Отправляя данные, я подтверждаю, что ознакомилась/ознакомился с Политикой в отношении обработки персональных данных, принимаю её условия и предоставляю ООО «РИА «Стандарты и качество» Согласие на обработку персональных данных.
Отправляя данные, я подтверждаю, что ознакомилась/ознакомился с Политикой в отношении обработки персональных данных, принимаю её условия и предоставляю ООО «РИА «Стандарты и качество» Согласие на обработку персональных данных.
Для приобретения подписки для абонементного доступа к статьям, вам необходимо зарегистрироваться
После регистрации вы получите доступ к личному кабинету
Зарегистрироваться Войти
Среди многообразия применяемых вибропреобразователей всё большее значение приобретают преобразователи пространственной вибрации (ППВ). Не требует доказательств тезис о том, что вектор вибрации в опоре какого-либо механизма – не меньше, чем его проекция на любую ось декартовой системы координат. Следовательно, вектор вибрации является более информативным параметром, определяющим нормальность работы механизма. Для измерения вектора вибрации применяются многокомпонентные ППВ [1–2]. Из многокомпонентных вибропреобразователей наибольшее распространение получили трёхкомпонентные пьезоэлектрические вибропреобразователи (рис. 1), которые позволяют проводить измерение составляющих вектора виброускорения в декартовой системе координат в достаточно широкой полосе частот, поэтому ниже основное внимание уделяется именно пьезоэлектрическим ППВ. Предприятия и организации, применяющие пьезоэлектрические преобразователи для измерения параметров вибраций, предъявляют требования не только к количеству измеряемых компонент разрабатываемых ППВ, но и к их габаритам, массе, частотному, амплитудному, температурному диапазонам, точности, проверке работоспособности в эксплуатации, интеллектуализации выходной информации и т.д. Некоторые из приведённых требований противоречивы. Например, расширение частотного и температурного диапазонов измерений параметров вибраций приводит к снижению точности ППВ или к усложнению конструкции ППВ, проверка работоспособности ППВ в эксплуатации требует усложнения конструкции ППВ, соответственно, увеличиваются их габариты и масса или системы обработки информации и т.д.
Как правило, многокомпонентный ППВ состоит из однокомпонентных модулей, размещённых в одном корпусе. Это позволяет снизить себестоимость изготовления ППВ, с одной стороны, а с другой, – существует возможность применения при изготовлении многокомпонентных ППВ многих наработок, применяемых для однокомпонентных вибропреобразователей (ОВП). Рассмотрим последовательно некоторые трудности разработки, изготовления и применения ППВ. При этом основное внимание будет уделено преобразователям виброускорения, т.к.:
Наиболее сложная задача при разработке высокочастотных ППВ – обеспечение требуемого частотного диапазона для всех каналов многокомпонентного ППВ. В эксплуатации вектор вибрации может действовать на ППВ как соосно с осью чувствительности модулей, так и под углом ~90°, т.е. почти перпендикулярно. В последнем случае, так как поперечный резонанс значительно ниже осевого, подъём частотной характеристики, вызванный поперечным резонансным движением чувствительного элемента модуля, может оказаться в рабочей полосе частот.
В [3] для ОВП при выпуске их из производства введён обязательный параметр – частота поперечного резонанса, которая должна быть выше верхнего значения рабочего диапазона частот ОВП. Таким образом, существенно снижается влияние поперечного резонанса на частотную и точностную характеристики ОВП. Надо учесть, что на значение частоты поперечного резонанса оказывают влияние и конструкция чувствительного элемента (модуля), и масса ОВП, и жёсткость крепления корпуса ОВП к объекту измерения (которая зависит, в том числе, и от площади контакта ОВП с объектом измерения), и т.д.
При разработке и изготовлении многокомпонентных ППВ значения частот поперечных резонансов отдельных модулей, входящих в состав ППВ, уменьшаются, т.к. увеличивается масса преобразователя, а площадь контакта и жёсткость соединения с объектом измерения увеличивается незначительно.
На практике в основном используется несколько путей расширения частотного диапазона, измеряемых с помощью ППВ виброускорений:
Не менее простой проблемой является проблема определения работоспособности ППВ как перед установкой на объект измерения, так и в эксплуатации.
Можно выделить несколько основных подходов разработчиков к вопросу проверки работоспособности ППВ. Как правило, чаще используется свойство «обратимости» (в пьезоэлектрических вибропреобразователях – свойство «обратного пьезоэффекта») вибропреобразователей для проверки их работоспособности в эксплуатации. Наиболее вероятно, предпочтительность данного варианта объясняется возможностью его более простой реализации на практике. И здесь возможны несколько вариантов проверки работоспособности.
Первый вариант является упрощённым и предусматривает возбуждение модулей каналов ППВ с помощью фиксированного значения тестового сигнала на частотах значительно ниже частоты установочного резонанса. Определяется реакция модулей на тестовый сигнал. Эта процедура проводится сразу после установки ППВ на место эксплуатации (оператору, устанавливающему ППВ на место эксплуатации, известно, что вибропреобразователь в этот момент исправен на 100%) и через интервал времени, указанный в технической документации. Сравнивая полученные результаты, определяют возможное отклонение его параметров от начальных значений. Такой принцип заложен, например, в [2, табл. В.1–1, В.1–2, В.1–6, В.2–14, В.2–15, Д.1, Д.3, Д.6].
Однако надо учесть, что, во‑первых, при данном подходе проверяется только возможное изменение некоторых параметров (например, ёмкостей пьезоэлементов) и целостность электрических цепей ППВ, иногда проверяется и правильность работы согласующих усилителей (например, усилителей заряда). Но изменение ёмкостей ППВ зависит от изменения диэлектрической проницаемости пьезоэлементов, а изменение коэффициентов преобразования (чувствительностей) зависит ещё и от изменения пьезомодуля пьезоэлемента, а последнее изменение простым электрическим возбуждением на частотах значительно ниже частоты установочного резонанса в настоящее время определить невозможно. Поэтому при таком подходе можно определять только работоспособность ППВ по принципу «работает – не работает».
Во вторых, применение данного способа для проверки работоспособности ППВ имеет существенные ограничения, т.к. при возбуждении пьезокерамики одного из каналов возникают помехи в других каналах, вызванные волновыми эффектами в корпусе вибропреобразователя (помехи будут увеличиваться со снижением перпендикулярности расположения осей чувствительности однокомпонентных модулей по осям X, Y и Z и увеличением сложности конфигурации корпуса, в последнем случае возможности для распространения в нежелательном направлении волн по корпусу ППВ увеличиваются). По этой причине в каждом конкретном случае требуется экспериментальное подтверждение возможности применения свойства «обратимости» для проверки работоспособности ППВ.
Второй вариант определения изменений коэффициента преобразования можно осуществить при возбуждении пьезоэлектрического вибропреобразователя на частотах в области частоты его установочного резонанса (возбуждение может быть или изменяющимся по частоте гармоническим сигналом, или последовательностью импульсов, или псевдослучайным сигналом). В этом случае при определении частот установочного резонанса и антирезонанса по одному варианту можно определить коэффициент преобразования и его изменение (при наличии) относительно начального значения, которое должно определяться при первичной поверке (например, [2, табл. В.1–1, Г.1–1]. А по второму варианту осуществляется сравнение с начальными переходными функциями пьезоэлектрического вибропреобразователя (например, [2, табл. В.2–15, Г.2–5]. Однако в последних двух работах способ определения коэффициента преобразования в эксплуатации реализован только для однокомпонентных пьезоэлектрических вибропреобразователей.
Как правило, при использовании для определения работоспособности электрического возбуждения ППВ на частотах в области частот, близких к частотам установочных резонансов однокомпонентных модулей по осям X, Y и Z, возникают значительные помехи, не позволяющие с достаточной точностью (а иногда не позволяющие в принципе) определить значения резонансных и антирезонансных частот однокомпонентных пьезомодулей, входящих в состав ППВ, и, соответственно их коэффициентов преобразования. Поэтому возможность применения перечисленных в данном пункте патентов необходимо экспериментально проверить, прежде чем вводить их в метрологическую практику и разрабатывать соответствующие документы (методики поверки или калибровки).
Существует ещё целый ряд предложений, позволяющих с большей или меньшей достоверностью определить правильность работы ППВ. Вот некоторые из них:
Как правило, перечисленные в данном пункте способы определения работоспособности пьезоэлектрических вибропреобразователей требуют применения более сложной конструкции преобразователя или более сложной схемы обработки информации. По этой причине внедрение этих способов может оказаться целесообразным на объектах, аварии на которых могут привести к большим потерям (включая и человеческие).
Более приемлемыми и относительно простыми способами являются способы, позволяющие определить работоспособность с помощью дополнительных одного или нескольких резервных каналов, расположенных в одном корпусе с трёхкомпонентным ППВ [2, табл. В.1–6, Г.1–1, Д.1].
При использовании дополнительных каналов в ППВ возможно определение его работоспособности при измерении вектора виброускорения с помощью многокомпонентного (четырёхкомпонентного, рис. 2) ППВ. Последовательность действий и теоретическое обоснование определения работоспособности довольно подробно приведено в [6]. В этой же работе приведены и результаты экспериментальных исследований. Однако с помощью приведённого в [6] четырёхкомпонентного ППВ практически невозможно определить, какой модуль неисправен, если проверка показала неработоспособность ППВ. Это можно сделать с помощью пятого дополнительного модуля (рис. 3), расположенного в едином корпусе с четырьмя модулями под фиксированными углами к осям чувствительности ортогональных модулей ППВ [2, табл. В.1–6, В.2–14, Г.1–1, Д.1]. Фиксированные углы между осью чувствительности пятого модуля и осями чувствительности ортогональных модулей должны отличаться от фиксированных углов между осью чувствительности четвёртого дополнительного модуля и осями чувствительности ортогональных модулей.
Не менее сложной и противоречивой проблемой является проблема расширения температурного диапазона измеряемых параметров вибраций. Индукционные, индуктивные, ёмкостные и т.д. вибропреобразователи, как правило, имеют верхний предел температурного диапазона не более 120 °C. Известно, что более широкий температурный диапазон (от –60 до 250 °C) у пьезоэлектрических ППВ с обычной пьезокерамикой типа ЦТС‑19 или ЦТС‑26 без встроенных в корпус электронных схем (согласующих усилителей, фильтров и других преобразующих схем). В общем случае без специальных устройств встроенная в корпус ППВ электроника позволяет проводить измерения до 100 °C. Для расширения температурного диапазона применяются специальные дополнительные устройства и процедуры.
Можно выделить несколько основных направлений повышения точности измерений параметров вибраций в условиях воздействия на ППВ повышенных температур:
Наиболее простым путём расширения температурного диапазона измеряемых параметров вибраций является применение высокотемпературной элементной базы, однако данный подход существенно повысит себестоимость ППВ, что снижает их конкурентоспособность. Размещение согласующего усилительно-преобразующего блока не в корпусе ППВ, а в разъёме [2, табл. В.1–6, Г.1–1; Г.2–7, Д.5], по мнению автора статьи, является более дешёвым и приемлемым с точки зрения простоты реализации способом расширения температурного диапазона измеряемых параметров вибраций.
Следующей задачей, которая всегда решается при разработке ППВ, является обеспечение требуемых значений коэффициентов преобразования (чувствительностей) модулей, входящих в состав ППВ. Как правило, разработка ППВ с широким частотным диапазоном измеряемых параметров вибраций без дополнительных усилительных и корректирующих элементов приводит к снижению коэффициентов преобразования модулей.
Для увеличения коэффициента преобразования (чувствительности) пьезоэлектрического ППВ применяют в пьезомодулях изгибную деформацию. В своих первых разработках такие ППВ были низкочастотными, поэтому для расширения частотного диапазона в область высоких частот пьезоэлементы, которые при деформации вырабатывают соответствующий заряд, закрепляют на достаточно высокочастотных консольных или диафрагменных подложках. В результате получают пьезоэлектрические ППВ с достаточно большим коэффициентом преобразования и с требуемым для решения определённых задач частотным диапазоном [2, табл. В.2–9, B.2–12, B.2–13, B.2–14].
С целью минимизации затрат на изготовление пьезоэлектрических ППВ и облегчения конструкции применяют изгибные чувствительные элементы с пьезоплёнкой из PVDF (Polyvinylidene Fluoride) или оксида цинка (ZnO), при этом наибольшее количество патентов с применением пьезоплёнки для изготовления пьезочувствительных элементов наблюдается в Китае и Японии [2, табл. В.2–9, Д.2, Д.5].
Пьезоэлектрические ППВ, в конструкции которых применяют пьезоплёнку, имеют низкую стоимость и достаточно высокую чувствительность. Однако отсутствует информация о том, какая стабильность коэффициента преобразования у таких ППВ. Нельзя исключать, что стабильность параметров серийно выпускаемой пьезоплёнки является основным «тормозящим» элементом, не позволяющим широко применять её для изготовления преобразователей вибрации, и с повышением её стабильности интерес ведущих мировых изготовителей пьезотехники возрастёт. В настоящее время пьезоплёнка применяется в вибропреобразователях для измерения параметров вибрации с достаточно низкой точностью (на уровне индикаторов).
Иной подход к вопросу повышения коэффициента преобразования изгибных пьезоэлектрических ППВ связан с применением пьезоподложки, на которой возбуждают поверхностные акустические волны (ПАВ) [2, табл. В.1–3, В.2–5, B.2–9, Д.1]. Применение ПАВ для измерения параметров вибраций является достаточно перспективным направлением, т.к. такие чувствительные элементы достаточно стабильные, дешёвые, имеют малые размеры и цифровой выход, что позволяет их относительно легко сопрягать с вычислительной техникой и обрабатывать информацию по требуемому алгоритму. Надо отметить, что в России интерес к преобразователям на базе ПАВ значительно выше, чем интерес к преобразователям на базе пьезоэлектрических плёнок [8].
Анализ тенденций совершенствования ППВ будет неполным, если не учесть существующую тенденцию изготовления пьезоэлектрических ППВ, направленную на их микроминиатюризацию и идентификацию, т.е. на использование технологий MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) [9–11] и TEDS (Transducer Electronics Data Sheet) [12] – кстати, последние чаще встречаются не в патентных источниках, а в научных статьях.
Применение MEMS-технологий для создания ППВ [10–11] позволяет существенно уменьшить массу и габариты преобразователя, при этом создаётся компактная, практически неразборная конструкция преобразователя, измеряющая пространственную вибрацию в заданном диапазоне частот и амплитуд. Существенным «минусом» таких преобразователей является недостаточно широкий диапазон рабочих температур (т.к. это, как правило, ёмкостные ППВ, с одной стороны, а с другой – чувствительный элемент и преобразующая электронная часть чаще всего размещены в одном корпусе, установленном на объекте, вибрация которого измеряется, в [11] диапазон рабочих температур от –40 до 85 °C). Для компенсации этого недостатка требуется применение некоторых из описанных выше способов компенсации возникающих погрешностей измерений.
Значительно реже встречается в литературе использование TEDS-технологий (электронная запись параметров преобразователя). Однако при конкретизации понятия «интеллектуальный датчик», как правило, применяются и TEDS-технологии, а последних статей достаточно много [12].
Можно предположить, что причиной такого положения с использованием TEDS-технологий несколько:
И последнее, хотя по значимости вопроса данный пункт должен быть одним из первых: метрологическое обеспечение разработки, изготовления и эксплуатации многокомпонентных ППВ.
Вопрос метрологического обеспечения многокомпонентных ППВ в настоящее время практически не решён, т.к. отсутствует утверждённый Росстандартом нормируемый перечень метрологических характеристик, а также способы их определения. Для ППВ применяются стандартные способы определения метрологических характеристик, разработанные для ОВП [4, 13]. В соответствии с этими нормативными документами многокомпонентные ППВ рассматриваются как набор однокомпонентных модулей, размещённых в одном корпусе ортогонально друг другу или под определёнными фиксированными углами. Такой подход требует, чтобы в конструкции корпуса ППВ были предусмотрены установочные поверхности, а также при поверке варианты крепления ППВ для каждого его положения на рабочем эталоне единиц параметров вибраций, т.к. при поверке ППВ должен устанавливаться таким образом, чтобы направление действия колебаний вибростола совпадало с направлением оси чувствительности поверяемой компоненты ППВ. Невозможность одновременного определения метрологических характеристик всех компонент ППВ приводит к тому, что время поверки, как минимум, утраивается, соответственно, увеличивается и себестоимость ППВ.
Более рациональным является подход к определению метрологических характеристик многокомпонентных ППВ, описанный в статье [14], в которой предлагается устанавливать пьезоэлектрический ППВ на специальную оснастку, закреплённую на вибростоле однонаправленного рабочего эталона единиц параметров вибраций под углом к направлению его движения. В этом случае на каждый пьезомодуль многокомпонентного ППВ будет действовать проекция вектора вибрации, значение которой определяется с помощью предварительно измеренных углов. В результате возникает возможность за одну установку ППВ на однонаправленный вибростол рабочего эталона определить коэффициенты преобразования всех каналов ППВ, стоимость поверки и время поверки соответственно снижаются.
Кроме специальной оснастки в работе [14] предлагается нормировать не отдельно каждый канал ППВ, а коэффициент преобразования модуля вектора вибрации. Теоретически и экспериментально показано, что точность нормирования по модулю вектора вибрации выше, чем при нормировании коэффициентов преобразования отдельных компонент с последующим расчётом модуля вектора вибрации.
Применение относительно простой дополнительной оснастки к однонаправленному рабочему эталону единиц параметров вибраций позволяет существенно уменьшить издержки производства при изготовлении и выпуске многокомпонентных ППВ, а также повысить точность определения коэффициента преобразования модуля вектора виброускорения по сравнению с точностью определения отдельных каналов в соответствии с рекомендациями [3]. Однако для определения в условиях эксплуатации модуля вектора вибрации необходимо разработать рекомендации на методы и средства поверки многокомпонентных ППВ с внедрением возможных способов определения коэффициента преобразования модуля вектора виброускорения в частотном и амплитудном диапазонах. По мнению автора статьи, данная работа находится в компетенции российского метрологического института – держателя Государственного первичного специального эталона единиц длины, скорости и ускорения при колебательном движении твёрдого тела в диапазоне частот 3E‑1–2E4 (ГЭТ 58–2018).
Список использованных источников