Пьезоэлектрические акселерометры с двумя динамическими и частотными диапазонами

ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И РАДИОТЕХНИКА

УДК 681.586

В. В. Янчич, Д. В. Джения, Вл. В. Янчич

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АКСЕЛЕРОМЕТРЫ С ДВУМЯ ДИНАМИЧЕСКИМИ И ЧАСТОТНЫМИ ДИАПАЗОНАМИ

Аннотация. Актуальность и цели. Расширение динамического и частотного диапазонов измерения параметров виброколебаний относится к важным задачам совершенствования аппаратуры виброакустической диагностики и мониторинга сложного технического оборудования. В ряде случаев необходимый результат достигается путем одновременного использования двух датчиков, отличающихся значениями коэффициентов преобразования или рабочими диапазонами частот. Однако такое решение не всегда технически выполнимо. Целью данной работы является создание пьезоэлектрических акселерометров, предназначенных для измерения в двух перекрывающихся динамических или частотно-динамических диапазонах. Материалы и методы. На примере преобразования ускорения в электрический сигнал с использованием прямого пьезоэффекта рассмотрены основные принципы построения двухдиапазонных электромеханических преобразователей акселерометров. Проведен анализ особенностей их работы в режимах измерения напряжения и заряда. На основе предложенных критериев конструирования разработаны и экспериментально исследованы варианты макетных образов двухдиапазонных акселерометров. Результаты. Выявлены основные особенности работы преобразователей с двумя динамическими диапазонами в режимах измерения напряжения и заряда. Показана принципиальная возможность реализации двухдиапазонных акселерометров с различными динамическими диапазонами и общим рабочим диапазоном частот, а также с различными динамическими и частотными диапазонами. В последнем случае необходимо применение автономных электрически и механически изолированных преобразователей, расположенных в одном корпусе датчика. На основе предложенных критериев конструирования разработаны и испытаны пьезоэлектрические преобразователи акселерометров с двумя диапазонами, отличающимися по верхней границе измеряемого ускорения до 33 раз и максимальной рабочей частоте в 3,5 раза. Выводы. Для расширения динамического и частотного диапазонов измерения параметров виброколебаний вместо двух пьезоэлектрических акселерометров возможно применение одного с двумя динамическими или частотно-динамическими диапазонами. Предложенные технические решения могут использоваться также при конструировании пьезоэлектрических датчиков пульсации давления, акустического поля, силы.

Ключевые слова: пьезоэлектрический акселерометр, измерение, динамический и частотный диапазон, виброколебание.

V. V. Yanchich, D. V. Dzheniya, Vl. V. Yanchich

PIEZOELECTRIC ACCELEROMETERS WITH BOTH DYNAMIC AND FREQUENCY RANGES

Abstract. Background. The expansion of dynamic and frequency ranges of the vibration parameters measurement refers to the important task of improving the acoustic diagnosis equipment and monitoring of complex technical equipment. In some cases, the necessary result is achieved by the simultaneous use of two sensors with different values of the conversion factors or operating frequency range. However, this solution is not always technically available. The aim of this work is the creation of piezoelectric accelerometers for measuring of two overlapping dynamic or frequency-dynamic ranges. Materials and methods. The basic principles of the dualband electromechanical transducers accelerometers are considered on the base of accelerating the conversion into an electrical signal through the direct piezoelectric effect. The analysis on their work characteristics in voltage and charge modes is performed. Based on the proposed design criteria the prototypes of dual-band variants of the accelerometers are developed and experimentally tested. Results. The basic working features of the converters with both dynamic ranges in voltage and the charge modes are detected. The principal possibility of implementing the dual-band accelerometers with different dynamic ranges and overall operating frequency range and also with different dynamic and frequency ranges is presented. In the last case it’s necessary to use autonomous electrically and mechanically isolated converters arranged in sensor housing. Based on the proposed design criteria piezoelectric transducers of accelerometers with two rangesch vary according to the upper limit of the measured acceleration up to 33 times and a maximum operating frequency of 3.5 times, are developed and tested. Conclusions. To extend the dynamic and frequency measurement ranges of the vibration parameters instead of two piezoelectric accelerometers it’s possible to use one with two dynamic or frequency-dynamic ranges. The proposed technical solutions can also be used in the design of the piezoelectric sensors of pressure pulsations, acoustic field and strength.

Key words: piezoelectric accelerometer, measurement, dynamic and frequency range, oscillatory.

Нижняя граница динамического диапазона измерения механической величины ограничена значением коэффициента преобразования используемого датчика, а верхняя - максимальным уровнем входного сигнала регистрирующего устройства. Попытка расширения динамического диапазона при непрерывной регистрации ускорения за счет снижения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра или коэффициента передачи согласующего усилителя приводит к снижению разрешающей способности измерительной системы и, следовательно, точности измерения. Известно также, что повышение коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра с целью снижения порогового значения измеряемого ускорения неизбежно связано со снижением частоты его установочного резонанса и, следовательно, снижением верхней границы рабочего диапазона частот. Аналогично, повышение резонансной частоты акселерометра приводит к снижению его коэффициента преобразования [1].

При проведении практических виброизмерений отмеченные противоречия могут быть преодолены, например, путем одновременной регистрации сигналов от двух разных акселерометров, отличающихся значениями коэф-

фициента преобразования, или рабочими диапазонами частот. В первом случае без потери точности измерений возможно расширение динамического, а во втором - частотного диапазонов измерений. Так как использование двух датчиков часто сопряжено с рядом трудностей (ограниченность пространства, несовпадение точек размещения и др.), представляется целесообразным применение для этой цели одного датчика, обеспечивающего измерения в двух перекрывающихся динамических или частотных диапазонах.

Такие датчики должны иметь два выхода, соответствующие различным значениям коэффициента преобразования К1 и К2 (для двух динамических диапазонов с одним и тем же рабочим диапазоном частот - тип А) или, дополнительно, различными значениями частоты установочного резонанса /р^ и /Рз2 - тип Б (рис. 1).

Выходной сигнал, II Коэффициент преобразования, К

Рис. 1. Амплитудная (а) и амплитудно-частотная (б) характеристики двухдиапазонного акселерометра: 1, 2 - для первого и второго диапазонов;

ашт,1, атт,2, атах,1, атах,1, атах,2, и/тт,1, .Утт,2, ./тахД, ./тах,2 М^ИНИМЗЛЬНЪЮ

и максимальные значения измеряемых ускорений и рабочих частот, соответствующие первому и второму диапазонам

Последний вариант представляется более перспективным, так как позволяет реализовать два динамических и частотных диапазона. Это дает возможность одновременно измерять малые ускорения на низких частотах и большие ускорения на высоких частотах, что часто используется при вибро-акустической диагностике и мониторинге технического оборудования [2]. Соотношения значений коэффициентов преобразования и резонансных частот должны выбираться, исходя из конкретных условий проведения измерений и особенностей регистрирующей аппаратуры.

Если при работе с датчиком ограничиться применением согласующего усилителя напряжения (СУН), то двухдиапазонный акселерометр типа А, принимая во внимание его работу в режиме близкому к режиму холостого хода, может быть реализован, например, следующими способами (рис. 2):

- на базе обычного преобразователя с внешним или встроенным емкостным делителем напряжения (рис. 2,а);

- с использованием преобразователя с двухсекционным пьезоэлементом (рис. 2,б,в).

Анализ схемы (рис. 1,а) датчика со встроенным емкостным делителем напряжения (емкости соединительных проводников пренебрежимо малы по сравнению с емкостью пьезоэлемента Сп) показывает, что коэффициенты

преобразования по напряжению Кн1 и Кн,2, соответствующие выходам 1 и 2 без учета емкостей соединительных кабелей и входных емкостей СУН, имеют следующие значения:

К н0Сп

Кн,1 = С "С ; С1)

Сп + Собщ

Кн2 = Кн 1 С1 ,

н,2 нд С1 + С 2’

где Кн 0 - коэффициент преобразования датчика до подключения делителя напряжения; Собщ = (С1 • С2)/(С1 + С2) - общая емкость делителя.

а) б) в)

Рис. 2. Схемы двухдиапазонных акселерометров типа А для работы с СУН: а - электрическая схема акселерометра с емкостным делителем напряжения; б, в - электрическая и конструктивная схемы с двухсекционным пьезоэлементом; П1, П2 - пьезоэлемент; С1, С2 - конденсатор делителя; 1, 2 - секция пьезоэлемента (направление поляризации показано стрелкой);

3 - основание; 4 - изолятор; 5 - инерционный элемент; 6 - шпилька

При подключении к выходам датчика СУН с использованием дополнительных кабелей значения коэффициентов преобразования по напряжению за счет дополнительных емкостей изменятся [1]:

<1 = кн,1 С Св+С—;

Свых,1 + Сдоп,1

Кн,2 = Кн,2 С Св+хС----------------------------------,

Свых,2 + Сдоп,2

где Свых,1 _ Сп + Собщ; Свых,2 _ (СпС1)/(Сп + С1) + С2; Сдоп,1 _ Ск,1 + Свх,1;

Сдоп,2 = Ск2 + Свх2; Ск1, Ск2 - емкости соответствующих соединительных кабелей; Свх1, Свх2 - входные емкости соответствующих СУН.

Аналогичным образом работает датчик (рис. 2,б,в), в котором деление напряжения производится непосредственно на секциях пьезоэлемента. Так как разность потенциалов на электродах пьезоэлемента пропорциональна значению пьезомодуля и обратно пропорциональна емкости цепи, то выбором параметров пьезоэлектрических материалов и геометрии секций пьезоэлемента при определенной емкостной нагрузке могут быть получены необ-

ходимые значения коэффициентов преобразования для каждого из выходов датчика.

При использовании одновременно двух согласующих зарядовых усилителей (СЗУ), т.е. при работе в режиме короткого замыкания, рассмотренные выше схемы датчиков непригодны. В данном случае для исключения шунтирования оба выхода должны выполняться электрически изолированными друг от друга (рис. 3).

а) б) в)

Рис. 3. Схемы двухдиапазонных акселерометров типа А для работы с СЗУ: а, б - электрическая и конструктивная схемы акселерометра с рабочей деформацией растяжения-сжатия; в - конструктивная схема с двухсекционным биморфным пьезоэлементом; П1, П2 - пьезоэлемент; 1, 2 - секция пьезоэлемента;

3, 12 - изолятор; 4, 13 - основание; 5 - инерционный элемент; 6, 14 - шпилька;

7 - биморфный пьезоэлемент; 8-11 - электрод

В датчике с деформацией растяжения-сжатия (рис. 3,б), секция пьезоэлемента 1 для увеличения коэффициента преобразования по заряду может быть выполнена многослойной с параллельным синфазным соединением электродов. Возможно также использование пьезокерамических материалов с различными значениями пьезомодуля.

В биморфном пьезоэлементе 7 (рис. 3,в) один из внешних электродов 8 выполнен сплошным, а второй - разделен на две неравные по площади секции 9 и 10 с промежуточным экранирующим электродом 11, устраняющим емкостную связь между выходами. С некоторыми допущениями можно считать, что коэффициенты преобразования по заряду Кзд и Кз2, соответствующие выходам 1 и 2, в рассматриваемом биморфном элементе пропорциональны площадям электродов, т.е.

^ , (5) Кз,2 52 ' '

где ¿0 - площадь сплошного электрода; ¿2 - площади электродов, подклю-

ченных к выходам 1 и 2.

В процессе исследований макетных образцов датчиков обнаружены следующие особенности их работы. Во-первых, отключение СЗУ от одного из выходов вызывает изменение до 1-3 % коэффициента преобразования работающего выхода. Это объясняется изменением некоторых параметров преобразователя с электромеханически связанными секциями от режимов их нагрузки [3]. Во-вторых, ограничение сигнала в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя в случае перегрузки одного из СЗУ приводит к воз-

никновению гармонических составляющих сигнала на его входе и возбуждению соответствующих мод резонансных колебаний преобразователя.

Отмеченное является недостатками датчиков рассмотренного типа.

В датчиках с двумя динамическими и частотными рабочими диапазонами (типа Б) необходимо исключение взаимного влияния измерительных каналов, особенно заметного на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) высокочастотного преобразователя на частоте резонанса низкочастотного. Принципиально это может достигаться использованием достаточно сложного в реализации механизма компенсации или применением преобразователей, электрически и механически изолированных друг от друга.

Примером последнего технического решения является акселерометр, изображенный на рис. 4.

Рис. 4. Конструктивные схемы акселерометра типа Б (а) и высокочастотного

преобразователя (б): 1 - биморфный пьезоэлемент; 2 - высокочастотный преобразователь; 3 - основание; 4 - пьезоэлемент; 5 - прокладка;

6 - изолятор; 7 - шпилька; 8 - гайка

Акселерометр содержит высокочувствительный низкочастотный преобразователь в виде биморфного пьезоэлемента 1 и группу из трех параллельно включенных высокочастотных преобразователей 2, симметрично расположенных на основании 3. В высокочастотных преобразователях используется дисковый пьезоэлемент 4 с рабочей деформацией растяжения-сжатия, упруго поджатый к основанию через токосъемную прокладку 5 и керамический изолятор 6 посредством резьбовой шпильки 7 и гайки 8, одновременно выполняющей функцию инерционного элемента. Такое расположение высокочувствительных преобразователей способствует снижению относительного коэффициента поперечного преобразования и коэффициента влияния деформации основания.

Основные технические характеристики исследованных макетных образцов акселерометров представлены в табл. 1.

Выбор свойств пьезоэлектрических материалов и конструктивных особенностей рассмотренных акселерометров позволяет изменять их коэффициенты преобразования и рабочие диапазоны частот в широких пределах применительно к условиям измерений.

Рассмотренные технические решения могут использоваться также при конструировании пьезоэлектрических датчиков иных механических величин, например, пульсации давления, акустического поля, силы.

Таблица 1

Тип датчика А Б

Конструкция Рис. 2, в Рис. 3,б Рис. 3,в Рис. 4

Выход 1 2 1 2 1 2 1 2

Коэффициент преобразования (номинальное значение): мВ • м 1 • с2 пКл • м-1 • с2 5,0 0,5 3 (10)* 0,3 (1)* 20 1 10 0,3

Частота установочного резонанса, кГц, не менее 40 50 (30)* 9 13 50

Максимальная рабочая частота, кГц, не менее, при неравномерности АЧХ, %: 5 12 8 12 10 (6)* 15 (9)* 2 3 3 4 10 14

Относительный коэффициент поперечного преобразования, %, не более 5 5 2 2 5

Максимальное измеряемое виброускорение, мс-2 6000 7000 (4000)* 1000 5000

Примечание. * - приведены данные для двух вариантов исполнения Список литературы

1. Янчич, В. В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры). Т. 7. Пьезоэлектрическое приборостроение / В. В. Янчич. - Ростов н/Д : Изд-во ЮФУ, 2010. - 304 с.

2. Костюков, В. Н. Основы виброакустической диагностики машин / В. Н. Костюков, А. П. Науменко. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. - 360 с.

3. Земляков, В. Л. Методы и средства измерений в пьезоэлектрическом приборостроении. Т. 5. Пьезоэлектрическое приборостроение / В. Л. Земляков. - Ростов н/Д : Изд-во ЮФУ, 2009. - 180 с.

References

1. Yanchich V. V. P’ezoelektricheskie vibroizmeritel’nye preobrazovateli (akselerometry). T. 7. P’ezoelektricheskoe priborostroenie [Piezoelectric vibro-survey converters (accelerometer). Vol. 7. Piezoelectric instrument engineering]. Rostov on Don: Izd-vo YuFU, 2010, 304 p.

2. Kostyukov V. N., Naumenko A. P. Osnovy vibroakusticheskoy diagnostiki mashin [Fundamentals of machine vibroacoustic diagnostics]. Omsk: Izd-vo OmGTU, 2011, 360 p.

3. Zemlyakov V. L. Metody i sredstva izmereniy v p’ezoelektricheskom priborostroenii. T. 5. P’ezoelektricheskoe priborostroenie [Measurement methods and devices in piezoelectric instrument engineering. Vol. 5. Piezoelectric instrument engineering]. Rostov on Don: Izd-vo YuFU, 2009, 180 p.

Янчич Владимир Владимирович

кандидат технических наук, начальник лаборатории, Научное конструкторско-технологическое бюро «Пьезоприбор», Южный федеральный университет

E-mail: vibro1@mail.ru

Yanchich Vladimir Vladimirovich Candidate of engineering sciences, head of laboratory, Research and Design Technological Bureau "Piezopribor", Southern Federal University

Джения Дмитрий Владимирович инженер 1 категории, Научное конструкторско-технологическое бюро «Пьезоприбор», Южный федеральный университет

E-mail: jes73@mail.ru

Янчич Владимир Владимирович инженер, Научное конструкторско-технологическое бюро «Пьезоприбор», Южный федеральный университет

E-mail: homeslacker@gmail.ru

Dzheniya Dmitriy Vladimirovich

1st category engineer, Research and DesignTechnological Bureau "Piezopribor", Southern Federal University

Yanchich Vladimir Vladimirovich

Engineer, Research and DesignTechnological Bureau "Piezopribor", Southern Federal University

УДК 681.586 Янчич, В. В.

Пьезоэлектрические акселерометры с двумя динамическими и частотными диапазонами I В. В. Янчич, Д. В. Джения, Вл. В. Янчич II Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2013. - № 3 (27). - С. 127-134.