Устройство воспроизведения деформации

Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для воспроизведения знакопеременной радиально направленной деформации в составе поверочных установок для измерения чувствительности к деформации основания датчиков вибрации при их аттестации.
Уровень техники
Во время работы контролируемого объекта, прежде всего при изгибных и резонансных колебаниях конструкции или ее отдельных частей, могут возникать значительные механические напряжения и связанные с ними деформации. Такие деформации, особенно в месте расположения контролирующего работу объекта датчика вибрации, передаются его основанию и, достигая чувствительного элемента, способны вызывать появление дополнительных сигналов, снижающих точность и достоверность результатов измерения. В этой связи чувствительность к деформации основания датчиков вибрации является одной из важных технических характеристик. Формы экспериментально полученных диаграмм направленности чувствительности датчиков вибрации к деформации основания часто отличны от круга, что связано с их конструктивными особенностями и сменой фазы сигнала от деформации при изменении направления механического напряжения. Кроме того, полученное при измерении значение чувствительности к деформации основания зависит от способа и качества крепления испытуемого датчика вибрации на измерительном устройстве, например, от момента затяжки при резьбовом соединении.
Чувствительности к деформации основания датчика вибрации характеризуется коэффициентом
,
где Q - электрический заряд на выходе вибропреобразователя;
ε - относительная деформация установочной поверхности основания датчика вибрации;
Q
K - коэффициент преобразования датчика вибрации по заряду;
U - электрическое напряжение на выходе датчика вибрации;
U
K - коэффициент преобразования датчика вибрации по напряжению.
В качестве средства для измерения чувствительности к деформации основания датчика вибрации рекомендуется (ГОСТ ISO 16063-1-2013. Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 1, п. 4.3.4. С. 6) [1] использование устройства, содержащего простую стальную консольную балку, защемленную в жесткой опоре. Балка имеет следующие размеры: ширина - 76 мм, толщина - 12,5 мм, длина не защемленной части - 1450 мм. Частота собственных колебаний балки близка к 5 Гц. При проведении измерений испытуемый датчик вибрации устанавливают на расстоянии 40 мм от места защемления конца балки. Колебания балки возбуждают отклонением ее свободного конца вручную, а деформацию измеряют тензометрическими датчиками, закрепленными на балке около места крепления испытуемого датчика вибрации. Колебания балки в месте крепления испытуемого датчика вибрации измеряют с помощью контрольного датчика вибрации, основание которого изолировано от воздействия деформации изгиба балки. Чувствительность к деформации основания испытуемого датчика вибрации определяют при различных амплитудах и направлениях деформации.
Использование такого устройства связано с рядом следующих ограничений. Частота воспроизводимой деформации может лежать вне рабочего диапазона частот испытуемого датчика вибрации. Учитывая однонаправленность деформации балки, измерения при различных направлениях воздействия деформации требуют дополнительного времени, обусловленного необходимостью неоднократного перекрепления испытуемого датчика вибрации с изменением угла его поворота и последующего повторения всех необходимых для измерения операций. Кроме того, это не всегда представляется возможным, например, для широко распространенных датчиков вибрации с крепежным резьбовым выступом на основании. Единственно возможным способом изменения ориентации таких датчиков вибрации является размещение разнотолщинных прокладок между их основанием и балкой, что приводит к изменению значения деформации, передаваемой основанию, и неизбежно отрицательно сказывается на точности измерений. Так как место крепления датчика вибрации при колебаниях балки совершает виброперемещения по дуговой траектории, то возникающие при этом компоненты виброускорения вызывают появление дополнительных сигналов, складывающихся сигналом от воздействия деформации, что также вносит дополнительную погрешность измерений.
Наиболее близким по конструктивному выполнению к заявляемой полезной модели, выбранное в качестве прототипа, является устройство для измерения коэффициента влияния деформации объекта на виброизмерительный преобразователь (SU 547697, кл. G 01 P 15/08, опубл. 25.02.1977) [2], которое содержит систему, создающую деформацию, и электромагнитную систему возбуждения. Система, создающая деформацию, выполнена в виде стального диска, закрепленного в центре одной из его поверхностей, и снабжена соосной с диском электромеханической поворотной системой, на которой в одном направлении вдоль диаметра диска установлены обмотки возбуждения изгибных колебаний диска, а во взаимно перпендикулярном направлении установлены опоры, защемляющие диск, по крайней мере, в двух диаметрально противоположных точках. Испытуемый виброизмерительный преобразователь закреплен в центре свободной поверхности диска. Одновременное перемещение по окружности точек защемления диска и обмоток возбуждения, позволяет изменять направление простых изгибных колебаний диска с узлом колебаний вдоль линии защемления, изменяя направление деформации основания испытуемого виброизмерительного преобразователя. Расположение испытуемого виброизмерительного преобразователя на узле колебаний, позволяет минимизировать воздействие на него поступательного ускорения и повысить точность измерения.
Недостатками такого устройства является сложность конструкции, обусловленная использованием электромеханической поворотной системы, включающей обмотки возбуждения изгибных колебаний диска и опоры, защемляющие диск.
Сущность полезной модели
Техническим результатом настоящей полезной модели является   упрощение конструкции за счет исключения электромеханической поворотной системы, включающей обмотки возбуждения изгибных колебаний диска и опоры, защемляющие диск.
Указанный технический результат достигается возбуждением пьезоэлектрическим элементом знакопеременной радиально направленной деформации сжатия-растяжения в неподвижном месте крепления испытуемого датчика вибрации.
Заявляемое устройство воспроизведения деформации содержит стальной диск, выполненный за одно целое с шейкой, расположенной в центре диска, имеющей резьбу на конце для крепления к массивному основанию,  пьезоэлектрический керамический элемент в форме кольца, наполяризованный по толщине, с электродами на плоских поверхностях, которые имеют выводы для подключения к внешнему источнику переменного напряжения, и прикрепленный клеевым соединением к нижней поверхности стального диска, на противоположной поверхности которого выполнена центральная резьбовая лунка для крепления испытуемого датчика вибрации, а на краю стального диска закреплен  датчик виброперемещения.
Перечень фигур графического изображения
Конструкция заявляемого устройства воспроизведения деформации поясняется фигурами чертежей.
На фиг. 1 изображен схематический чертеж заявляемого устройства воспроизведения деформации, где штриховыми линиями показан вид изгиба стального диска при его колебаниях, а стрелками показано направление изгибных колебаний.
На фиг. 2 изображен вид сверху заявляемого устройства воспроизведения деформации, где жирными стрелками показано направление радиальной деформации стального диска при изгибе в сторону основания, а штриховой линией показана граница области диска с однородной радиальной деформацией.
Пример конкретного выполнения
Устройство воспроизведения деформации (фиг. 1) содержит  стальной диск 1, выполненный за одно целое с цилиндрической шейкой 2, расположенной в центре диска 1, имеющей кольцевую канавку 3 с закругленным профилем и резьбу на конце для крепления к массивному основанию 4 с фиксацией контргайкой 5, пьезоэлектрический керамический элемент 6 в форме кольца, наполяризованный по толщине, с электродами на плоских поверхностях, которые имеют выводы 7 для подключения к внешнему источнику переменного напряжения, и прикрепленный клеевым соединением к нижней поверхности диска 1, на противоположной поверхности которого выполнена центральная резьбовая лунка 8 для крепления испытуемого датчика вибрации 9, а на краю стального диска 1 закреплен датчик виброперемещения 10.
Выполнение кольцевой канавки 3 с закругленным профилем обеспечивает снижение концентрации механических напряжений в месте перехода от плоскости диска 1 к шейке 2.
Работа устройства воспроизведения деформации основана на создании знакопеременной радиально направленной деформации в стальном диске 1 путем возбуждения его осесимметричных изгибных колебаний с помощью пьезоэлектрического керамического элемента 6, как это показано на фиг 1, где штриховыми линиями показан вид изгиба стального диска при его колебании.
33
31
Выводы 7 электродов пьезоэлектрического керамического элемента 6 подключают к внешнему источнику переменного электрического напряжения и, в результате обратного пьезоэффекта, в нем происходит деформация. При этом за счет пьезомодуля dизменяется его толщина, а за счет пьезомодуля d изменяется поперечный размер. Так как одна плоскость пьезоэлектрического керамического элемента 6 жестко соединена клеевым креплением с плоскостью диска 1, то изменение поперечного размера пьезоэлектрического керамического элемента 6 приводит к изгибу системы диск – пьезоэлектрический керамический элемент. В данном случае, при увеличении диаметра пьезоэлектрического керамического элемента система изгибается так, что края диска 1 поднимаются вверх, а при уменьшении диаметра пьезоэлектрического керамического элемента в связи с изменением полярности напряжения система изгибается в противоположную сторону, как это показано на фиг. 1. Центр диска 1 при этом остается неподвижным, так как жестко закреплен на массивном основании 4. Поскольку конструкция системы осесимметрична, то форма деформации диска 1 также осесимметрична и представляет собой  фигуру вращения по форме близкую к сферической поверхности, на поверхности диска 1 в месте крепления испытуемого датчика создается осесимметричная знакопеременная радиально направленная деформация сжатия-растяжения. Таким образом, переменное электрическое напряжение в результате обратного пьезоэффекта вызывает знакопеременную радиальную деформацию пьезоэлектрического керамического элемента 6, которая, в свою очередь, приводит к осесимметричной знакопеременной деформации изгиба стального диска 1 в форме фигуры вращения как это показано на фиг. 2, где жирными стрелками показано направление радиальной деформации стального диска при изгибе в сторону основания.
Направление радиальной деформации пьезоэлектрического керамического элемента 6 и, следовательно, изгиба диска 1 зависит от полярности подаваемого переменного напряжения относительно направления поляризации пьезоэлектрического керамического элемента 6, а амплитуда возбуждаемых изгибных колебаний диска 1 на одной и той же частоте пропорциональна подаваемому напряжению. При этом в центральной области диска 1, приблизительно равной диаметру пьезокерамического элемента 6, граница которой на фиг. 2 показана штриховой линией, радиальная деформация однородна. Для контроля амплитуды изгибных колебаний диска 1 и пропорциональному ей значению воспроизводимой радиальной деформации служит датчик виброперемещения 10, который калибруют с помощью временно устанавливаемого вблизи центра диска 1 тензометрического датчика. Крепление диска 1 (фиг. 1) с помощью шейки 2 к массивному основанию 4, практически исключает возникновение вибрационных колебаниий испытуемого датчика вибрации 9.
Рабочий диапазон частот устройства воспроизведения деформации ограничен только частотой первого резонанса изгибных колебаний диска 1, в основном зависящей от его размеров и свойств материала, а также рабочим диапазоном частот контрольного датчика виброперемещения 10. Благодаря равномерной всесторонней радиальной деформация диска 1 результатом измерения является интегральное значение чувствительности к деформации основания испытуемого датчика вибрации 9 по всем направлениям ее диаграммы направленности. При этом не требуется изменять направление деформации, воздействующей на испытуемый датчик, или его перекрепление с этой целью. Отсутствие вращающихся элементов значительно упрощает конструкцию устройства воспроизведения деформации и исключает помехи механического происхождения.
Испытания макетного образца устройства воспроизведения деформации проводились в Научном конструкторско-технологическом бюро пьезоэлектрического приборостроения (НКТБ «Пьезоприбор») Южного федерального университета.
Макетный образец устройства, выполненный в соответствии с фиг. 1, 2, имел следующие технические характеристики:
диск 1 ∅120×10 мм изготовлен из стали марки 45;
пьезоэлектрический керамический элемент 6 ∅70×6 мм изготовлен из пьезоэлектрической керамики ЦТС-19М и приклеен к диску 1 клеем БФ-2.
Макетный образец устройства, выполненный в соответствии с фиг. 1, 2, имел следующие технические характеристики:
диск 1 ∅120×10 мм изготовлен из стали марки 45;
пьезоэлектрический керамический элемент 6 ∅70×6 мм изготовлен из пьезоэлектрической керамики ЦТС-19М и приклеен к диску 1 клеем БФ-2;
основание 4 выполнено в виде цилиндра ∅110×160 мм из стали марки 20, жестко закрепленного на бетонном блоке 350×350×460 мм;
рабочий диапазон частот от 1 до 4800 Гц;
напряжение питания до 250 В;
-6
относительное значение воспроизводимой деформации до 150⋅10;
время установления колебаний не более 2 с;
основная погрешность воспроизведения деформации не более 4%.
Проведенные испытания подтвердили работоспособность макетного образца устройства воспроизведения деформации, полезность предложенной модели и возможность ее промышленного применения в составе поверочных установок при измерении чувствительности к деформации основания датчиков вибрации при их аттестации.