Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов
COMPLEX OF DEVICES FOR MEASURING PARAMETERS OF MECHANICAL OSCILLATIONS OF OBJECTS

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для дистанционного контроля работоспособности средств измерения параметров механических колебаний объектов.
В средствах измерения параметров механических колебаний (вибраций) широко используются пьезоэлектрические вибропреобразователи, которые предназначены для работы в течение длительных периодов времени с минимальным обслуживанием в жестких условиях эксплуатации (повышенная температура, влажность, наличие агрессивной среды и т.д.). По этой причине возможно возникновение нарушений работы пьезоэлектрических вибропреобразователей или отклонение их характеристик от нормируемых в нормативных документах. В этих случаях измерение параметров вибраций будет проводиться со значительными погрешностями (превышающими допустимые пределы) или информация о них будет вообще отсутствовать, и, как следствие, возможен выход из строя объекта, вибрационные параметры которого предназначено измерять измерительное средство на базе пьезоэлектрического вибропреобразователя. Замена вышедшего из строя пьезоэлектрического вибропреобразователя в измерительном средстве часто является дорогостоящей операцией (а иногда она просто невозможна без длительных и затратоемких работ), поэтому периодический контроль работоспособности средств измерений с пьезоэлектрическими вибропреобразователями, установленными на объектах измерения, является актуальной задачей.
Известно техническое решение для измерения параметров механических колебаний объектов («Пьезоэлектрический акселерометр» RU 2097772, G01P 15/09, 1997.11.27).
Известное техническое решение содержит пьезоэлектрический вибропреобразователь, предварительный усилитель с согласующей схемой, биполярным и полевым транзисторами, кабельную линию связи с концевым соединителем, источник питания и регистратор. Предварительный усилитель разделен на две части, одна из которых с согласующей схемой и биполярным и полевым транзисторами расположена вместе с пьезоэлектрическим вибропреобразователем в его корпусе, а другая часть предварительного усилителя, с согласующим резистором, расположена вне корпуса пьезоэлектрического вибропреобразователя и связана с его первой частью линией связи с концевым соединителем.
Расположение предварительного усилителя в корпусе вибропреобразователя позволяет практически исключить влияние помех, возникающих в длинных линиях связи между пьезоэлектрическим вибропреобразователем и согласующим усилителем, т.к. в некоторых случаях эти линии связи могут достигать 100 метров и более, соответственно возрастают значения распределенных активного и реактивных сопротивлений длинных линий, появляются дополнительные потери, которыми уже пренебрегать нельзя.
Размещение второй части предварительного усилителя с согласующим резистором, определяющим режим работы и коэффициент усиления предварительного усилителя, в нормальные температурные условия на значительном расстоянии от объекта позволяет известному техническому решению существенно снизить уровень помех, возникающих в длинных линиях связи между пьезоэлектрическим вибропреобразователем и согласующим усилителем, и быть работоспособным в диапазоне температур объекта от -40 до +125°С.
К недостатку известного технического решения следует отнести отсутствие возможности дистанционного контроля его работоспособности.
Известно также техническое решение для измерения параметров механических колебаний объектов (ЕР 3312615, G01L 1/16, G01P 15/08, G01P 15/09, 20.10.2016, «Electronic measuring device for vibration measuring with a piezoelectric acceleration sensor», «Электронное измерительное устройство для измерения вибрации с пьезоэлектрическим датчиком ускорения»), один из вариантов которого по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения.
Известное техническое решение содержит измерительно-усилительный блок и блок питания и регистрации результата измерения. Измерительно-усилительный блок включает пьезоэлектрический вибропреобразователь, в корпусе которого размещен пьезопреобразователь и плата с усилительно-преобразующим блоком. Корпус пьезоэлектрического вибропреобразователя установлен на объекте, виброускорение которого измеряется в процессе эксплуатации.
Усилительно-преобразующий блок, выполнен на базе дифференциального операционного усилителя (схема включения - усилитель заряда), к инвертирующему входу которого подключен выходной (первый) электрод пьезопреобразователя. Второй электрод пьезопреобразователя соединен с общей шиной.
К неинвертирующему входу дифференциального операционного усилителя усилительно-преобразующего блока подключена средняя точка делителя напряжения, образованного последовательным соединением резистора, подключенного к шине питания, и первого стабилизирующего диода (Zenerdiode als erstes Spannungsbegrenzungelement), который вторым контактом соединен с общей шиной.
Выход дифференциального операционного усилителя подключен к базе транзистора структуры p-n-р, коллектор и эмиттер которого подключены соответственно к общей шине и через второй стабилизирующий диод к шине питания.
Блок питания и регистрации результата измерения включает источник постоянного тока, соединенный с усилительно-преобразующим блоком двухпроводной кабельной линией с концевым соединителем, и регистратор переменного напряжения. Источник постоянного тока, обеспечивает стабилизацию тока на заданном уровне (например, 4 мА), потребляемого усилительно-преобразующим блоком.
Известное техническое решение с пьезоэлектрическим вибропреобразователем работает следующим образом. Воздействие на корпус пьезоэлектрического вибропреобразователя внешней вибрации со стороны объекта вызывает появление на электродах пьезопреобразователя электрического заряда, пропорционального виброускорению, воздействующему на корпус пьезоэлектрического вибропреобразователя. Электрический заряд передается на инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя усилительно-преобразующего блока, размещенного на плате, встроенной в корпус пьезоэлектрического вибропреобразователя, где он преобразуется в электрическое напряжение, усиливается с помощью дифференциального операционного усилителя и поступает на базу транзистора. Выбор рабочей точки дифференциального операционного усилителя производится с помощью напряжения в средней точке делителя, образованного последовательным соединением резистора, подключенного к шине питания, и первого стабилизирующего диода.
Изменение внутреннего сопротивления транзистора вызывает модуляцию падения напряжения на переходе «эмиттер-коллектор» транзистора. Усиленный сигнал в виде суммы постоянной и переменной составляющих напряжения поступает в кабельную линию связи с концевым соединителем и в блок питания и регистрации результата измерения.
В блоке питания и регистрации результата измерения выделяется и измеряется амплитуда (или среднее квадратическое значение) переменной составляющей напряжения, которая пропорциональна воздействующему на пьезоэлектрический вибропреобразователь амплитудному значению (или среднему квадратическому значению) виброускорения.
К недостатку известного технического решения следует отнести отсутствие возможности дистанционного контроля его работоспособности.
Задачей, на решение которой направлен заявляемый комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов, является расширение функциональных возможностей комплекса за счет придания ему способности дистанционной проверки его работоспособности.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов, заключается в обеспечении возможности дистанционной проверки соответствия выходных параметров пьезоэлектрического вибропреобразователя и усилительно-преобразующего блока установленным значениям при воздействии на него тестового электрического сигнала.
Указанный технический результат при осуществлении комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов достигается тем, что в заявляемом комплексе, включающем измерительно-усилительный блок и блок питания и регистрации результата измерения, соединенные кабельной линией связи с концевым соединителем, при этом измерительно - усилительный блок содержит пьезоэлектрический вибропреобразователь, установленный на объекте, виброускорение которого измеряется в процессе эксплуатации, и содержит размещенный в его корпусе пьезопреобразователь и плату с усилительно-преобразующим блоком, выполненным на базе дифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с сигнальным выходным контактом пьезопреобразователя, а выход - подключен к базе транзистора структуры p-n-р, коллектор которого подключен к общей шине, а контакт питания и общий контакт дифференциального операционного усилителя подключены соответственно к шине питания и общей шине, и источником опорного напряжения (стабилизирующий диод), соединенным первым выводом через ограничительный резистор с шиной питания и с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, а вторым выводом - с общей шиной, блок питания и регистрации результата измерения содержит источник постоянного тока, соединенный одним выводом с шиной питания, вторым - с общей шиной, а через первый и второй контакты концевого соединителя - с первым и третьим выходными контактами усилительно-преобразующего блока, и регистратор переменного напряжения, в отличие от известного технического решения кабельная линия связи между измерительно - усилительным блоком и блоком питания и регистрации результата измерения выполнена трехпроводной, усилительно-преобразующий блок дополнительно снабжен входным резистором, установленным между сигнальным выходным контактом пьезопреобразователя и инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, дополнительным резистором и фильтром нижних частот, резистор которого установлен между первым выводом источника опорного напряжения и неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, конденсатор фильтра нижних частот соединен первым выводом с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, а вторым выводом - с первым выводом дополнительного резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, при этом второй вывод конденсатора фильтра нижних частот также соединен с вторым выходным контактом усилительно-преобразующего блока и через третий провод трехпроводной кабельной линии связи соединен с третьим контактом концевого соединителя, эмиттер транзистора усилительно-преобразующего блока соединен с шиной питания, блок питания и регистрации результата измерения дополнительно снабжен выходным фильтром, трехканальным двухпозиционным переключателем, запоминающим блоком, блоком сравнения, индикатором неисправности и источником тестового сигнала, при этом, выходной фильтр содержит последовательно соединенные конденсатор и резистор, средняя точка между которыми соединена с входом регистратора переменного напряжения, первый вывод конденсатора выходного фильтра соединен с шиной питания, а второй вывод резистора выходного фильтра соединен с общей шиной, выход регистратора переменного напряжения соединен с первым и вторым каналами трехканального двухпозиционного переключателя, третий канал которого соединен с третьим контактом концевого соединителя трехпроводной кабельной линии связи, первый и второй контакты первого канала трехканального двухпозиционного переключателя соединены с входом запоминающего блока, выход которого соединен первым входом блока сравнения, второй контакт второго канала трехканального двухпозиционного переключателя соединен со вторым входом блока сравнения, первый контакт третьего канала трехканального двухпозиционного переключателя соединен с общей шиной, а второй - с выходом источника тестового сигнала, причем выход блока сравнения соединен с входом индикатора неисправности.
На фиг. 1 приведена блок - схема заявляемого комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов.
На фиг. 2 приведена принципиальная схема усилительно-преобразующего блока, размещенного на плате в корпусе пьезоэлектрического вибропреобразователя.
1
1
2
3
1
2
3
Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний (фиг. 1 и 2) содержит первое устройство - измерительно-усилительный блок 1 и второе устройство - блок питания и регистрации результата измерения 2, соединенные с помощью трехпроводной кабельной линии связи 3 с концевым соединителем 4. В измерительно-усилительном блоке 1 расположен пьезоэлектрический вибропреобразователь 5, установленный на объекте 6, виброускорение которого измеряется. В корпусе пьезоэлектрического вибропреобразователя 5 размещены пьезопреобразователь 5 и на плате 7 - усилительно-преобразующий блок 8 (фиг. 2) с тремя выходными контактами 8, 8 и 8, соединенными с помощью трехпроводной кабельной линии связи 3 через контакты 4, 4 и 4 концевого соединителя 4 с блоком питания и регистрации результата измерений 2.
2
1
1
К сигнальному выходному контакту 5 пьезопреобразователя 5 подключен через входной резистор 9 (фиг. 2) инвертирующий вход 10 дифференциального операционного усилителя 10, на базе которого выполнен усилительно-преобразующий блок 8.
3
1
3
Общий выходной контакт 5 пьезопреобразователя 5 соединен с объектом 6, с корпусом пьезоэлектрического вибропреобразователя 5, с общим контактом 8 усилительно-преобразующего блока 8 и с общей шиной 11. Трехпроводная кабельная линия связи 3 помещена в экранированную оплетку и подключена к общей шине 11.
2
1
2
3
3
4
1
2
Выход 10 дифференциального операционного усилителя 10 (элементы обратной связи дифференциального операционного усилителя 10 на фиг. 2 не показаны) усилительно-преобразующего блока 8, размещенного на плате 7, установленной в корпусе пьезоэлектрического вибропреобразователя 5, соединен с базой 12 транзистора 12 структуры p-n-р. Эмиттер 12 и коллектор 12 транзистора 12 и выводы 10 и 10дифференциального операционного усилителя 10 подключены соответственно к шине питания 13 и к общей шине 11, к которым подключены также контакты 4 и 4 концевого соединителя 4.
5
1
К неинвертирующему входу 10 дифференциального операционного усилителя 10 подключены через резистор 14 фильтра нижних частот 15 источник опорного напряжения 16 и первый вывод 17 конденсатора 17 фильтра нижних частот 15.
1
1
1
2
2
3
Источником питания комплекса служит источник постоянного тока 18, который размещен в блоке питания и регистрации результата измерения 2. Первый вывод 18 источника постоянного тока 18 соединен с шиной питания 13 через выходной контакт 4 концевого соединителя 4 и контакт 8 усилительно-преобразующего блока 8, а второй вывод 18 - с общей шиной 11 через выходной контакт 4 концевого соединителя 4 и контакт 8 усилительно-преобразующего блока 8.
1
Выходной фильтр 19 содержит последовательно соединенные конденсатор 20 и резистор 21, средняя точка 19 между которыми соединена с входом регистратора переменного напряжения 22.
1
1
Вывод 20 конденсатора 20 выходного фильтра 19 соединен с шиной питания, а вывод 21 резистора 21 выходного фильтра 19 соединен с общей шиной 11.
1
2
Выход регистратора переменного напряжения 22 соединен с первым 23 и вторым 23 каналами трехканального двухпозиционного переключателя 23.
3
2
3
2
1
2
Третий канал 23 трехканального двухпозиционного переключателя 23 через контакты 8 усилительно-преобразующего блока 8 и 4 концевого соединителя 4 соединен со вторым выводом 17 конденсатора 17 фильтра нижних частот 15, к которому подключен первый вывод 24 дополнительного резистора 24, второй вывод 24 которого соединен с общей шиной 11.
1-1
1-2
1
1
2-2
2
2
Контакты 23 и 23 первого канала 23 трехканального двухпозиционного переключателя 23 соединены с входом запоминающего блока 25, выход которого соединен с первым входом 26 блока сравнения 26, контакт 23 второго канала 23 трехканального двухпозиционного переключателя 23 соединен со вторым входом 26 блока сравнения 26, выход которого соединен с входом индикатора неисправности 27.
3-1
3
3-2
Контакт 23 третьего канала 23 трехканального двухпозиционного переключателя 23 подключен к общей шине 11, а контакт 23 - к выходу источника тестового сигнала 28.
Питание источника опорного напряжения 16 осуществляется от источника постоянного тока 18 через ограничительный резистор 29 (фиг. 2), подключенный к шине питания 13.
Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний работает следующим образом.
1
2
1
1
1
Воздействие на пьезопреобразователь 5 пьезоэлектрического вибропреобразователя 5 внешней вибрации со стороны объекта 6 вызывает появление пропорционального виброускорению электрического заряда на сигнальном выходном контакте 5 пьезопреобразователя 5, который через входной резистор 9 поступает на инвертирующий вход 10 дифференциального операционного усилителя 10 усилительно-преобразующего блока 8, расположенного на плате 7 в корпусе пьезоэлектрического вибропреобразователя 5. Электрический заряд усиливается, преобразуется в электрическое напряжение с помощью дифференциального операционного усилителя 10 и поступает на базу 12 транзистора 12.
2
3
1
3
1
2
1
Изменение внутреннего сопротивления транзистора 12 вызывает модуляцию падения напряжения на переходе «эмиттер 12 - коллектор 12» транзистора 12. Усиленный сигнал в виде суммы постоянной и переменной составляющих напряжения через выходные контакты 8 и 8 усилительно-преобразующего блока 8 по трехпроводной кабельной линии связи 3 поступает на контакты 4 и 4 концевого соединителя 4 и на выходной фильтр 19, где выделяется переменная составляющая напряжения с помощью конденсатора выходного фильтра 20 и со средней точки 19 выходного фильтра 19 поступает на вход регистратора переменного напряжения 22 блока питания и регистрации результата измерения 2.
-2
Амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения с выхода регистратора переменного напряжения 22 пропорционально амплитудному значению (или среднему квадратическому) виброускорения, действующему на пьезоэлектрический вибропреобразователь 5 со стороны объекта 6. Коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя (пКл/мс), определяется при первичной поверке на базовой частоте (например, 160 Гц) в соответствии с ГОСТ 8.669-2009 по формуле:
1
где  - амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения в средней точке 19 выходного фильтра 19 блока питания и регистрации результата измерения 2, измеренное в мВ регистратором переменного напряжения 22, мВ;
-2
- амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) виброускорения, задаваемого с помощью рабочего эталона единиц параметров вибрации, мс;
- значение емкости в цепи отрицательной обратной связи дифференциального операционного усилителя 10 (указывается в паспорте комплекса), нФ.
1-1
1
Действительное значение коэффициента преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя 5, определенное при первичной поверке фиксируется в запоминающем блоке 25, на вход которого передается амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения с выхода регистратора переменного напряжения 22 через контакт 23 первого канала 23 трехканального двухпозиционного переключателя 23, который переключают в первое положение (позиция фиг. 1). Действительное значение коэффициента преобразования записывают также в паспорт комплекса.
1
Одновременно в запоминающем блока 25 фиксируется амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения  в средней точке 19 выходного фильтра 19 блока питания и регистрации результата измерения 2, измеренное регистратором переменного напряжения 22.
5
Питание дифференциального операционного усилителя 10, транзистора 12, а также источника опорного напряжения (стабилизирующий диод) 16 осуществляется от источника постоянного тока 18, обеспечивающего стабилизацию потребляемого тока на заданном уровне (например, 4 мА). Выбор рабочей точки дифференциального операционного усилителя 10 производится с помощью источника опорного напряжения (стабилизирующий диод) 16, соединенного через резистор 14 фильтра нижних частот 15 с неинвертирующим входом 10 дифференциального операционного усилителя 10.
1-2
2-2
3-2
3
2
5
После установки на место эксплуатации пьезоэлектрического вибропреобразователя 5 подключают все блоки комплекса в соответствии с фиг. 1 и 2, переводят трехканальный двухпозиционный переключатель 23 в положение 2 (подключают контакты каналов 23, 23 и 23). От источника тестового сигнала 28 через контакт 4 концевого соединителя 4, по трехпроводной кабельной линии связи 3 и через контакт 8 измерительно-усилительного блока 8, а также конденсатор 17 фильтра нижних частот 15 подают переменное напряжение на неинвертирующий вход 10 дифференциального операционного усилителя 10. Частота сигнала на выходе источника тестового сигнала 28 должна быть равна частоте сигнала, при которой определялось действительное значение коэффициента преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя 5 (например, 160 Гц).
2
1
1
Подбирают начальное амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения  на выходе источника тестового сигнала 28, соответствующее действующему на пьезоэлектрический вибропреобразователь 5 значению амплитуды (или среднему квадратическому значению) виброускорения, при котором определялось действительное значение коэффициента преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя 5 (например,  = 10 м/с). В этом случае амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения в средней точке 19 выходного фильтра 19 блока питания и регистрации результата измерения 2 должно быть равно  (допустимо при незначительном превышении шумового порога напряжением  увеличивать  таким образом, чтобы амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения в средней точке 19 выходного фильтра 19 блока питания и регистрации результата измерения 2, было кратно значению  например,  или ).
1
Уст
Уст
Уст
Уст
Значение напряжения  (и кратность напряжения  если она применялась) сохраняется в запоминающем блоке 25, передается на вход 26 блока сравнения 26 и записывают в паспорте комплекса. При фиксированном значении  изменяют частоту источника тестового сигнала 28 от базового значения до величины 1,2F, где F - значение частоты установочного резонанса, которое должно соответствовать указанному в паспорте комплекса устройств (отличие не должно превышать заданного значения, например, 10%). В запоминающем блоке 25 фиксируют значение F и амплитуду на частоте F (или их среднее квадратическое значение).
1-1
2-1
3-1
Переводят трехканальный двухпозиционный переключатель 23 в первое положение (подключают контакты каналов 23, 23 и 23), после чего комплекс устройств готов к работе в режиме измерений виброускорения.
Информация о текущем амплитудном значении (или о среднем квадратическом значении) виброускорения, воздействующем на пьезоэлектрический вибропреобразователь 5 со стороны объекта 6, определяют с помощью напряжения, измеренного регистратором переменного напряжения 22 по формуле
1
где  - текущее амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения в средней точке 19 выходного фильтра 19 блока питания и регистрации результата измерения 2, измеренное с помощью регистратора переменного напряжения 22, мВ;
-2
- текущее амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) виброускорения, воздействующее на пьезоэлектрический вибропреобразователь 5 со стороны объекта 6, мс.
1-2
2-2
3-2
3
2
5
1
2-2
2
Через интервал времени, регламентированный в нормативной документации на комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний, осуществляется проверка его работоспособности. Для этого переводят трехканальный двухпозиционный переключатель 23 во второе положение (подключают контакты каналов 23, 23 и 23) и с выхода источника тестового сигнала 18 через контакт 4 концевого соединителя 4, по трехпроводной кабельной линии связи 3 и через контакт 8 усилительно-преобразующего блока 8, а также конденсатор 17 фильтра нижних частот 15 подают на базовой частоте переменное напряжение на неинвертирующий вход 10 дифференциального операционного усилителя 10, амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) которое равно значению  записанному в паспорте комплекса. В средней точке 19 выходного фильтра 19 блока питания и регистрации результата измерения 2 текущее амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) сигнала  измеряется с помощью регистратора переменного напряжения 22 и передается через контакт 23 трехканального двухпозиционного переключателя 23 на второй вход 26 блока сравнения 26, в котором текущее амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) сигнала  сравнивается с сохраненным значением  в запоминающем блоке 25. При сравнении в блоке сравнения 26 измеренных и сохраненных значений напряжений возможны несколько вариантов.
1. Если в блоке сравнения 26 выполняется условие
(отклонение не должно превышать регламентированного в нормативных документах на комплекс значения, например, 5%), то в индикатор неисправности 27 поступает команда об исправном состоянии комплекса для измерения параметров механических колебаний объектов.
2. Если же в блоке сравнения 26 выполняется условие
и отклонение превышает значение, регламентированное в нормативных документах на комплекс, то в индикатор неисправности 27 поступает команда о неисправном состоянии комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов.
3. Если же в блоке сравнения 26 выполняются условия:
2
3
1
3
1
то произошло отсоединение контактов 5 и/или 5 пьезопреобразователя 5 от усилительно - преобразующего блока 8, и/или контакта 5 пьезопреобразователя 5 от общей шины 11 усилительно-преобразующего блока 8. В индикатор неисправности 27 поступает команда о неисправном состоянии комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов.
Уст
Уст
4. Если выполняется условие по пункту 1, то с помощью источника тестового сигнала 28 проверяется значение частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя 1. Для этого при фиксированном значении  изменяют частоту источника тестового сигнала 28 от базового значения (например, 160 Гц) до величины 1,2F, где F - значение частоты установочного резонанса, сохраненное в запоминающем блоке 25. (отличие не должно превышать заданного значения, например, 10%). При отсутствии отклонений, превышающих заданные значения, в индикатор неисправности 27 поступает команда об исправном состоянии комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов.
При регистрации неисправности комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний дальнейшие действия оператора связаны с определением источника неисправности.
На нашем предприятии были изготовлены 3 опытных образца заявляемого комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов со следующими элементами:
1
1
два пьезоэлектрических вибропреобразователя, в которых применена сдвиговая деформация пьезопреобразователя 5 (по патенту RU 143487 U1) и один пьезоэлектрический вибропреобразователь с компрессионной деформацией пьезопреобразователя 5;
1
пьезопреобразователи 5 (фиг. 1) со сдвиговой деформацией имеют:
пьезопакет, содержащий 4 прямоугольных пьзокерамических пластины, изготовленных из материала ЦТС-26;
2
размеры прямоугольных пьзокерамических пластин - 8,5×8 мм;
толщина - 0,72 мм;
инерционная масса - 15 г;
1
пьезопреобразователь 5 с компрессионной деформацией имеет:
пьезопакет, содержащий 7 пьезопластин из пьзокерамических шайб, изготовленных из материала ТНАВ - 1;
наружный диаметр пьзокерамических шайб - 9,5 мм;
внутренний диаметр пьзокерамических шайб - 3,6 мм;
толщина - 0,8 мм;
инерционная масса - 10 г;
дифференциальный операционный усилитель 10 - AD8627:
источник опорного напряжения (стабилизирующий диод) 16 - AD1580BRT;
транзистор 12 - ВС860С;
источник питания постоянного тока 18 - LM334Z;
регистратор переменного напряжения 22 - вольтметр Agilent 34401А;
резистор 9 - Р1-33-1 (200 Ом);
резистор 14 - Р1-33-1-1 (10 МОм);
резистор 21 -Р1-33-1-1 (1 МОм);
резистор 24 - P1-33-1-1 (1 кОм);
резистор 29 - Р1-33-1-1 (30 кОм);
конденсатор 17 - К10-43 (0,33 мкФ);
конденсатор 20 - К10-43 (10 мкФ).
. Усилительно - преобразующий блок 8 изготовлен на двусторонней печатной плате 7, диаметр которой 12,8 мм, с применением ЧИП-элементов для поверхностного монтажа и размещен корпусе пьезоэлектрического вибропреобразователя 5 (длина трехпроводной кабельной линии связи 3 от пьезоэлектрического вибропреобразователя 5 до концевого соединителя 4 от 0,6 до 1 м). Используется концевой соединитель 4 типа 2РМДТ18КПЭ4Г5В1В. Для обеспечения герметичности концевого соединителя 4 используется герметик «ВИКСИНТ». Последовательность проводимых экспериментов с каждым образцом следующая.
1
Определяются действительное значение коэффициента преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя  по ГОСТ Р 8.669 - 2009 и значение частоты установочного резонанса, которые фиксируются в запоминающем блоке 25 вместе со средним квадратическим значением напряжения на выходе регистратора переменного напряжения 22  Для оценки влияния на выходной сигнал изменения параметров только пьезоэлектрического вибропреобразователя 5 экспериментальный образец дифференциального операционного усилителя 10, выход которого подключен к базе 12 транзистора 12 структуры p-n-р, изготовлен с коэффициентом преобразования 1 мВ/пКл.
Пьезоэлектрический вибропреобразователь 5 вместе с размещенным в его корпусе усилительно-преобразующим блоком 8 устанавливают на имитатор объекта (инерционная масса которого в 10 раз больше массы пьезоэлектрического вибропреобразователя) и подключаются все блоки комплекса в соответствии с фиг. 1 и 2.
По описанной выше процедуре определяются
1
- среднее квадратическое значение напряжения на выходе источника тестового сигнала  при котором среднее квадратическое значение напряжения в средней точке 19 выходного фильтра 19 блока питания и регистрации результата измерения 2 равно сохраненному в запоминающем блоке 25  (в эксперименте  = 100 мВ),
Уст
- значение частоты установочного резонанса F, которое должно быть равно  (отличие не должно превышать 5%).
1
На следующем этапе опытные образцы пьезоэлектрического вибропреобразователя 5 подвергаются процедуре располяризации (на пьезопреобразователь 5 воздействуют постоянным напряжением от 500 до 1000 В), после чего определяются текущие значения  и  (при = 100 мВ) и влияние обрыва соединения в линии передачи электрического сигнала от пьезоэлектрического вибропреобразователя 5 к расположенной в пьезоэлектрическом вибропреобразователе 5 плате 7 с усилительно - преобразующим блоком 8.
Результаты экспериментов приведены в таблице.
1
Из таблицы следует, что после воздействия на пьезопреобразователй 5 экспериментальных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 5 постоянным напряжением от 500 до 1000 В напряжение на выходе усилительно - преобразующего блока 8, размещенного на плате 7, изменилось ~ - 8% при подаче на его неинвертирующий вход напряжения 100 мВ. Так как коэффициент преобразования усилительно - преобразующего блока 8 не изменялся, то изменение напряжения на выходе усилительно - преобразующего блока 8 подтверждает изменение коэффициентов преобразования пьезоэлектрических вибропреобразователей, что свидетельствует об их неисправном состоянии.
2
При обрыве соединения в линии передачи электрического сигнала от пьезоэлектрического вибропреобразователя 5 к расположенномуна плате 7 усилительно - преобразующему блоку 8 напряжение на выходе усилительно-преобразующего блока 8 находилось в пределах  = 102 ÷ 104 мВ ≠  Это свидетельствует о том, что произошло отсоединение выходного контакта пьезопреобразователя 5 от усилительно - преобразующего блока 8, размещенного на плате 7.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность реализации комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.