Вимірювання вібрації: повне керівництво

Оскільки методи ізоляції та зниження вібрації стали невід’ємною частиною конструкції машин, зросла потреба в точному вимірюванні й аналізі механічної вібрації. Використовуючи акселерометри для перетворення вібраційного руху в електричний сигнал, процес вимірювання та аналізу майстерно виконується універсальними можливостями сучасної електроніки.

Що таке вібрація?

Кажуть, що тіло вібрує, коли воно описує коливальний рух навколо вихідного положення. Кількість разів, яку здійснюється повний цикл руху протягом секунди, називається частотою і вимірюється в герцах (Гц).

Рух може складатися з однієї складової, що відбувається на одній частоті, як у камертону, або з кількох складових, що відбуваються одночасно на різних частотах, наприклад, під час руху поршня двигуна внутрішнього згоряння.

На практиці вібраційні сигнали зазвичай складаються з дуже багатьох частот, що виникають одночасно, тож ми не можемо відразу побачити, просто поглянувши на амплітудно-часову характеристику, скільки компонентів і на яких частотах вони виникають.

Ці компоненти можуть бути виявлені шляхом побудови графіка залежності амплітуди коливань від частоти. Розкладання сигналів вібрації на окремі частотні складові називається частотним аналізом. Цей метод можна вважати наріжним каменем діагностичних вимірювань вібрації. Графік, що показує рівень вібрації залежно від частоти, називається частотною спектрограмою.

Під час частотного аналізу вібрації машини ми зазвичай виявляємо кілька помітних періодичних частотних складових, які безпосередньо пов’язані з основними рухами різних частин машини. Таким чином, за допомогою частотного аналізу ми можемо відстежити джерело небажаної вібрації.

Звідки береться вібрація?

На практиці дуже важко уникнути вібрації. Зазвичай це відбувається через динамічні ефекти виробничих допусків, зазорів, контакту кочення і тертя між частинами машини, а також неврівноважених сил у обертових і здійснювальних зворотно-поступальний рух елементах. Нерідко невеликі незначні вібрації можуть збуджувати резонансні частоти деяких інших деталей конструкції та посилюватися у великі джерела вібрації і шуму.

Однак іноді механічна вібрація виконує корисну роботу. Наприклад, ми навмисно створюємо вібрацію в пристроях подачі компонентів, бетоноущільнювачах, ваннах ультразвукового очищення, перфораторах і свайобійних молотах. Машини для вібраційних випробувань широко використовуються для надання контрольованого рівня енергії вібрації виробам і вузлам, де потрібно вивчити їхні фізичні або функціональні характеристики та встановити їхню стійкість до вібраційного середовища.

Фундаментальною вимогою в усіх роботах із вібрацією, чи то проєктування машин, що використовують її енергію, чи створення та обслуговування плавно працюючих механічних виробів, є можливість отримати точний опис вібрації шляхом вимірювання й аналізу.

Кількісна оцінка рівня вібрації

Амплітуда вібрації, яка є характеристикою, що описує серйозність вібрації, може бути кількісно визначена кількома способами. На діаграмі показано співвідношення між розмахом, піковим рівнем, середнім рівнем і середньоквадратичним рівнем синусоїди.

Значення розмаху цінне тим, що воно вказує максимальне відхилення хвилі, корисне значення, коли, наприклад, вібраційне переміщення деталі машини має вирішальне значення для максимального напруження або механічного зазору.

Пікове значення особливо цінне для вказування рівня короткочасних поштовхів тощо. Але, як видно з рисунка, пікові значення показують лише, який максимальний рівень мав місце, без урахування часової історії хвилі.

З іншого боку, випрямлене середнє значення справді бере до уваги історію хвилі в часі, але вважається, що воно становить обмежений практичний інтерес, оскільки не має прямого зв’язку з будь-якою корисною фізичною величиною.

Середньоквадратичне значення є найпридатнішою мірою амплітуди, оскільки воно одночасно враховує історію хвилі в часі й визначає значення амплітуди, яке безпосередньо пов’язане з вмістом енергії і, отже, з руйнівними здатностями вібрації.

Прискорення, швидкість і переміщення

Одиниці вимірювання

Коли ми дивилися на вібруючий камертон, ми розглядали амплітуду хвилі як фізичне переміщення кінців вилки в будь-який бік від вихідного положення. Окрім переміщення ми також можемо описати рух ніжки вилки з точки зору її швидкості та прискорення. Форма і період вібрації залишаються незмінними, незалежно від того, розглядається переміщення, швидкість чи прискорення. Основна відмінність полягає в тому, що існує різниця фаз між амплітудно-часовими кривими трьох параметрів, як показано на рисунку.

Для синусоїдальних сигналів амплітуди переміщення, швидкості та прискорення математично пов’язані функцією частоти і часу, це показано графічно на діаграмі. Якщо знехтувати фазою, як це завжди буває під час проведення середньочасових вимірювань, то рівень швидкості можна отримати, поділивши сигнал прискорення на коефіцієнт, пропорційний частоті, а переміщення можна отримати, поділивши сигнал прискорення на коефіцієнт, пропорційний квадрату частоти. Це ділення виконується цифровим способом у вимірювальній апаратурі.

Параметри вібрації майже завжди вимірюються в метричних одиницях відповідно до вимог ISO, вони показані в таблиці. Проте гравітаційна стала « g » або, можливо, більш правильно « g n » все ще широко використовується для рівнів прискорення, хоча вона перебуває поза системою когерентних одиниць ISO. На щастя, коефіцієнт майже 10 (9,80665) пов’язує [MOP1] дві одиниці, тож уявне перетворення в межах 2% є простим.

Вибір параметрів прискорення, швидкості або переміщення

Виявивши віброприскорення, ми не прив’язані лише до цього параметра. Ми можемо перетворити сигнал прискорення в швидкість і переміщення. Більшість сучасних вимірювачів вібрації обладнані для вимірювання всіх трьох параметрів.

Під час виконання одноразового вимірювання вібрації у широкій смузі частот вибір параметра важливий, якщо сигнал має компоненти на багатьох частотах. Вимірювання переміщення надасть низькочастотним компонентам найбільшу вагу, і, навпаки, вимірювання прискорення будуть зважувати рівень у бік високочастотних компонентів.

Досвід показав, що загальне середньоквадратичне значення швидкості вібрації, виміряне в діапазоні від 10 до 1000 Гц, дає найкраще уявлення про силу вібрації на обертових машинах. Імовірне пояснення полягає в тому, що даний рівень швидкості відповідає даному рівню енергії; вібрації на низьких і високих частотах мають однакову вагу з точки зору енергії вібрації. На практиці багато машин мають достатньо плаский спектр швидкостей.

Під час виконання вузькосмугового частотного аналізу вибір параметра відображатиметься лише в тому, як аналіз буде нахилений на дисплеї або у друці (як показано на середній діаграмі на протилежній сторінці). Це приводить нас до практичного міркування, яке може вплинути на вибір параметра. Переважно вибирати параметр, що дає найбільш плаский частотний спектр, щоб найкращим чином використати динамічний діапазон (різницю між найменшим і найбільшим значеннями, які можуть бути виміряні) приладу. З цієї причини параметр швидкості або прискорення зазвичай вибирається для цілей частотного аналізу.

Оскільки вимірювання прискорення стосується високочастотних компонентів вібрації, ці параметри, як правило, використовуються там, де цікавий частотний діапазон охоплює високі частоти.

Природа механічних систем така, що помітні переміщення відбуваються лише на низьких частотах; тому вимірювання зміщення мають обмежене значення в загальному вивченні механічної вібрації. Коли розглядаються невеликі зазори між елементами машини, вібраційне переміщення, звісно, є важливим фактором. Переміщення часто використовується як індикатор дисбалансу обертових частин машин, тому що відносно великі переміщення зазвичай відбуваються на частоті обертання вала, яка також становить найбільший інтерес для цілей балансування.

П’єзоелектричні акселерометри

П’єзоелектричний акселерометр більш-менш повсюдно використовується для вимірювання вібрації. Він демонструє найкращі всебічні характеристики, ніж будь-який інший тип перетворювача вібрації. Він має дуже широкий частотний і динамічний діапазон із доброю лінійністю в усьому діапазоні. Він відносно міцний і надійний, тому його характеристики залишаються стабільними протягом тривалого періоду часу.

П’єзоелектричний акселерометр є самогенерувальним, тому йому не потрібне джерело живлення. Немає рухомих частин, які можуть зношуватися, і, нарешті, його вихідний сигнал, пропорційний прискоренню, може бути інтегрований для подачі сигналів, пропорційних швидкості та переміщенню. Вони здатні працювати за екстремальних температур, але мають обмеження через високий вихідний імпеданс, що потребує малошумних кабелів і підсилювачів заряду для обробки сигналу.

Серцем п’єзоелектричного акселерометра є зріз п’єзоелектричного матеріалу, зазвичай штучно поляризованої сегнетокераміки, який проявляє унікальний п’єзоелектричний ефект. Коли він піддається механічному напруженню при розтягу, стиску або зсуві, він генерує електричний заряд на полюсах своїх поверхонь, пропорційний прикладеній силі.

Конструкція акселерометрів

На практиці конструкція п’єзоелектричних елементів акселерометрів влаштована так, що під час вібрації маса прикладає до п’єзоелектричного елемента силу, пропорційну вібраційному прискоренню. Це видно із закону Сила = Маса х Прискорення.

Для частот, що лежать значно нижче резонансної частоти всієї системи пружина-маса, прискорення маси буде таким самим, як прискорення основи, і, відповідно, величина вихідного сигналу буде пропорційна прискоренню, якому піддається датчик.

Зазвичай використовуються дві конфігурації:

Тип стиску, при якому маса чинить стискальне зусилля на п’єзоелектричний елемент, і тип зсуву, при якому маса чинить зсувне зусилля на п’єзоелектричний елемент.

Типи п’єзоелектричних акселерометрів

У більшості виробників на перший погляд широкий асортимент акселерометрів, можливо, занадто великий, щоб зробити вибір простим.

Невелика група типів «загального призначення» задовольнить більшість потреб. Вони доступні з верхніми або боковими роз’ємами та мають чутливість у діапазоні від 1 до 10 мВ або пКл на м/ с 2 . Чутливість датчиків Uni-Gain® компанії Brüel & Kjær нормалізована до зручної «круглої цифри», такої як 1 або 10 пКл/мс -2 , для спрощення калібрування вимірювальної системи.

Акселерометри CCLD/DeltaTron® або IEPE

Акселерометри CCLD (лінійний привод постійного струму) або акселерометри IEPE (інтегрована електроніка, п’єзоелектричні) являють собою п’єзоелектричні акселерометри з вбудованими підсилювачами попереднього підсилення, які видають вихідні сигнали у вигляді модуляції напруги в лінії електроживлення.

IEPE акселерометри компанії Brüel & Kjær мають високу вихідну чутливість, високе відношення сигнал/шум і широку смугу пропускання, що робить їх придатними як для вимірювань загального призначення, так і для вимірювання високочастотної вібрації.

Ці акселерометри являють собою високопродуктивні прилади з вищою вихідною чутливістю, ніж стандартні п’єзоелектричні акселерометри (без інтегральних підсилювачів). Вони герметичні, захищені від забруднення навколишнього середовища, мають низьку сприйнятливість до радіочастотного та електромагнітного випромінювання, а також низький вихідний опір завдяки зовнішньому джерелу живлення постійного струму. Вихід із низьким імпедансом дає змогу використовувати недорогі коаксіальні кабелі для акселерометрів.

Характеристики багатьох акселерометрів, що не входять до діапазону загального призначення, орієнтовані на конкретне застосування. Приклад; невеликі акселерометри, призначені для високорівневих або високочастотних вимірювань, а також для використання на крихких конструкціях, панелях тощо, які важать бл. від 0,5 до 2 грамів.

Інші спеціальні типи оптимізовані для одночасного вимірювання в трьох взаємно перпендикулярних напрямках; високих температур; дуже низького рівня вібрації; потрясінь високого рівня; калібрування інших акселерометрів шляхом порівняння; та постійного моніторингу промислових машин.

Чутливість акселерометра, маса і динамічний діапазон

Чутливість є першою зазвичай розглядуваною характеристикою. В ідеалі ми хотіли б мати високий вихідний рівень, але тут ми повинні піти на компроміс, тому що висока чутливість зазвичай тягне за собою відносно більшу п’єзоелектричну збірку і, отже, відносно великий і важкий датчик.

У нормальних умовах чутливість не є критичною проблемою, оскільки сучасні підсилювачі попереднього підсилення розраховані на прийом цих низькорівневих сигналів. Маса акселерометрів стає важливою під час вимірювання на легких об’єктах. Додаткова маса може значно змінити рівні й частоти вібрації в точці вимірювання.

Як правило, маса акселерометра має становити не більше однієї десятої динамічної маси вібруючої частини, на якій він встановлений. Якщо необхідно виміряти аномально низький або високий рівень прискорення, слід враховувати динамічний діапазон акселерометра.

Нижня межа, показана на кресленні, зазвичай визначається не безпосередньо акселерометром, а електричними завадами від з’єднувальних кабелів і схеми підсилювача. Ця межа зазвичай становить лише одну соту м/с 2 для приладів загального призначення.

Верхня межа визначається міцністю конструкції акселерометра. Типовий акселерометр загального призначення є лінійним у межах від 50 000 до 100 000 м/с 2 , що перебуває в діапазоні механічних ударів. Акселерометр, спеціально розроблений для вимірювання механічних ударів, може бути лінійним до 1000 км/с 2 (100000 g).

Діапазон частот датчика

Механічні системи, як правило, мають більшу частину своєї енергії вібрації, що міститься у відносно вузькому діапазоні частот від 10 Гц до 1000 Гц, але вимірювання часто виконуються, скажімо, до 10 кГц, тому що на цих вищих частотах часто присутні цікаві компоненти вібрації. Тому під час вибору акселерометра ми повинні переконатися, що діапазон частот датчика може охоплювати цікавий для нас діапазон частот.

Діапазон частот датчика вібрації, в якому акселерометр дає істинний вихідний сигнал, на практиці обмежується на низькочастотному кінці двома факторами. По-перше, це відсічка низьких частот підсилювача, який іде за ним. Зазвичай це не проблема, оскільки межа зазвичай значно нижча за один Гц.

Другий — вплив коливань температури навколишнього середовища, до яких чутливий акселерометр. У сучасних акселерометрах зсувного типу цей ефект мінімальний, що дає змогу проводити вимірювання з частотою нижче 1 Гц за нормальних умов.

Верхня межа визначається резонансною частотою системи маса-пружина самого акселерометра. Як правило, якщо ми встановимо верхню межу частоти на одну третину резонансної частоти акселерометра, ми знаємо, що вібрація, виміряна на верхній межі частоти компонента, матиме похибку не більш ніж на + 12%. .

У невеликих акселерометрів із малою масою резонансна частота може досягати 180 кГц, але для акселерометрів загального призначення з дещо більшою вихідною потужністю типовими є резонансні частоти від 20 до 30 кГц.

Резонансні помилки акселерометра

Оскільки чутливість акселерометра зазвичай підвищується в кінці характеристики через його резонанс, його вихідний сигнал не даватиме істинного уявлення про вібрацію в точці вимірювання на цих високих частотах.

Під час частотного аналізу сигналу вібрації можна легко розпізнати високочастотний пік через резонанс акселерометра і, відповідно, проігнорувати його. Але якщо брати загальне широкосмугове показання, що включає резонанс акселерометра, це дасть неточний результат, якщо водночас вимірювана вібрація також має компоненти в районі резонансної частоти.

Ця проблема вирішується завдяки вибору датчика вібрації з якомога ширшим частотним діапазоном і використанню фільтра нижніх частот, який зазвичай входить до складу вимірювачів вібрації та підсилювачів, для відсікання небажаного сигналу, викликаного резонансом акселерометра.

Там, де вимірювання обмежені низькими частотами, високочастотна вібрація та ефекти резонансу акселерометра, такі як перевантаження в електроніці, можуть бути видалені за допомогою механічних фільтрів. Вони складаються з пружного середовища, зазвичай гуми, наклеєної між двома монтажними дисками, які встановлюються між акселерометром і монтажною поверхнею. Зазвичай вони знижують верхню межу частоти до 0,5–5 кГц.

Як уникнути помилок під час вимірювання вібрації

Уникнення помилок є частиною вступу до вимірювання вібрації, який відповідає на деякі з основних запитань, що ставлять новачки в галузі вимірювання вібрації. Тут дається коротке пояснення наступного: як уникнути помилок через резонанс акселерометра, як вибрати місце для встановлення акселерометра і як його встановити.

Положення акселерометра під час встановлення

Акселерометр має бути встановлений так, щоб бажаний напрямок вимірювання збігався з його основною віссю чутливості. Акселерометри також трохи чутливі до вібрацій у поперечному напрямку, але зазвичай цим можна знехтувати, оскільки поперечна чутливість зазвичай становить менше 5% від чутливості за головною віссю.

Причина вимірювання вібрації об’єкта зазвичай визначає положення точки вимірювання. Як приклад візьміть корпус підшипника на кресленні. Тут вимірювання прискорення використовуються для контролю робочого стану вала і підшипника. Акселерометр має бути розташований таким чином, щоб забезпечити прямий шлях вібрації від підшипника.

Таким чином, акселерометр «A» виявляє вібраційний сигнал від підшипника, що переважає над вібраціями від інших частин машини, а акселерометр «B» виявляє вібрацію підшипника, імовірно змінену передачею через шарнір, змішану із сигналами від інших частин машини. Так само акселерометр «C» розташований на більш прямому шляху, ніж акселерометр «D».

Також виникає питання — у якому напрямку слід вимірювати на розглядуваному елементі машини? Неможливо сформулювати загальне правило, але, наприклад, для показаного підшипника можна отримати цінну інформацію для цілей контролю, вимірюючи як в осьовому напрямку, так і в одному з радіальних напрямків, зазвичай у тому, в якому очікується найменша жорсткість.

Реакція механічних об’єктів на вимушені вібрації є складним явищем, тому можна очікувати, особливо на високих частотах, вимірювання значно різних рівнів вібрації та частотних спектрів навіть у сусідніх точках вимірювання на одному й тому ж елементі машини.

Монтаж акселерометра

Спосіб кріплення акселерометра до точки вимірювання є одним із найважливіших факторів для отримання точних результатів практичних вимірювань вібрації. Неакуратний монтаж призводить до зниження встановленої резонансної частоти, що може сильно обмежити корисний частотний діапазон акселерометра.

Ідеальним монтажем є різьбова шпилька на плоскій гладкій поверхні, як показано на рисунку. Тонкий шар мастила, нанесений на монтажну поверхню перед затягуванням акселерометра, зазвичай покращує жорсткість монтажу і, таким чином, забезпечує встановлену резонансну частоту, близьку до специфікації.

Різьбовий отвір у машинній частині має бути достатньо глибоким, щоб шпилька не вдавлювалася в основу акселерометра. На верхньому рисунку показана типова крива відгуку акселерометра загального призначення, встановленого за допомогою фіксувальної шпильки на плоскій поверхні. Досягнута резонансна частота майже дорівнює резонансній частоті 32 кГц, отриманій під час калібрування, коли монтажна поверхня абсолютно плоска і гладка.

Зазвичай використовуваний альтернативний метод кріплення — це використання тонкого шару бджолиного воску для приклеювання акселерометра на місце. Не забудьте стиснути шар воску якомога сильніше, щоб отримати дуже тонкий шар! Як видно з АЧХ, резонансна частота знижена лише незначно (до 29 кГц). Оскільки бджолиний віск стає м’яким за вищих температур, метод обмежений температурою близько 40°C. На чистих поверхнях фіксацію бджолиним воском можна використовувати до рівня прискорення близько 100 м/с 2.

Якщо на машині мають бути встановлені постійні вимірювальні точки і немає потреби свердлити та нарізати кріпильні отвори, можна використовувати цементувальні шпильки. Вони кріпляться до точки вимірювання за допомогою жорсткого клею. Рекомендується використовувати епоксидні та ціаноакрилатні клеї, оскільки м’які клеї можуть значно скоротити використовуваний частотний діапазон акселерометра.

Слюдяна шайба та ізольована шпилька використовуються там, де корпус акселерометра має бути електрично ізольований від об’єкта вимірювання. Зазвичай це робиться для запобігання контурам заземлення, докладніше про це ви знайдете в розділі «Вплив навколишнього середовища». Тонкий зріз слід відокремити від товстої слюдяної шайби, що входить до комплекту постачання. Цей метод фіксації також дає добрі результати, резонансна частота тестового акселерометра знижується лише приблизно до 28 кГц.

Постійний магніт — це простий метод кріплення, за якого точка вимірювання являє собою плоску магнітну поверхню. Він також електрично ізолює акселерометр при використанні ізолювального диска. Цей метод знижує резонансну частоту випробувального акселерометра приблизно до 13–20 кГц залежно від того, чи використовується ізолювальний диск і чи використовується силіконова змазка для монтажу, і, отже, його не можна використовувати для вимірювань значно вище 7–13 кГц. Утримувальна сила магніту достатня для рівня вібрації до 1000 м/с 2 залежно від розміру акселерометра.

Ручний щуп із встановленим зверху акселерометром дуже зручний для оперативного вимірювання, але може давати великі похибки вимірювання через малу загальну жорсткість.

Не можна очікувати повторюваності результатів. Слід використовувати фільтр нижніх частот, щоб обмежити діапазон вимірювань приблизно до 1000 Гц.

Вплив навколишнього середовища на вимірювання

Вплив навколишнього середовища є частиною вступу до вимірювання вібрації, який відповідає на деякі з основних запитань, що ставлять новачки під час вимірювання вібрації. Тут дається коротке пояснення наступного: температура, шум кабелю та інші фактори, що впливають на навколишнє середовище.

П’єзоелектричні матеріали та температура

Усі п’єзоелектричні матеріали залежать від температури, тому будь-яка зміна температури навколишнього середовища призведе до зміни чутливості акселерометра.

Типові акселерометри загального призначення можуть витримувати температури приблизно до 250°C. За вищих температур п’єзоелектрична кераміка почне деполяризуватися, тож чутливість зміниться назавжди. Якщо деполяризація не надто сильна, такий акселерометр можна використовувати після повторного калібрування. Для температур від -196°C до 482°C доступні акселерометри зі спеціальними п’єзоелектричними матеріалами.

З цієї причини всі акселерометри B&K постачаються з типовою кривою залежності чутливості від температури, щоб виміряні рівні можна було скоригувати з урахуванням зміни чутливості акселерометра за температур значно вищих або нижчих за 20°C.

П’єзоелектричні акселерометри також демонструють змінний вихідний сигнал, коли піддаються невеликим коливанням температури, що називається температурними перехідними процесами, у середовищі вимірювання. Зазвичай це проблема виникає лише під час вимірювання дуже низького рівня або низькочастотних вібрацій. Сучасні акселерометри зсувного типу мають дуже низьку чутливість до температурних перехідних процесів, тоді як акселерометри на стиск можуть мати в 100 і більше разів вищі вихідні значення.

Якщо акселерометри мають бути закріплені на поверхнях із температурою вище 250°C, між основою та вимірювальною поверхнею можна вставити тепловідвід і слюдяну прокладку. За допомогою цього методу, при температурі поверхні від 350 до 400°C, основу акселерометра може підтримуватися при температурі нижче 250°C . Потік охолоджувального повітря може надати додаткову допомогу.

Шум кабелю акселерометра

Оскільки п’єзоелектричні акселерометри мають високий вихідний опір, інколи можуть виникати проблеми з шумовими сигналами, наведеними в з’єднувальному кабелі. Ці завади можуть виникати через контури заземлення, трибоелектричні або електромагнітні завади.

Заземлювальний контур

Оскільки акселерометр і вимірювальне обладнання заземлені окремо, в екранах кабелів акселерометрів інколи протікають струми. Контур заземлення можна розірвати, електрично ізолювавши основу акселерометра від монтажної поверхні за допомогою ізолювальної шпильки та слюдяної шайби або ізолювальних адаптерів. У сучасних приладах можна використовувати так звані плаваючі входи, якщо напруги не надто високі.

Трибоелектричний шум

Трибоелектричний шум часто наводиться в кабелі акселерометра механічним рухом самого кабелю. Він виникає через локальні зміни ємності та заряду через динамічне згинання, стискання і розтягування шарів, що становлять кабель. Цієї проблеми можна уникнути, якщо використовувати належний кабель акселерометра з графітовим покриттям і приклеїти або прикріпити його якомога ближче до акселерометра. Для акселерометрів CCLD це зазвичай не становить серйозної проблеми.

Електромагнітний шум

Шум від електромагнітних завад індукується в кабелі акселерометра, коли він перебуває поблизу працюючого обладнання. У цьому відношенні допомагає кабель із подвійним екраном, але у важких випадках слід використовувати збалансований акселерометр і диференціальний підсилювач попереднього підсилення.

Фактори навколишнього середовища, що впливають на акселерометри

Деформація

Коли акселерометр встановлений на поверхні, яка піддається змінам деформації, вихідний сигнал буде генеруватися в результаті передавання деформації на чутливий елемент. Щоб звести до мінімуму цей ефект, акселерометри мають товсту й жорстку основу: типи DeltaShear® мають особливо низьку чутливість до деформації основи, оскільки чутливий елемент встановлюється на центральній стійці, а не безпосередньо на основі акселерометра.

Ядерне випромінювання

Більшість акселерометрів B&K (НЕ CCLD) можна використовувати при дозах гамма-випромінювання від 100 Гр/год (10 кРад/год) до накопичених доз 20 кГр (2 Мрад) без істотної зміни характеристик. Деякі акселерометри можна використовувати при сильному випромінюванні з накопиченими дозами понад 1 МГр (100 Мрад).

Магнітні поля

Магнітна чутливість п’єзоелектричних акселерометрів дуже низька, зазвичай менше 0,1–2,5 м/с 2 на Тл (0,01–0,25 м/с 2 на кГаус) за найнесприятливішої орієнтації акселерометра в магнітне поле.

Вологість

Акселерометри B&K герметизовані або епоксидною смолою, або зварюванням для забезпечення надійної роботи у вологому середовищі. Для короткочасного використання в рідинах або там, де можлива сильна конденсація, рекомендується використовувати кабелі акселерометра з тефлоновим ущільненням. Роз’єм акселерометра також має бути герметизований безкислотним силіконовим каучуком або мастикою, що вулканізується за кімнатної температури. Промислові акселерометри з вбудованими кабелями слід використовувати для постійного використання у вологих або вологих приміщеннях.

Корозійно-активні речовини

Матеріали, що використовуються в конструкції всіх акселерометрів Brüel & Kjær, мають високу стійкість до більшості корозійно-активних речовин, що трапляються в промисловості. Основними компонентами є титан і нержавіюча сталь.

Акустичний шум

Рівні шуму, присутнього в машинах, зазвичай недостатньо високі, щоб спричинити якусь значну похибку у вимірюваннях вібрації. Зазвичай акустично викликана вібрація в конструкції, на якій встановлений акселерометр, набагато більша, ніж повітряне збудження.

Поперечні вібрації

П’єзоелектричні акселерометри чутливі до вібрацій, що діють у напрямках, відмінних від їхньої головної осі. У поперечній площині, перпендикулярній головній осі, чутливість становить менше 3–5 % чутливості за головною віссю (зазвичай < 2 %). Оскільки поперечна резонансна частота зазвичай становить приблизно 1/3 резонансної частоти головної осі, її слід враховувати за наявності високих рівнів поперечної вібрації.

Калібрування акселерометра

Калібрування акселерометра є частиною вступу до вимірювання вібрації, яка відповідає на деякі з основних запитань, що ставлять новачки під час вимірювання вібрації. В цій статті дається коротке пояснення наступного: калібратори, вимірювання сили та імпедансу, а також логарифмічні шкали і децибели.

Кожен акселерометр Brüel & Kjær постачається індивідуально відкаліброваним на заводі та супроводжується докладною калібрувальною діаграмою.

Якщо акселерометри зберігаються й експлуатуються в установлених для них умовах навколишнього середовища, тобто не піддаються надмірним ударам, температурам, дозам опромінення тощо, протягом тривалого часу їхні характеристики будуть мінімальними. Випробування показали, що характеристики змінюються менш ніж на 2% навіть протягом кількох років.

Однак під час звичайного використання акселерометри часто піддаються досить жорстокому поводженню, яке може призвести до значної зміни характеристик, а інколи навіть до незворотного пошкодження. При падінні на бетонну підлогу з висоти руки акселерометр може піддатися удару силою в кілька тисяч g, як правило, 2000.

Тому доцільно періодично перевіряти чутливість, отриману в результаті калібрування. Зазвичай цього достатньо, щоб переконатися, що акселерометр не пошкоджений.

Простий калібратор акселерометрів

Найзручнішим способом виконання періодичної перевірки калібрування є використання відкаліброваного джерела вібрації B&K з батарейним живленням. Він має невеликий вбудований вібростіл, який генерує швидкість рівно 10 м/с2 при частоті 159,15 Гц.

Калібрування чутливості акселерометра перевіряють, прикріпивши його до віброкалібратора і вимірюють його вихідний сигнал при вібрації зі швидкістю 10 м/с 2.

Не менш корисним застосуванням портативного калібратора є перевірка всієї вимірювальної або аналітичної установки перед проведенням вимірювань. Вимірювальний акселерометр просто переносять з об’єкта вимірювання на калібратор і вібрує з частотою 10 м/с2. Показання можна перевірити, і якщо здійснюється запис, можна записати рівень калібрування 10 м/с2 для використання в майбутньому.

Вимірювання сили та імпедансу

Датчики сили використовуються у вимірюваннях механічної динаміки разом з акселерометрами для визначення динамічних сил у конструкції та вібраційних рухів, що виникають у результаті. Разом параметри описують механічний імпеданс конструкції.

У датчику сили також використовується п’єзоелектричний елемент, який при стиску видає електричний вихідний сигнал, пропорційний передаваній через нього силі. Сигнали сили можуть оброблятися і вимірюватися за допомогою тих самих інструментів, що й акселерометри.

Для точкових вимірювань імпедансу на дуже легких конструкціях акселерометр і датчик сили можуть бути об’єднані в єдиний блок, що називається датчиком імпедансу. Однак більшість вимірювань імпедансу виконується з використанням окремих акселерометра і датчика сили.

Логарифмічні шкали і децибели

Ми часто наносимо частоту в логарифмічному масштабі. Це приводить до розширення нижніх частот і стиснення високих частот на діаграмі або екрані, таким чином забезпечуючи однакове відсоткове розділення по всій ширині діаграми або екрана і зберігаючи його розмір у розумних пропорціях.

Логарифмічні шкали також використовуються для побудови амплітуд коливань; це дає змогу використовувати шкалу децибел під час порівняння рівнів. Децибел (дБ) являє собою відношення одного рівня до іншого і тому не має розмірів. Але щоб указати абсолютні рівні вібрації, необхідно вказати опорний рівень.

Наприклад, ми можемо сказати, що один рівень вібрації на 10 дБ вищий за інший рівень без будь-яких додаткових пояснень, але якщо ми хочемо сказати, що рівень вібрації становить 85 дБ, ми повинні віднести його до еталонного рівня.

Таким чином, слід сказати, що рівень віброприскорення становить 85 дБ відносно 10 -6 м/ с 2 .

Вимірювання вібрації людини

Вібрація як індикатор стану машини, схеми усунення несправностей і вібрація людського тіла. У цьому розділі дається короткий вступ до вібрації як індикатора стану машини під час діагностики її несправностей.

Вібрація людського тіла

Давно визнано, що вплив прямої вібрації на організм людини може бути дуже серйозним. Робітники можуть страждати від нечіткості зору, втрати рівноваги, втрати концентрації тощо. У деяких випадках певні частоти і рівні вібрації можуть незворотно пошкодити внутрішні органи тіла.

За останні 50 років дослідники збирали дані про фізіологічний вплив вібруючих ручних електроінструментів. Синдром «білого пальця» добре відомий серед лісників, які працюють із ланцюговими пилами. Відбувається поступове переродження судинної і нервової тканини, внаслідок чого робітник втрачає маніпулятивні здатності та чутливість рук.

Стандарти рекомендують максимально допустимі спектри вібрації на рукоятках ручних електроінструментів.

Першою опублікованою міжнародною рекомендацією, що стосується вібрації та людського тіла, є ISO 2631-1978, у якій викладено обмежувальні криві для часу впливу від 1 хвилини до 12 годин у діапазоні частот, у якому людське тіло найбільш чутливе, а саме від 1 Гц до 80 Гц. Більш пізні версії стандарту містять більше деталей.

Рекомендації охоплюють випадки, коли людське тіло в цілому піддається вібрації у трьох опорних поверхнях, а саме у ступнях стоячої людини, сідницях сидячої людини та опорній області лежачої людини.

Наведено три критерії тяжкості:

1. Межа зниженого комфорту, застосовна до таких областей, як пасажирські перевезення тощо.
2. Межа для ефективності зниження втоми, яка буде актуальною для водіїв транспортних засобів і операторів машин, і
3. Межа ГДК, що вказує на небезпеку для здоров’я.

Цікаво відзначити, що в поздовжньому напрямку, тобто від ніг до голови, тіло людини найбільш чутливе до вібрації в діапазоні частот від 4 до 8 Гц. У поперечному напрямку тіло найбільш чутливе до вібрації в діапазоні частот від 1 до 2 Гц.

Доступний віброметр із батарейним живленням, призначений для вимірювання вібраційного руху з точки зору його здатності викликати дискомфорт або пошкодження людського тіла.