппаратуру измерения датчиков вибрации. Для того чтобы признать аппаратуру пригодной для измерения датчиков вибрации, необходимо провести её калибровку. Рассмотрим варианты измерения датчиков вибрации и калибровки аппаратуры измерения датчиков вибрации.
Ниже представлены несколько вариантов измерения датчиков вибрации с выходным сигналом в виде напряжения:
– с помощью вольтметра;
– с помощью электронной аппаратуры.
Для измерения действительных значений датчика вибрации достаточно воспользоваться, например, цифровым вольтметром, являющимся средством измерения (СИ). Принцип действия вольтметра будет заключаться в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код с помощью аналого-цифрового преобразователя.
Рис. 1. Измерение датчика вибрации с помощью вольтметра
Стоимость таких вольтметров, внесенных в ГосРеестр СИ, составляет 60 тысяч рублей.
Другой вариант измерения датчика вибрации — разработка электронной измерительной аппаратуры.
Рис. 2. Измерение датчика вибрации с помощью электронной аппаратуры
При изготовлении такой аппаратуры, необходимо её испытывать, то есть проводить калибровку.
Испытания — это одна из основных форм контроля изделий, которое представляет собой экспериментальное определение количественных и качественных показателей свойств изделия как результата воздействия на него при его функционировании, а также при моделировании объекта [1].
Для того чтобы провести испытания электронной аппаратуры необходимо:
- Отключить датчик вибрации.
- Подать на вход электронной аппаратуры сигналы с генератора напряжения, который будет являться СИ и имитировать сигналы с выхода датчика вибрации.
- Сравнить показания генератора и электронной аппаратуры, оценить погрешность аппаратуры.
Рис. 3. Проведение испытаний электронной аппаратуры
В случае, если генератор не является СИ, необходимо к его выходу подключить осциллограф, являющийся СИ, и сравнить показания осциллографа и измерительной аппаратуры.
Рис. 4. Проведение испытаний электронной аппаратуры
Разработать электронную измерительную аппаратуру, которая будет измерять датчики вибрации с выходным сигналом в виде напряжения, и испытать её несложно.
Рассмотрим два варианта измерения датчиков вибрации с выходным сигналом в виде заряда (пьезоэлектрических).
– с помощью усилителя заряда;
– с помощью электронной измерительной аппаратуры.
Рис. 5. Измерение пьезоэлектрического датчика с помощью усилителя заряда
Первый вариант — к выходу пьезоэлектрического датчика вибрации подключить усилитель заряда (внесенный в ГосРеестр СИ).
Усилитель заряда преобразует сигналы с датчиков вибрации в напряжение. Он необходим в научных установках и на испытательных стендах: когда требования к точности преобразования высоки и нужны большой динамический диапазон и широкая полоса частот [2].
Стоимость таких усилителей заряда, внесенных в ГосРеестр СИ, составляет примерно 60 тысяч рублей.
Другой вариант — разработать аппаратуру, которая будет измерять выходной электрический заряд с пьезоэлектрического датчика вибрации. Испытание такой аппаратуры необходимо провести аналогично испытанию аппаратуры для измерения датчиков вибрации с выходным зарядом в виде напряжения.
Пусть стоит задача в изготовлении опытного образца изделия военной техники, который будет измерять выход с 32 зарядовых пьезоэлектрических датчиков вибрации в диапазоне ускорений от 0,2 до 300g и диапазоне частот от 4 до 2500 Гц. Согласно ГОСТ РВ 15.203 о порядке выполнения опытно-конструкторских работ по созданию изделий и их составных частей, цель этапа заключается в изготовлении опытного образца изделия военной техники и в проведении предварительных испытаний для определения его соответствия требованиям технического задания и возможности предъявления на государственные испытания.
Рассмотрим варианты испытания данной аппаратуры.
Первый вариант: купить 32 пьезоэлектрических датчика вибрации, являющиеся средством измерения, подать выходные сигналы с датчиков на вход электронной аппаратуры и сравнить показания датчиков и показания электронной аппаратуры.
Достоинство — быстрое проведение испытаний.
Недостаток — стоимость одного пьезоэлектрического датчика вибрации, внесенного в ГосРеестр СИ, составляет 20 тысяч рублей. Соответственно, стоимость 32 пьезоэлектрических датчиков вибрации, внесенных в ГосРеестр СИ, будет идти от 640 тысяч рублей. Еще нужны деньги на обслуживание аппаратуры выдающей вибрации на датчики и изготовления оснастки для установки и подключения датчиков.
Второй вариант: купить 1 пьезоэлектрический датчик вибрации и в отдельности подключать его на каждый канал аппаратуры.
Достоинство — допустимая стоимость проверки устройства.
Недостаток — проведение данного испытания займет очень большое время. Допустим, для каждого канала достаточно проверить восемь точек ускорений (360g, 180g, 120g, 60g, 30g, 12g, 1g, 0.2g), 4 точки частоты (4 Гц, 800 Гц, 1600 Гц, 2500 Гц). То есть для одного канала необходимо провести 32 измерения. Пусть одно измерение будет длиться 5 минут, тогда проверка одного канала электронной измерительной аппаратуры будет длиться примерно 160 минут. Соответственно испытание аппаратуры будет длиться примерно 86 часов или 11 рабочий дней. Нужно понимать, что может стоять задача разработки устройства на 100 датчика вибрации и более, следовательно, испытание такого устройства займет еще больше времени.
Видим, что ни один из предложенных вариантов неудобен для испытания аппаратуры: либо это очень дорого, либо очень долго. Следовательно, необходимо разработать модуль, который будет обеспечивать имитацию 32 аналоговых двухпроводных пьезоэлектрических датчиков вибрации, подвергаемых вибрационному воздействию.
Третий вариант: разработка схемы имитации пьезоэлектрического датчика вибрации.
Рассмотрим схему, которая будет обеспечивать имитацию одного двухпроводного пьезоэлектрического датчика вибрации, подвергаемого вибрационному воздействию.
Рис. 6. Схема имитации двухпроводного пьезоэлектрического датчика вибрации
Данная схема состоит из микросхемы AD9837, представляющего собой малопотребляющий, программируемый генератор колебаний, который может формировать треугольные, прямоугольные и синусоидальные выходные колебания. Частота и фаза выходного сигнала управляются программно, что упрощает настройку генератора [3].
Поскольку выходной сигнал с датчиков вибрации пропорционален ускорению и имеет форму синусоиды, частота которой изменяется по времени, а амплитуда сигнала задается в виде ускорения, необходимо, чтобы генератор выдавал на выходе синусоидальный сигнал с нужным значением частоты и фазы.
Выходной синусоидальный сигнал с генератора поступает на сдвоенный прецизионный усилитель AD8676ARMZ типа Rail-to-Rail, который увеличивает мощность выходного сигнала.
Затем сигнал поступает на конденсатор, с выхода которого получается пропорциональный выходной электрический заряд.
Для подтверждения параметров выходного сигнала схемы ее необходимо подключить к предварительному усилителю ZET 440, который предназначен для измерения, усиления и преобразования выходных сигналов пьезоэлектрических первичных преобразователей с зарядовым выходом [4].
Литература:
- Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. [Электронный ресурс] − Режим доступа: http://exd.ru/cortemqfm000r08u80040o.html?print (дата обращения 20.05.2016)
- Усилитель заряда: как заставить работать пьезодатчик вибрации? [Электронный ресурс] − Режим доступа: http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_817_408.pdf (дата обращения 21.05.2016)
- Программируемый генератор колебаний с потребляемой мощностью 8.5 мВт и напряжением питания от 2.3 В до 5.5 В. [Электронный ресурс] − Режим доступа: http://www.analog.com/ru/products/rf-microwave/direct-digital-synthesis-modulators/ad9837.html#product-overview (дата обращения 21.05.2016)
- Усилитель заряда ZET 440. [Электронный ресурс] − Режим доступа: http://www.zetlab.ru/catalog/usiliteli-signalov-i-soglasuyushchie-ustroystva/zet-440/ (дата обращения 18.05.2016)
