Трехосевой вибропреобразователь
TRIAXIAL VIBRATION CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и направлено на повышение точности трехосевых вибропреобразователей.
Известны трехосевые вибропреобразователи, которые содержат три пьезочувствительные пластины с инертными грузами, которые консольно закреплены в едином корпусе. Оси чувствительности пластин взаимно ортогональны, например патент №834404.
Основным недостатком таких датчиков является погрешность, связанная с разнесенными точками крепления пластин. В случае, когда длина волны вибрационных колебаний сравнима с расстояниями между точками крепления пластин, такой датчик имеет большие погрешности измерения трехкомпонентного вектора упругой волны. Таких недостатков лишены трехмерные пьезочувствительные датчики, которые измеряют все три компонента вибрационной волны в единой точке. К таким датчикам относится, например, датчик по патентам №№2416098, 2535646.
Основным недостатком датчиков на основе трехмерных пьезочувствительных датчиков является большая ошибка, связанная с перекрестными связями между компонентами. Кроме чувствительности по измерительной оси, они имеют большую чувствительность к поперечным вибрациям, которая превышает 5% и более от чувствительности измерительных осей. Поперечные вибрации изменяют чувствительность измерительных осей. Наиболее близким предлагаемому датчику является трехосевой вибропреобразователь АР2038 (смотри каталог GlobalTest «Датчиковая измерительная аппаратура» 2020 г.). Указанный вибропреобразователь содержит кроме пьезочувствительного трехмерного датчика, встроенные в корпус преобразователя 3 зарядовых усилителя, каждый из которых соединен с выходом соответствующей измерительной оси. Этот вибропреобразователь и принят в качестве прототипа.
Целью изобретения является исключение влияния поперечных вибраций на чувствительность измерительных осей трехосевых вибропреобразователей на основе трехмерного пьезодатчика. Следует отметить, что изменение коэффициента передач измерительной оси поперечными вибрационными нагрузками в таких вибропреобразователях вызывается отклонением измерительной оси от ее направления в условиях отсутствия вибрационной нагрузки. Это отклонение вызвано силой Кариолиса, которая в свою очередь зависит от массы датчика и от ускорения Кариолиса, а ускорение Кариолиса определяется интенсивностью поперечной вибрации.
X0
XY
XZ
Указанная цель в трехкомпонентном вибропреобразователе на основе трехмерного пьезодатчика, содержащего встроенные зарядовые усилители, достигается тем, что к выходам каждого зарядового усилителя подключены по два последовательно соединенных умножителя, вторые входы которых соединены с выходами нормализаторов, входы которых подключены к выходам зарядовых усилителей поперечных осей, причем коэффициенты передач нормализаторов настраиваются при градуировке вибропреобразователя исходя из условия компенсации вибрационных нагрузок поперечных осей, для чего, измеряют напряжение U на выходе зарядового усилителя например оси X, не только воздействием вибрационной нагрузки на эту ось Х, но и напряжение U и U на выходе этой оси при воздействии этой же вибрационной нагрузки на поперечные оси, что позволяет установить необходимые коэффициенты передач соответствующих нормализаторов:
X0
XY
XZ
Аналогично устанавливаются коэффициенты передач остальных нормализаторов, где U - напряжение на выходе измерительной оси при отсутствии вибрационной нагрузки на поперечных осях, U - напряжение на выходе измерительной оси X при наличии вибрационной нагрузки на поперечной оси Y, U - напряжение на выходе измерительной оси X при наличии вибрационной нагрузки на поперечной оси Z.
На рисунке 1 представлена блок схема предложенного преобразователя. На рисунке приведены обозначения: 1 - вибропреобразователь со встроенными усилителями, 2 - ось чувствительности по оси X, 3 - ось чувствительности по оси 7, 4 - ось чувствительности по оси Z, 5 - зарядовый усилитель сигналов оси X, 6 - зарядовый усилитель сигнала по оси Y, 7 - зарядовый усилитель сигнала по оси Z, 8 - умножители, 9 - нормализаторы.
Дополнительный преобразователь изменяет коэффициенты передач соответствующих измерительных осей при изменении сигнала с поперечных осей. Можно говорить о том, что коэффициент передачи измерительной оси трехосевого вибропреобразователя автоматически подстраивается под условие компенсации влияния на него поперечной вибрации.
Общими элементами прототипа и предложенного вибропреобразователя являются: трехосевой пьезометрический датчик, подключенный к соответствующим трем зарядовым усилителям.
Отличительным признаком является введение трех преобразователей, каждый из которых содержит два последовательно включенных умножителя и два нормализатора с градуируемыми коэффициентами передач.
За счет отличительных признаков, в трехосевом пьезометрическом вибропреобразователе исключаются погрешности, вызванные воздействием вибрационной нагрузки по поперечным осям. Если вибрационные нагрузки поперечного канала увеличивали выходной сигнал измерительного канала, то умножители уменьшат его за счет снижения общего коэффициента передач, равного . При этом коэффициенты  будут отличаться от единицы на величину, равную относительной погрешности:
XY
XZ
XY
X0
Где δ - относительная погрешность коэффициента передачи канала X, вызванная поперечной вибрацией на канале Y, δ - относительная погрешность коэффициента передач канала X, вызванная поперечной вибрацией на канале Z. Например, если вибрационная нагрузка в канале Y вызывала погрешность коэффициента передач канала X на 5%, то коэффициент передачи делителя K примет значение равное 1,05. Уменьшение коэффициента передач измерительного канала K, на 5%, вызванное перекрестной нагрузкой, компенсируется увеличением этого коэффициента передач перекрестным введенным каналом, состоящим из умножителя и нормализатора. Математически это формализуется в следующем виде:
0
2
Если в системе без коррекции коэффициента передач относительная ошибка, вызванная изменением коэффициента передач измерительной оси поперечной вибрацией составляла δ=0,05, то в системе с коррекцией эта ошибка составит δ=δ=0,0025, это означает, что предложенная коррекция коэффициента передач пьезочувствительных трехосевых вибропреобразователей позволяет уменьшить погрешность, вызванную поперечной вибрацией, в 20 раз.
Предложенная схема коррекции коэффициента передач измерительной оси трехосевых вибропреобразователей с использованием нормализаторов и умножителей, может быть реализована применением операционного усилителя с регулируемым коэффициентом передач. Регулирование коэффициента передач будет осуществляться сигналом с выхода соответствующей поперечной оси. Такие системы относятся к классу самонастраивающихся систем.