СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
MEASURING METHOD OF CONVERSION COEFFICIENT OF PIEZOCERAMIC ACCELEROMETERS

Способ относится к области пьезотехники в части измерения коэффициента преобразования акселерометров методом сравнения с калибровочным акселерометром и может быть использован в изделиях пьезотехники более конкретного назначения, например сейсмодатчиках, вибродатчиках, чувствительных элементах для них и других [1]. Область применения может быть расширена и на другие области науки и техники, где возникает аналогичная задача.
Для простоты изложения, в рамках материалов заявки, принято ограничение этих областей пьезоэлектрическими, а точнее пьезокерамическими акселерометрами, разновидностями которых являются геофоны, сейсмодатчики, вибродатчики, чувствительные элементы для них и др. Основной физический принцип их работы одинаков, различие составляют лишь диапазоны их рабочих частот, условия эксплуатации и конструктивные особенности. Таким образом, в дальнейшем будет рассматриваться пьезокерамический акселерометр, т.е. акселерометр, в котором используется пьезокерамический чувствительный элемент, преобразующий силовое воздействие, вызванное ускорением, в электрический сигнал, вследствие прямого пьезоэффекта (далее - акселерометр).
-6
2
Следует заметить, что пьезокерамические акселерометры отличаются высокой чувствительностью, а именно способностью обнаруживать слабые ускорения. Легко реализуемая на практике возможность снижения этой чувствительности и коэффициента преобразования позволяет перекрыть диапазон измеряемых величин порядка от 10g до 10g и более, внося незначительные регулирования режимов работы усилительного тракта или незначительные изменения конструкции чувствительного элемента.
Одним из основных параметров акселерометра является коэффициент преобразования (К), как размерная величина, полученная отношением величины электрического сигнала-реакции акселерометра на ускорение к величине самого ускорения.
Существует несколько методов измерения К: абсолютный, основанный, в частности, на применении лазерного датчика перемещений; относительный, основанный на сравнении электрических сигналов - реакций на воздействие одинаковой вибрации калибровочного акселерометра, с известным К и калибруемого акселерометра, величину К которого необходимо найти; метод, основанный на применении калибраторов - источников вибрации с точно определенными параметрами [2].
Наиболее широкое распространение получил относительный метод или метод сравнения, как наиболее простой и доступный в реализации [3]. Именно он взят за основу в рамках материалов заявки.
По этому методу искомое К определяют по формуле
2
где K - искомое K калибруемого акселерометра;
1
K- величина К калибровочного акселерометра;
1
Х- выходной электрический сигнал калибровочного акселерометра, как реакция на внешнее воздействие (ускорение);
2
Х - выходной электрический сигнал калибруемого акселерометра, как реакция на то же внешнее воздействие (ускорение).
Акселерометр с известной величиной К, используемый в относительном методе определения К, в разных источниках называют эталонным, калибровочным и др. В рамках материалов заявки он назван калибровочным, в соответствии с сертификатами о калибровке, выдаваемыми ФГУП ВНИИФТРИ. Акселерометр, аналогично, называют датчиком вибрации и удара, преобразователем и т.д. [3]. В рамках материалов заявки за ним сохранено название - акселерометр.
2
2
Существует зависимость формы сигнала-реакции от формы сигнала -внешнего воздействия - ускорения. В дальнейшем это ускорение, в рамках материалов заявки, будет названо как тестовое ускорение, поскольку оно создается искусственно, как наиболее удобное, для определения К. Эта зависимость обусловлена прежде всего тем, что спектр тестового сигнала и амплитудно-частотная характеристика аппаратуры, регистрирующей сигнал-реакцию, могут привести к искажению последнего, не одинаковому для случаев калибровочного и калибруемого акселерометров, что приведет к неверному результату определения К.
1
2
2
Известен способ измерения коэффициента преобразования акселерометров, включающий в себя создание тестового ускорения синусоидальной формы, со строго регламентированным коэффициентом гармоник, воздействующего на калибровочный и калибруемый акселерометры, определение по неискаженному сигналу-реакции акселерометров на это ускорение путем измерения амплитуд синусоид Х и Х как параметра сигнала-реакции и по их отношению к известному коэффициенту преобразования калибровочного акселерометра К] коэффициента преобразования калибруемого акселерометра К [3].
Недостатками способа являются:
1. Необходимость создания синусоидального ускорения акселерометров с низким уровнем коэффициента гармоник, что требует высококачественных сигналов генератора, усилителя мощности и вибростенда, а также измерителя коэффициента гармоник. Это, в свою очередь, сужает возможности способа, в части номенклатуры калибруемых и калибровочных акселерометров, удорожает его практическую реализацию [4].
2. Возможное упрощение практической реализации способа путем создания вибраций самого рабочего стола с помощью вибростенда или иного источника вибраций не снижает требований к синусоидальности формы колебаний.
1
2
1
2
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ измерения коэффициента преобразования акселерометров, включающий в себя создание несинусоидального периодического тестового ускорения, воздействующего одновременно на калибровочный и калибруемый акселерометры, определение по сигналу-реакции акселерометров на это ускорение путем измерения амплитуд гармоники Х и X, как параметра сигнал-реакции, находящейся в пределах диапазона рабочих частот акселерометров, и по их отношению к известному коэффициенту преобразования калибровочного акселерометра К коэффициента преобразования калибруемого акселерометра К [3].
1
2
Сущность способа заключается в следующем. При воздействии на акселерометры ускорением несинусоидальной формы, но периодического, сигнал-реакция акселерометров будет также периодическим. Если из него выделить гармонику, например первую, и если она будет находиться в пределах диапазона рабочих частот обоих акселерометров, где предполагается, что К=Const, то отношение ее величины Х для калибруемого акселерометра к величине Х калибровочного дает отношение их коэффициентов преобразования , откуда по формуле (1) определяют коэффициент преобразования калибруемого акселерометра. На практике требование К=Const означает соблюдение этого условия с точностью до допусков, погрешностей и т.д., разрешенных техническими требованиями на конкретное изделие.
Недостатки этого способа заключаются в следующем.
1. Необходимость использования специализированных и дорогостоящих приборов, например генератора сигналов, усилителя мощности, вибростенда, анализатора и т.д., для надежного возбуждения вибраций акселерометров, выделения и измерения гармоник сигнала их реакции.
2. Неизбежные требования к спектральным характеристикам тестового ускорения, их стабильности и т.д.
Эти недостатки удорожают и усложняют практическую реализацию способа, особенно в цеховых или лабораторных условиях.
Одним из путей решения этих задач является более полное использование свойств относительного способа измерений в части сравнения сигнала-реакции каждого из акселерометров на воздействие на них одновременно одного из видов тестового ускорения, формируемого в виде реакции поверхности, на которой размещены оба акселерометра (например, части лабораторного стола) на импульсное механическое воздействие на нее, например ударное. При этом должна быть обеспечена идентичность тестового ускорения, воздействующего на каждый из акселерометров, что легко реализуемо на практике. Такую поверхность в рамках материалов заявки будем называть рабочей.
1
2
H
B
H1
B1
Высокая чувствительность пьезокерамических акселерометров позволяет обеспечить их калибровку методом сравнения даже при малых тестовых ускорениях, исключающих нелинейные эффекты и существенно снижающих требования к качеству рабочей поверхности. Это становится особенно актуальным при измерении величины К при одновременном внешнем воздействии как ускорением, так и другим, например температурой, при определении его температурной зависимости. При этом возможно наиболее простое техническое решение поставленной задачи, основанное на сравнении сигналов-реакций акселерометров на импульсное тестовое ускорение. Это становится возможным при соблюдении условия достаточной широкополосности регистрирующей аппаратуры и сравнительной узкополосности частотного спектра воздействующего тестового ускорения. При соблюдении такого условия сигналы-реакции обоих акселерометров будут идентичны по форме и могут отличаться только по амплитуде. Отношение этих амплитуд равно отношению величин К и К. Условие узкополосности можно определить как ограничение частотного спектра тестового ускорения снизу частотой f, а сверху частотой f, а условие широкополосности регистрации сигнала-реакции как ограничение диапазона рабочих частот снизу частотой f, а сверху частотой f, причем:
H
H1
f>f,
B
B1
f<f.
H
2
Кроме того, при исследовании амплитудно-частотных характеристик акселерометров обычными методами возникает необходимость в высококачественных, а следовательно, дорогостоящих акселерометрах, даже для небольшого диапазона частот, обеспечивающих синусоидальное тестовое ускорение акселерометров. При этом также возникает ограничение номенклатуры акселерометров, подлежащих калибровке, по их массогабаритным показателям [4]. Эти трудности устраняются путем воздействия на рабочую поверхность периодически повторяющимся ускорением, сформированным источником вибраций, например высокочастотным вибростендом 4290, работающим на частотах ниже граничной f=200 Гц, например 60 Гц. Возникающие при этом искажения не лишают тестовое ускорение периодичности и, при соблюдении вышеприведенных условий, позволяют измерять величину К.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в существенном уменьшении зависимости области применения способа от массогабаритных показателей калибруемых акселерометров, существенном упрощении самого способа, резком снижении стоимости контрольно-измерительного места.
H
B
H1
B1
H
H1
B
B1
Поставленная задача решается в способе измерения коэффициента преобразования пьезокерамических акселерометров, включающем в себя создание несинусоидального тестового ускорения, идентично воздействующего на калибровочный и калибруемый акселерометры, определение по параметру сигнала-реакции акселерометров на это ускорение, зависящему от их коэффициентов преобразования, по известному коэффициенту преобразования калибровочного акселерометра, коэффициента преобразования калибруемого акселерометра, отличающемся тем, что тестовое ускорение создают в два этапа, сначала создают ускорение источника вибраций, которым воздействуют на рабочую поверхность, на которой размещены акселерометры, а затем используют ее механическую реакцию на это воздействие в качестве тестового ускорения, воздействующего на акселерометры, а параметры сигнала-реакции акселерометров выбирают с учетом особенностей частотного спектра этого ускорения. При этом ускорение, воздействующее на рабочую поверхность, может быть как одиночным импульсом ускорения таким, что частотный спектр тестового ускорения ограничен снизу частотой f, а сверху частотой f, а сигнал-реакцию акселерометров регистрируют в полосе частот, ограниченной снизу частотой f, а сверху частотой f, при этом соблюдают условие: f>f, f<f, а в качестве параметра сигнала-реакции акселерометров выбирают его амплитудное значение, так и периодически повторяющимся ускорением.
Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что тестовое ускорение создают в два этапа, сначала создают ускорение источника вибраций, которым воздействуют на рабочую поверхность, на которой размещены акселерометры, а затем используют ее механическую реакцию на это воздействие в качестве тестового ускорения, воздействующего на акселерометры, а параметр сигнала-реакции акселерометров выбирают с учетом особенностей частотного спектра этого ускорения.
Указанная совокупность отличительных признаков и позволяет достичь технического результата.
Пример реализации способа
Изложенные технические решения были применены при изготовлении сейсмодатчиков СД-1Э и микроакселерометров МА1Э. В качестве рабочей поверхности была использована поверхность лабораторного стола, а источником вибраций, воздействующим на эту поверхность, служил вибростенд 4290 (Брюль и Къерр). Исследуемые образцы размещались на поверхности лабораторного стола. Регистрация сигналов с акселерометров осуществлялась с помощью персонального компьютера и осциллографической приставки к нему.
В качестве примера на фиг.1-3 приведены сигналы с микроакселерометра МА1Э-2 и акселерометра 4514-002 (Брюль и Къерр), полученные вышеизложенным способом. Оба акселерометра прошли калибровку в ФГУП ВНИИФТРИ и их коэффициенты преобразования на частоте 160 Гц с погрешностью ±3% составляют:
МА1Э-2 - 3,00 B/g
4514-002 - 0,492 B/g
Оба акселерометра при измерениях крепились на металлической шайбе ⌀60×15 с помощью виброзамазки, а сама шайба с акселерометрами располагалась на рабочей поверхности стола.
Фиг.1 соответствует синусоидальному возбуждению частотой 200 Гц; фиг.2 - несинусоидальному возбуждению частотой 60 Гц и фиг.3 - импульсному (ударному) возбуждению.
Если принять коэффициент преобразования акселерометра 4504-002 за эталон, то вычисленный по формуле (1) из приведенных экспериментальных данных коэффициент преобразования МА1Э-2 составит:
Фиг.1 - 3,07 B/g
Фиг.2 - 3,00 B/g
Фиг.3 - 2,95 B/g
Отметим, что при вычислениях в первых двух случаях использовались эффективные значения напряжения сигналов акселерометров, а в последнем - максимальные значения амплитуды импульсного сигнала.
Видно, что полученные значения коэффициента преобразования мало отличаются от калибровочного значения, полученного в ФГУП НИИФТРИ, и это свидетельствует в пользу предлагаемого способа измерения коэффициента преобразования.
Литература
1. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник. Том II, М., «Радиотехника», 2000.
2. Методы калибровки акселерометров: www.zetlab.ru/support/analysers/metodi_kalibrovki.
3. ГОСТ Р ИСО 16063-21-2009.
4. Зинченко В.Н, Каширин Н.А. и др. «Методика измерения коэффициента преобразования пьезокерамического микроакселерометра для информационно-управляющих систем». Журнал Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России, вып.4 (120), г. Москва, 2013 г.