МЕХАНИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ПЬЕЗОАКСЕЛЕРОМЕТРА
MECHANICAL FILTER FOR PIEZOACCELEROMETRE

Устройство относится к области измерения параметров движения, в частности к измерению акселерометрами ударных ускорений.
При испытании объектов на ударостойкость для контроля ударных нагрузок применяют пьезоэлектрические акселерометры, которые имеют широкий амплитудно-частотный диапазон. Однако возникающие в реальных конструкциях высокочастотные и высокоамплитудные частотные составляющие реакций на удар элементов испытуемого объекта могут вызвать ошибочные показания акселерометра, обусловленные, например, перевозбуждением электронной измерительной аппаратуры его нелинейными резонансами, деформациями корпуса объекта и др. Такие явления приводят к появлению в сигнале эффекта «ухода нуля», то есть к искажению реальной формы ударного ускорения за счет его смещения относительно нулевого уровня. Определить параметры такого удара (пиковое значение ударного ускорения, длительность, перепад скорости за время удара и др.) с искаженной формой сигнала часто невозможно. В результате этого зарегистрированный сигнал пьезоакселерометра бракуется, как получение недостоверной информации. Особенно эффект ухода нуля сигнала пьезоакселерометра проявляется при контактном подрыве взрывчатого вещества, нанесенного на объект испытаний, или при ударе объекта о жесткую преграду, движущегося с большой скоростью. Поэтому при испытании сложных и дорогостоящих конструкций на воздействие ударных нагрузок потеря информации недопустима.
Для борьбы с такими явлениями используют механические фильтры, обеспечивающие лучшие условия для работы пьезоакселерометра.
Известно изобретение под названием «Способ защиты акселерометра от неизмеряемых воздействий», в котором описан механический фильтр для акселерометра, содержащий упругодемпфирующий элемент, который размещен между акселерометром и объектом испытания. Упругодемпфирующий элемент выполнен в виде прокладки из пластифицированного эпоксидного компаунда, который предварительно полимеризуют при высокой температуре (Авторское свидетельство РФ (СССР) №558218, МПК G01P 15/03, 1975 г.).
y
y
в
в
y
Толщина демпфирующей прокладки определяется требуемой собственной частотой крепления акселерометра, т.е. его установочным резонансом f. Частота f выбирается из условия получения необходимой информации об ударе, спектральный состав которого определяется верхней частотой f, необходимой для анализа. При этом, как правило, для обеспечения равномерности амплитудно-частотной характеристики акселерометра в пределах 10% должно выполняться условие f≤0,3f (Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник. В 2-х кн. Кн.1/Под ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1978. Стр.60). Такая прокладка является хорошим механическим фильтром, позволяющим повысить надежность получения достоверной информации.
Однако это устройство обладает существенным недостатком, связанным с адгезионными свойствами компаунда, приводящего при действии высокоинтенсивных ударных ускорений к нарушению связи акселерометра с объектом испытаний, то есть к его отколу. Особенно откол датчика часто наблюдается при действии ударного ускорения, направленного на его отрыв, и при воздействии нагрузки в перпендикулярном направлении его оси чувствительности. Это приводит к потере информации при испытании объектов, особенно подвергающихся действию двойного удара, как по его продольной оси, так и в боковом направлении.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является механический фильтр для пьезоакселерометра, содержащий корпус с резьбовой крышкой для поджатия упругодемпфирующих элементов, между которыми размещен акселерометр, и резьбовой хвостовик для крепления к объекту испытания, расположенный на торце корпуса, при этом крышка расположена на противоположном торце корпуса.
Упругодемпфирующие элементы выполнены в виде гранулированной среды (Механический фильтр при измерениях удара. Экспресс-информация. Испытательные приборы и стенды, 1967, вып.28, реф.190).
Устройство хорошо фильтрует высокочастотные механические колебания большой амплитуды, выделяя тем самым квазистатическую составляющую ударного ускорения, несущую основную информацию об ударе, а его резьбовой хвостовик обеспечивает надежное крепление датчика на объекте испытаний.
Однако ему также присущи следующие недостатки: возможность отклонения оси чувствительности акселерометра от центральной оси корпуса как при размещении датчика в среде, так и при поджатии среды крышкой, в результате неравномерности ее уплотнения и пластической деформации гранул в месте их контакта с акселерометром.
Кроме того, при действии ударного ускорения на участке его фронта нарастания за счет смятия гранул пьезоакселерометр приобретает дополнительную свободу для перемещения в осевом и боковом направлениях. Как известно, отклонение оси чувствительности пьезоакселерометра от вектора действия ударного ускорения приводит к занижению уровня его показаний. Все перечисленные недостатки аналога и прототипа влияют на надежность получения достоверной информации о воздействии удара на испытуемый объект.
Решаемая данным изобретением задача - повышение надежности получения достоверной информации.
y
Технический результат заключается в том, что акселерометр установили между упругодемпфирующими элементами с поджатием их резьбовой крышкой. Такое расположение позволило регулировать установочную резонансную частоту f акселерометра, которая определяет ширину диапазона его рабочих частот и существенно ослабляет высокочастотные составляющие ударного нагружения. Это позволяет исключить перевозбуждение электронной измерительной аппаратуры и зарегистрировать сигнал без его отклонения от нулевого уровня. Вместе с тем упругодемпфирующие элементы также разрывают гальваническую связь акселерометра с объектом, что позволяет избавиться от деформационных, электромагнитных, тепловых и других помех. Все это повышает надежность получения достоверной информации.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в механическом фильтре для пьезоакселерометра, содержащем корпус с резьбовой крышкой для поджатая упругодемпфирующих элементов, между которыми размещен акселерометр, и резьбовой хвостовик для крепления к объекту испытания, расположенный на торце корпуса, при этом крышка расположена на противоположном торце корпуса, согласно изобретению акселерометр размещен в направляющей втулке, установленной в корпусе по скользящей посадке с корпусом и акселерометром, упругодемпфирующие элементы выполнены в виде колец и установлены по своему внутреннему диаметру на центрированные выступы крышки и корпуса, высота которых меньше высоты колец, наружный диаметр колец не превышает внутренний диаметр втулки, причем между крышкой и кольцом расположен подшипник, а направляющая втулка упирается в выступы акселерометра, выполненные на его торце со стороны дна.
Для повышения точности настройки установочной частоты подшипник содержит внутреннюю и наружную шайбы, на внутренние соприкасающиеся поверхности которых нанесен слой антифрикционной смазки, при этом внешний диаметр шайб не меньше внешнего диаметра кольца крышки.
Кроме того, для уменьшения коэффициента трения скольжения между акселерометром и направляющей втулкой, а также направляющей втулкой и корпусом, направляющая втулка выполнена из фторопласта.
Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного вышеизвестного (прототипа) являются:
- размещение акселерометра в направляющей втулке, установленной по скользящей посадке с акселерометром и внутренней стенкой корпуса;
- фиксированное расположение упругодемпфирующих элементов в виде колец, установленных на центрированные выступы крышки и корпуса;
- размещение подшипника между крышкой и кольцом.
Благодаря наличию этих признаков совместно с признаками, общими с прототипом, становится возможным исключить отклонение оси чувствительности акселерометра от центральной оси корпуса, установленного по вектору действия ударного ускорения, что увеличивает получение надежности достоверной информации. Выполнение направляющей втулки из фторопласта позволяет уменьшить коэффициент трения скольжения между акселерометром и направляющей втулкой, а также втулкой и корпусом, оставляя акселерометр как бы в плавающем состоянии между упругодемпфирующими элементами. Установка подшипника, состоящего из двух шайб, внутренние соприкасающиеся поверхности которых покрыты тонким слоем антифрикционной смазки, на выступе между крышкой и упругодемпфирующим элементом, исключает при настройке установочной частоты возможность поворота пьезоакселерометра и обрыв его кабеля в пазу корпуса фильтра за счет малой величины трения скольжения между двумя шайбами.
При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. В результате поиска не выявлены технические решения с этими признаками. На этом основании можно сделать выводы о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
На фиг.1 приведена схема предлагаемого механического фильтра для пьезоакселерометра.
в
На фиг.2 приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) пьезоакселерометра, установленного в механическом фильтре и настроенного на диапазон рабочих частот до f с постоянным уровнем ускорения.
На фиг.3 приведена зависимость воздействия ударного ускорения, зарегистрированная пьезоакселерометром, установленным в механическом фильтре.
На фиг.4 приведена зависимость воздействия ударного ускорения, зарегистрированная при жестком закреплении пьезоакселерометра.
На фиг.5 приведены результаты цифровой фильтрации ударных ускорений при жестком креплении акселерометра и креплении посредством фильтра.
Механический фильтр содержит корпус 1 с резьбовым хвостовиком 2 для крепления к объекту испытаний, аналогичные упругодемпфирующие элементы 3, 4, размещенные сверху и снизу пьезоакселерометра 5 соответственно. Корпус 1 содержит резьбовую крышку 6 для поджатия упругодемпфирующих элементов 3, 4. Пьезоакселерометр 5 снабжен направляющей цилиндрической втулкой 7, упирающейся в торцевые выступы 8 акселерометра и установленной с ним и с внутренней стенкой корпуса 1 по скользящей посадке. Направляющая втулка 7 выполнена из фторопласта. В корпусе 1 выполнен продольный паз 9 для вывода кабеля 10 пьезоакселерометра 5, а крышка 6 снабжена контровочными винтами 11. Упругодемпфирующие элементы 3, 4, выполненные в виде, например, резиновых колец, установлены по своему внутреннему диаметру на центрированные выступы 12 крышки 6 и основания корпуса 1 соответственно. При этом высота выступов 12 меньше высоты колец 3, 4, а наружный диаметр колец не превышает внутренний диаметр направляющей втулки 7 (фиг.1).
Выступ 12 крышки 6 снабжен подшипником, состоящим из внутренней 13 и наружной 14 шайб, соприкасающиеся поверхности которых покрыты тонким слоем антифрикционной смазки 15. Внешний диаметр шайб 13 и 14 не меньше внешнего диаметра колец 3, 4.
При использовании пьезоакселерометра с системой поджатия инерционной массы устанавливают кольца с диаметром, равным диаметру внутренней полости корпуса акселерометра, что исключает деформацию его крышки и соответственно дополнительное давление на массу и кристалл пьезоакселерометра, от которого зависит его калибровка.
Подготовку устройства к работе осуществляют следующим образом. На центрированном выступе 12 основания корпуса 1 устанавливают упругое кольцо 3. На выступе 12 крышки 6 устанавливают подшипник, соприкасающиеся поверхности шайб 13, 14 покрывают тонким слоем антифрикционной смазки 15. На подшипнике в выступе 12 крышки 6 размещают упругое кольцо 4. Пьезоакселерометр 5 с плавающей фторопластовой втулкой 7 размещают в корпусе 1, выводя его кабель 10 через паз 9, и закрывают собранной ранее резьбовой крышкой 6, поджимая упругие кольца 3, 4 до полного контакта с пьезоакселерометром 5, крышкой 6 и корпусом 1 устройства.
в
y
y
в
в
Учитывая требования разработчика в получении достоверной информации о параметрах ударного нагружения объекта, достаточной для оценки его ударопрочности в диапазоне частот до f, собранное устройство устанавливают на стол вибростенда и подвергают воздействию гармонической вибрации с изменяющейся частотой. Верхняя частота диапазона вибрации, воздействующей на устройство, должна быть выше установочной частоты f пьезоакселерометра, которая, как это отмечено в описании аналога, необходима для выполнения условия f>3,3f и обеспечения заданного уровня неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) пьезоакселерометра в полосе частот до f.
y
в
Сжимая резьбовой крышкой 6 упругие кольца 3, 4 обеспечивают требуемое значение установочной (резонансной) частоты пьезоакселерометра f, определяемой по всплеску уровня вибрационного ускорения на его АЧХ, и фиксируют это положение крышки 6 контровочными винтами 11, упирающимися в корпус 1 устройства, исключая возможные люфты в резьбовом соединении крышки с корпусом. По требуемому уровню неравномерности АЧХ (5-10%) определяют частоту среза цифрового фильтра нижних частот f для получения после испытаний объекта достоверной информации, зафиксированной пьезоакселерометром. После проведения указанных операций устройство готово к работе.
Далее устройство с помощью резьбового хвостовика 2 устанавливают на объекте испытаний, обеспечивая тем самым надежность его крепления. Объект подвергают воздействию ударного нагружения, в результате чего в месте крепления корпуса 1 устройства кроме основной квазистатической составляющей ударного ускорения, необходимой разработчику для анализа, возникают высокочастотные наложенные колебания, обусловленные жесткостными свойствами объекта и его волновыми процессами, происходящими в материале. Уровень и частоты этих наложенных колебаний тем выше, чем меньше длительность фронта квазистатической составляющей нагружения. Например, для взрывных нагрузок, которые характеризуются мгновенным фронтом нарастания нагружения, уровень этих колебаний может в несколько раз превышать пиковое значение основного ударного ускорения, а частоты, возбуждаемые в конструкции таким ударом, не ограничены по своему верхнему значению.
y
y
Пьезоакселерометр 5, находящийся в исходном состоянии в статическом равновесии между двумя упругими кольцами 3, 4 как одномассовая механическая колебательная система с демпфированием, фиксирует воздействующее на него и соответственно на объект испытаний ударное ускорение, спектральный состав которого находится в диапазоне частот, не превышающем в 1,4 раза его установочную резонансную частоту f. Все высокочастотные составляющие ударного нагружения, находящиеся выше этого диапазона, существенно ослабляются за счет наличия упругих колец 3, 4 и с ростом частоты их интенсивность сводится к нулю, как в обычном амортизаторе, имеющем свою собственную частоту f.
y
y
в
y
y
Хотя в диапазоне частот от 0,3f до 1,4f пьезоакселерометр 5 искажает реальную информацию о параметрах удара, воздействующего на объект, но его показания в диапазоне частот до f≤0,3f полностью удовлетворяют требования разработчика в получении достоверной информации. Искажение пьезоакселерометром 5 параметров удара в районе его установочной частоты связано с его реакцией на квазистатическую составляющую нагружения. То есть, когда спектр частот этого нагружения совпадает с резонансной частотой пьезоакселерометра f, последний под действием на него инерционной силы удара, преодолевая силу сопротивления одного из упругих колец (в зависимости от направления действия силы) сжимает его, разгружая другой. После потери пьезоакселерометром 5 кинетической энергии, переходящей в потенциальную энергию сжатого элемента и тепловую энергию, затраченную на его деформацию, последний стремится вернуться в состояние динамического равновесия системы. Однако, при переходе состояния динамического равновесия, пьезоакселерометр 5 под действием приобретенной им в первом цикле сжатия кольца 3 или 4 скорости начинает сжимать противоположное упругое кольцо, разгружая предыдущее. Таким образом, процесс «разгружение - сжатие упругих колец» повторяется до полного успокоения пьезоакселерометра 5 в его нейтральном исходном положении. При этом на квазистатическую составляющую ударного нагружения накладываются затухающие колебания пьезоакселерометра 5, скользящего в корпусе 1 устройства.
в
y
Цилиндрическая направляющая втулка 7 обеспечивает однонаправленное движение пьезоакселерометра 5 строго по его оси чувствительности, что приводит к повышению точности измерения пикового значения ударного ускорения и повышает надежность получения достоверной информации. Далее зафиксированный сигнал фильтруют цифровым фильтром нижних частот, выбирая частоту среза фильтра (f), равную ≈ 30% от значения установочного резонанса акселерометра (f). То есть выделяют тот полезный сигнал в требуемой полосе частот, где неравномерность амлитудно-частотной характеристики акселерометра не превышает 10%.
Возможность промышленной реализации и практической возможности достижения требуемого технического результата при использовании изобретения иллюстрируется следующим примером.
Пример.
Разработчика для определения ударопрочности его конструкции (объекта испытаний) удовлетворяют условия получения достоверной информации об ударе в диапазоне частот до 500 Гц. В этом диапазоне частот реакции элементов конструкции особенно опасны и являются определяющими для оценки и проверки их прочности. То есть разработчика не интересует воздействие на конструкцию более высокочастотных составляющих нагружения, возникающих от удара.
y
в
y
Значит установочная (резонансная) частота пьезоакселерометра должна быть не менее f≥3,3f≥1650 Гц. Для пьезоакселерометра КД 17, имеющего массу 10 г, установленного между упругими кольцами, выполненными из резины марки ИРП 1354, толщиной 3 мм, с наружным 12 мм и внутренним 7 мм диаметрами при предварительном их сжатии крышкой до величины относительной деформации 15%, установочная частота f=1857 Гц (см. фиг.2).
На фиг.2 явно видно, что при задании постоянного уровня ускорения гармонической вибрации в диапазоне частот до 2200 Гц (ограничено возможностями вибростенда), пьезоакселерометр, установленный в механическом фильтре, абсолютно не искажает информацию об ударе в диапазоне частот до 700 Гц, поскольку показания базового (задающего) и контрольного (испытуемого) пьезоакселерометров в этой полосе частот практически равны.
Установка пьезоакселерометра с механическим фильтром и пьезоакселерометра, жестко закрепленного посредством резьбовой шпильки, позволила зарегистрировать параметры удара, воздействующего на объект испытаний (см. соответственно фиг.3 и 4). Как видно, ударное ускорение, зарегистрированное пьезоакселерометром, жестко закрепленным на объекте резьбовой шпилькой (фиг.4), имеет эффект «уход нуля» на уровне ~ 600 g, в то время данный эффект отсутствует в сигнале, зарегистрированном пьезоакселерометром, установленном в фильтре (фиг.3).
Результаты цифровой фильтрации указанных ударных ускорений с частотой среза фильтра нижних частот 700 Гц приведены на фиг.5, где наиболее достоверную информацию о квазистатической составляющей ударного нагружения, удовлетворяющего разработчика, имеет пьезоакселерометр, установленный в механическом фильтре, поскольку интенсивность высокочастотных составляющих ударной нагрузки, лежащих выше частоты , существенно ослабляется, вплоть до полного их исключения из сигнала (см. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т./Ред. Совет: В.Н.Челомей (пред.). - М.: Машиностроение, 1981. - Т.6. Защита от вибрации и ударов/Под ред. К.В.Фролова / 1981. Стр.175, рис.4), что позволяет электронной измерительной аппаратуре работать в нормальном режиме и зарегистрировать достоверную информацию об ударе без ухода нуля.
Преимущество изобретения состоит в том, что размещение акселерометра между упругодемпфирующими элементами с поджатием в направляющей фторопластовой втулке, установленной по скользящей посадке с акселерометром и внутренней стенкой корпуса, позволило:
- существенно ослабить высокочастотные составляющие ударного ускорения; исключить отклонение оси чувствительности акселерометра от центральной оси корпуса, установленного по вектору действия ударного ускорения;
- исключить перевозбуждение электронной измерительной аппаратуры и зарегистрировать сигнал без его отклонения от нулевого уровня;
- избавиться от деформационных, электромагнитных, тепловых и других помех.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в измерительной технике и области машиностроительной промышленности;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».