Метод определения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя

Авторы статьи: Ю.А. Кувыкин (ФГБУ «ГНМЦ» Минобороны России), И.Н. Соколов (предприятие «Висом»)

В настоящее время широкое распространение получили установки автоматизированной поверки вибропреобразователей. Применение таких установок обеспечивает точность измерений, позволяет избежать негативного влияния «человеческого фактора» и сократить время поверки.

Подавляющая часть современных автоматизированных установок поверки и калибровки вибропреобразователей, которые эксплуатируются в нашей стране, зарубежного производства. Наряду с высокой стоимостью они имеют еще один существенный недостаток: не могут обеспечить определение всех характеристик вибропреобразователей в процессе их поверки в соответствии с действующей нормативно-технической документацией. Основной из таких характеристик является частота установочного резонанса, а основополагающим документом в данной области является ГОСТ Р 8.669-2009 [1].

В свою очередь, отечественные системы серийного производства также не позволяют определять частоту установочного большинства пьезоэлектрических вибропреобразователей.

В связи с этим сотрудники компании «ВИСОМ» совместно со специалистами ФГБУ «ГНМЦ» Минобороны России провели исследования методов определения частоты установочного резонанса пьезоэлектрических вибропреобразователей и разработали установку с применением механического удара стального шарика для последующей реализации в новой измерительной вибрационной установке ВС-421.

В ГОСТ Р 8.669-2009 описано три основных метода поиска резонанса:

• с применением поверочной виброустановки;
• с применением пьезоэлектрического вибратора;
• с применением механического удара стального шарика.

Для первого случая схема поверочной вибрационной установки приведена на рисунке 1:

1. вибростенд поверочной виброустановки;
2. согласующий усилитель;
3. двухлучевой осциллограф;
4. вольтметр;
5. согласующий усилитель встроенного виброметра;
6. измерительный прибор встроенного виброметра;
7. усилитель мощности;
8. задающий генератор;
9. блок подмагничивания.

Рисунок 1. Определение установочного резонанса акселерометра с помощью вибрационной установки

Процедура обнаружения резонанса требует поддержания ускорения со значением не менее 5 м/с² и плавного изменения частоты (с дискретностью не более 100 Гц), начиная со значения, которое в 10 раз ниже предполагаемой частоты резонанса, до возникновения резонанса. При этом частотой резонанса считается значение, при котором напряжение, приходящее с вибропреобразователя, максимальное, а сдвиг фаз между сигналом с выходов эталонного и поверяемого вибропреобразователей приблизительно равен 90°.

Большинство современных вибропреобразователей имеют частоту резонанса выше 20 кГц, а некоторые и до 90 кГц, например, наиболее распространенный вибропреобразователь АР2037 имеет частоту установочного резонанса более 45 кГц [2]. При этом максимальная рабочая частота высокочастотных стендов серийно выпускаемых виброустановок не превышает 20 кГц.

Таким образом, рассмотренный способ реализуем только в тех случаях, когда частота установочного резонанса вибропреобразователя ниже верхнего значения диапазона рабочих частот применяемой виброустановки в 1,2 раза [1].

Во втором случае частота установочного резонанса определяется с помощью пьезоэлектрического вибратора. Схема установки приведена на рисунке 2:

1. основание;
2. поверяемый вибропреобразователь;
3. согласующий усилитель;
4. двухлучевой осциллограф;
5. вольтметр;
6. усилитель мощности;
7. пьезоэлектрический вибратор;
8. задающий генератор.

Рисунок 2. Схема поверочной установки в случае использования пьезоэлектрического возбудителя

Пьезоэлектрический вибратор возбуждается напряжением переменного тока генератора с плавным изменением частоты (с дискретностью не более 100 Гц), начиная со значения, которое в 10 раз ниже предполагаемой частоты резонанса, до возникновения резонанса. При этом частотой резонанса считается значение, при котором значение напряжения, приходящего с вибропреобразователя, максимальное, а сдвиг фаз между сигналами генератора и поверяемого вибропреобразователя приблизительно равен 90°.

Этот способ лишен основного недостатка предыдущего, а именно физических ограничений стенда, однако требует изготовления высокочастотного пьезоэлектрического возбудителя ввиду отсутствия его в продаже.

В третьем случае используется установка типа «падающий шар», приведенная на рисунке 3:

1. кронштейн;
2. падающий шар;
3. направляющая трубка;
4. рабочее тело;
5. регистрирующее устройство;
6. поверяемый вибропреобразователь;
7. согласующий усилитель.

Для определения резонанса на рабочее тело с закреплённым акселерометром сбрасывают шарик, и проводится спектральный анализ сигнала с вибропреобразователя. Частотой установочного резонанса вибропреобразователя считается значение, на котором фиксируется максимальная спектральная плотность мощности сигнала, а фаза приближается к 90°.

Рисунок 3. Установка для определения установочного резонанса вибропреобразователей ударным методом

Рассматриваемый вариант определения резонанса вибропреобразователя является наиболее дешевым и легко реализуемым с точки зрения изготовления механических частей установки, поэтому он и был выбран для практической реализации.

Реализованная установка включает в себя:

• систему управления вибрационными испытаниями и регистрации сигналов ВС-407, которая имеет частоту дискретизации до 256 кГц и, соответственно, позволяет обнаруживать резонансы с частотой до 100 кГц;
• программное обеспечение VisAnalyser, предназначенное для записи и анализа сигналов с ВС-407;
• набор рабочих тел из стали с диаметрами от 22 до 75 мм с высверленным отверстием под резьбу М5 для крепления датчиков.
• шарики диаметром 6 мм;
• приспособление с кронштейном и трубками.
• Внешний вид приспособления с рабочим телом диаметром 75 мм для реализации механического удара шарика приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Приспособление для реализации механического удара шариком с рабочим телом диаметром 75 мм

Для опробования установки были выбраны два датчика: АР2037-10 и 608A11, имеющие заявленные частоты резонансов 45 и 22 кГц соответственно. Первыми были проведены измерения с датчиком 608A11. Поиск резонанса производился с помощью рабочего тела диаметром 75 мм. Резонанс акселерометра 608A11 был найден достаточно точно и совпал с указанным в документации. Измеренное значение установочного резонанса составило 22681 Гц. Спектры трех бросков шарика приведены на рисунке 5 (рабочее тело диаметром 75 мм и массой 1700 гр., шарик диаметром 6 мм, высота падения — 7 см).

На спектре плотности мощности сигнала с акселерометра явно видны три всплеска:

• 22681 Гц — частота первого резонанса;
• 34886 Гц — частота второго резонанса;
• 36014 Гц — частота третьего резонанса.

В соответствии с [1] первый резонанс считается установочным, его значение совпадает со значением, приведенным в описании типа на данный акселерометр.

Рисунок 5. Спектры сигналов с акселерометра 608A11 при трех последовательных ударах шариком

В соответствии с пунктом В.1.1.2 приложения В ГОСТ Р 8.669-2009 максимальная частота резонанса, определяемая с помощью рабочего тела должна, быть в 1,2 раза меньше резонанса рабочего тела.

Резонанс рабочего тела рассчитывается по формуле (1):

где:

• D — диаметр рабочего тела, м;
• F_max — максимальная частота определяемого резонанса, Гц.
• μ — модуль сдвига материала рабочего тела, Н/м2 (для стали μ= 8,2*1010);
• ρ — плотность материала рабочего тела кг/м3 (для стали ρ=7,8*103).

Расчетное значение частоты резонанса рабочего тела диаметром 75 мм составляет 36314 Гц.

На рисунке 5 явно виден резонанс с частотой 36014 Гц, отличие от расчетного значения менее чем на 1%, таким образом, частота второго резонанса является частотой резонанса рабочего тела.

Частотой третьего резонанса со значением 34886 Гц предположительно является резонанс крепления (системы шпилька — внутренняя резьба рабочего тела).

На следующем этапе исследований определялся резонанс вибропреобразователя АР2037-10. Было проведено три опыта с применением следующих рабочих тел:

• рабочее тело диаметром 45 мм и массой 370 гр. (расчетная частота резонанса тела — 60523 Гц);
• рабочее тело диаметром 37 мм и массой 204 гр. (расчетная частота резонанса тела — 73610 Гц);
• рабочее тело диаметром 32 мм и массой 131 гр., расчетная частота резонанса тела — 85111 Гц).

Крутящий момент затяжки резьбового соединения крепления вибропреобразователя — 2 Нм. Результаты испытаний приведены на рисунках 6, 7 и 8.

Рисунок 6 — Спектры сигналов с вибропреобразователя АР2037-10 при трех последовательных ударах шариком (рабочее тело диаметром 45 мм, высота падения — 7 см)

На рисунке 6 видны три резонанса, полученные при использовании рабочего тела диаметром 45 мм:

• 34307 Гц — предположительно частота резонанса крепления;
• 46498 Гц — предположительно частота установочного резонанса датчика;
• 61969 Гц — предположительно частота резонанса рабочего тела.

Рисунок 7. Спектры сигналов с вибропреобразователя АР2037-10 при трех последовательных ударах шариком (рабочее тело диаметром 37 мм, высота падения — 7 см)

На рисунке 7 видны три резонанса:

• 37400 Гц — предположительно частота резонанса крепления;
• 49127 Гц — предположительно частота установочного резонанса датчика, смещенная предположительно в результате суперпозиции резонансов крепления и датчика, на 4 кГц;
• 75050 Гц — предположительно частота резонанса рабочего тела.

Рисунок 8. Спектры сигналов с вибропреобразователя АР2037-10 при трех последовательных ударах шариком (рабочее тело диаметром 32 мм, высота падения — 7 мм)

На рисунке 8 видны три резонанса:

• 35725 Гц — предположительно частота резонанса крепления;
• 47617 Гц — предположительно частота установочного резонанса датчика, смещенная предположительно в результате суперпозиции резонансов крепления и датчика, на 2 кГц;
• 82083 Гц — предположительно частота резонанса рабочего тела.

В соответствии с [1] за частоту установочного резонанса вибропреобразователя необходимо принять частоту первого резонанса. В соответствии с этим за частоту установочного резонанса датчика ошибочно принимается частота резонанса крепления.

Для того, чтобы доказать это, был проведен дополнительный эксперимент с бросанием шариков на датчик без рабочего тела. Датчик был расположен на поролоновой прокладке.

Было проведено два опыта — с ударом шарика с высоты 7 мм и 20 мм. Спектры ударов приведены на рисунках 9 и 10.

Рисунок 9. Спектры сигналов с вибропреобразователя АР2037-10 при трех последовательных ударах шариком без рабочего тела с высоты падения — 7 мм

Рисунок 10. Спектры сигналов с вибропреобразователя АР2037-10 при трех последовательных ударах шариком без рабочего тела с высоты падения — 20 мм

Для данных опытов спектры имеют один явный резонанс — на частотах 43790 и 43832 Гц — т.е. это собственный резонанс датчика при отсутствии резонансов резьбового крепления и рабочего тела. Этот резонанс совпадает с значением установочного резонанса вибропреобразователя, которое специфицирует производитель с ошибкой в 1200 Гц. Ошибка возникает, скорее всего, из-за того, что датчик распложен не строго перпендикулярно направлению падения шарика.

Исходя из проведенных опытов, был сделан вывод, что резонанс с частотой 34 — 35 кГц свойственен резьбовому креплению вибропреобразователя к рабочему телу.

Выводы

По результатам проведенных исследований необходимо сделать следующие выводы:

1. Разработанная установка позволяет определять частоту установочного резонанса вибропреобразователей в диапазоне до 34 кГц в соответствии с ГОСТ Р 8.669-2009.
2. При определении частоты установочного резонанса вибропреобразователей более 34 кГц необходимо учитывать не только резонанс рабочего тела, как это регламентировано [1], но и резонанс резьбового крепления вибропреобразователя к рабочему телу.

Литература

1. ГОСТ Р 8.669-2009 ГСИ. Виброметры с пьезоэлектрическими, индукционными и вихретоковыми вибропреобразователями. Методика поверки.
2. Описание типа 35902-08.
3. Product Data DeltaTron^® Range [Электронный ресурс] // Brüel & Kjær : [сайт]. URL: https://www.bksv.com/media/doc/bp1288.pdf (дата обращения: 07.08.2018).
4. Model 352C33 Platinum Stock Products; High sensitivity, ceramic shear ICP^® accel., Installation and Operating Manual.
5. Каталог Глобалтест (http://globaltest.ru/Katalog-produkcii-OOO-GlobalTest.pdf). 2018. 18-19 pp.
6. BS 6955-22: Calibration of vibration and shock pick-ups — Part 22: Acceleration resonance testing — General methods.

Заказать систему поверки ВС-421 или процедуру поверки вы можете в отделе продаж «Висом». Остались вопросы? Звоните и пишите: +7 (4812) 777-001, contact@visom.ru.