ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
MEASUREMENT BENCH FOR DETERMINATION OF TRANSFORMATION RATIO OF PIEZOCERAMIC ACCELEROMETERS

Устройство относится к области пьезотехники в части определения температурной зависимости основных параметров, в частности коэффициента преобразования ускорения в электрический сигнал, широкого круга изделий пьезотехники, называемых акселерометрами, и может быть использовано в изделиях пьезотехники более конкретного назначения, например сейсмодатчиках, вибродатчиках и др. [1]. Область применения может быть расширена и на другие области науки и техники, где возникает необходимость в определении изменения параметров изделий при одновременном воздействии на них температуры и вибрации или других внешних воздействий.
Для простоты изложения в рамках материалов заявки принято ограничение этих областей пьезоэлектрическими, а точнее пьезокерамическими акселерометрами, разновидностями которых являются геофоны, сейсмодатчики, вибродатчики и др. Основной физический принцип их работы одинаков, различие составляют лишь диапазоны их рабочих частот, а с ним 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).
Одним из основных параметров акселерометра является коэффициент преобразования (K) как размерная величина, полученная отношением величины электрического сигнала - реакции акселерометра на ускорение к величине самого ускорения.
Существует несколько методов измерения K - абсолютный, основанный, в частности, на применении лазерного датчика перемещений, относительный, основанный на сравнении электрических сигналов - реакций на воздействие одинаковой вибрации калибровочного акселерометра, с известным K и калибруемого акселерометра, величину K которого необходимо найти, а также метод, основанный на применении калибраторов - источников вибрации с точно определенными параметрами [2].
Наиболее широкое распространение получил относительный метод как наиболее простой и доступный в реализации [2]. Именно он взят за основу в рамках материалов заявки.
По этому методу искомое K определяют по формуле [3]
где
2
K - искомое K калибруемого акселерометра;
1
K-величина K калибровочного акселерометра;
1
X - выходной электрический сигнал калибровочного акселерометра как реакция на основное внешнее воздействие (ускорение);
2
X - выходной электрический сигнал калибруемого акселерометра как реакция на основное внешнее воздействие (ускорение).
Акселерометр с известной величиной K, используемый в относительном методе определения K, в разных источниках называют эталонным, калибровочным и др. В рамках материалов заявки он назван калибровочным, в соответствии с сертификатами о калибровке, выдаваемыми ВНИИФТРИ. Акселерометр, аналогично, называют датчиком вибрации и удара, преобразователем и т.д. [3]. В рамках материалов заявки за ним сохранено название - акселерометр.
Зависимость величины K от температуры как одного из дополнительных воздействий является одной из важнейших характеристик акселерометров, особенно пьезокерамических.
Техническая трудность в определении этой зависимости заключается в необходимости определения величины K при одновременном воздействии на акселерометр заданных вибраций и температуры или других внешних воздействий.
2
Известна испытательная установка (измерительный стенд) для определения величины K преобразователей (акселерометров), состоящая из монтажной поверхности (рабочей поверхности) с размещенными на ней эталонным преобразователем (калибровочный акселерометр) и калибруемым преобразователем (акселерометр), вибростенда (источник заданных вибраций рабочей поверхности), а также из контрольно-измерительного рабочего места, позволяющего определить отношение величины K эталонного (калибровочного) и калибруемого преобразователей (акселерометров) для определения величины K по формуле (1) [3].
Основными недостатками такого устройства, делающими практически не решаемой задачу - определение зависимости величины K от температуры, равно как и от других внешних воздействий, является следующее.
1. Ограничение возможностей определения температурной зависимости величины K температурой окружающей среды, изменяющейся в узком диапазоне температур неконтролируемым образом.
2. Практическая невозможность или крайне большая сложность установки термокамеры с регулируемой температурой в рабочем объеме, с размещенными в нем акселерометрами, на рабочую поверхность, которой является монтажная поверхность большинства конструкций измерительных вибростендов, например типа 4290 или 4810 (Брюль и Къерр), без практической потери или больших затруднений возможности измерения величины K при заданной температуре.
Это связано, прежде всего, с тем, что рабочая поверхность сформирована на базе монтажной платформы вибростенда, жестко связанной с его колебательной системой, т.е. с колеблющимся штоком, механически создавая дополнительную его нагрузку в виде дополнительной массы, включая и массу размещенных на ней устройств. В этом случае возникает слабоконтролируемая жесткая механическая связь между этими устройствами и колебательной системой вибростенда в виде дополнительной массы, нагружающей колебательную систему, делая процесс колебаний ненадежным, а подчас и невозможным.
3. Практическая невозможность или большая сложность установки большинства лабораторных и заводских измерительных вибростендов, с размещенными на их рабочей поверхности акселерометрами, в рабочем объеме большинства конструкций лабораторных и заводских термокамер, без практической потери или больших затруднений возможности проведения измерения величины K при заданной температуре.
Под измерительным вибростендом понимается вибростенд, предназначенный для калибровки акселерометров, по классификации фирмы Брюль и Къерр [4]. Другим типам вибростендов эта функция по ряду причин не свойственна, например, мощный испытательный вибростенд при малых ускорениях не дает надежных, повторяемых результатов измерения K. А именно, для таких ускорений предназначены акселометры-сейсмодатчики, например [5].
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, состоящее из специально выделенной отдельной или составной части лабораторного стола (рабочей поверхности) с площадью, позволяющей разместить на ней с заданной степенью механической жесткости калибровочный, с известным K, и калибруемый акселерометры и измерительный вибростенд фирмы Брюль и Къерр типа 4290 (источник заданных вибраций рабочей поверхности), а также из контрольно-измерительного рабочего места, размещенного на остальной его части, для определения отношения коэффициентов преобразования калибровочного и калибруемого акселерометров [5].
Основным достоинством такого устройства является слабая механическая связь между устройствами, размещенными на рабочей поверхности, и колебательной системой вибростенда, что достигается его размещением как источника вибраций на рабочей поверхности, а не наоборот. В этом случае процесс колебаний источника практически не будет зависеть от дополнительных нагрузок на рабочую поверхность и будет стабильным. Ослабление амплитуды ускорений, воздействующих на акселерометры, компенсируется как их чувствительностью, так и возможностью подачи на источник вибраций более мощного электрического сигнала, преобразуемого в ускорение.
Устройство работает следующим образом. Вибрации, создаваемые источником вибраций, передаваемые от него части лабораторного стола (рабочей поверхности), воздействуют на размещенные на нем акселерометры [5], преимущественно в вертикальной ориентации. Горизонтальные составляющие не несут больших погрешностей [5]. Поверхность, на которой могут быть размещены акселометры, существенно больше монтажной поверхности вибростенда, а размещение вибростенда на рабочей поверхности позволяет сделать работу его колебательной системы независимой от устройств, размещенных на рабочей поверхности, в том числе и от деталей (например, лабораторного стола), формирующих саму рабочую поверхность. При этом снижается амплитуда колебаний, то есть возникает их трансформация при передаче от колебательной системы вибростенда к акселерометрам. Это существенно расширяет круг источников вибраций, применимых для измерения K акселерометров относительным методом.
К недостаткам устройства следует отнести ограниченность рабочей поверхности возможностью размещения на ней только источника вибраций и акселерометров и присвоение калибровочному акселерометру точного значения K только в нормальных условиях. Эти недостатки не позволяют определять величину K при одновременном воздействии на акселерометры вибраций, как основными внешними воздействиями, и другими дополнительными внешними воздействиями - температурой, влагой, атмосферным давлением и другие, или их комбинацией, одновременно.
Это крайне важно, в частности, при проведении исследований и испытаний акселерометров.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является достижение технического результата в виде создания возможности определения зависимости величины K исследуемого (калибруемого) акселерометра от температуры, как от одного из дополнительных воздействий, с учетом возможности небольших, но принципиальных доработок известного устройства [5].
Поставленная задача решается в конструкции измерительного стенда для определения величины K акселерометров, состоящего из рабочей поверхности с размещенными на ней калибруемым и калибровочным акселерометрами и источника основного внешнего воздействия заданных ее вибраций, а также из контрольно-измерительного рабочего места, размещенного вне рабочей поверхности, для определения отношения коэффициентов преобразования калибровочного и калибруемого акселерометров, отличающегося тем, что калибруемый и калибровочный акселерометры размещены в рабочем объеме камеры тепла и холода (источник дополнительного внешнего воздействия), размещенной на рабочей поверхности стенда, а в качестве калибровочного акселерометра использован акселерометр с известной зависимостью коэффициента преобразования от температуры (дополнительного внешнего воздействия).
Увеличение рабочей поверхности и установка на ней термокамеры влечет за собой снижение амплитуды ускорений, воздействующих на акселерометры. Оно компенсируется как их чувствительностью, так и возможностью подачи на источник вибраций более мощного электрического сигнала, преобразуемого в ускорение, при наличии технического запаса по этим параметрам. Сама величина такого запаса, определяемая диапазоном измеряемых величин K, снижается, но она может быть скомпенсирована расширением номенклатуры применяемых источников вибраций и оправдана появлением самой возможности определения зависимости K от температуры в лабораторных и заводских условиях без дорогостоящих и трудоемких методов и устройств.
Возможность расширения номенклатуры применяемых источников вибраций оправдана тем, что при слабой механической связи рабочей поверхности, с размещенными на ней приборами, с колебательной системой источника вибраций ее наличие практически не влияет на процесс колебаний, но снижает амплитуду ускорений, воздействующих на акселерометры. В этом случае ограничение, налагаемое на допустимые виды источников вибраций [2], теряет смысл, что дает возможность использовать более мощные вибростенды и другие типы источников вибраций.
Таким образом, отличительными признаками заявляемого устройства является то, что калибровочный и калибруемый акселерометры установлены в рабочем объеме камеры тепла и холода (источник дополнительного внешнего воздействия), размещенной на рабочей поверхности стенда, а в качестве калибровочного акселерометра использован акселерометр с известной зависимостью коэффициента преобразования от температуры (дополнительное внешнее воздействие).
Устройство опробовано на предприятии. На фиг. 1 и фиг. 2 приведен лабораторный макет устройства. Он состоит из рабочей поверхности - части лабораторного стола - 1, калибровочного акселерометра фирмы Брюль и Къерр типа 4514-002 с известной зависимостью К от температуры и калибруемого акселерометра МА1Э (ОАО «НИИ «Элпа») - 2, установленные на специальной подставке - 3, позволяющей максимально идентично передать им колебания рабочей поверхности 1, источник вибраций - вибростенд фирмы Брюль и Къерр типа 4290-4, размещенный на рабочей поверхности 1, причем подставка 3 установлена в рабочем объеме макета камеры тепла и холода, сформированной частью рабочей поверхности 1, теплоизолирующих прокладок 5 и теплоизолирующего колпака 6, причем в рабочем объеме макета камеры тепла и холода с помощью источника тепла и холода, например электронагревателя или сухого льда, а также вентилятора, создана заданная температура.
Определение величины K калибруемого акселерометра 3 осуществилось с помощью формулы (1) при разных температурах. На фиг. 3 приведена кривая зависимости величины К от температуры для акселерометра МА1Э, полученная таким способом в диапазоне температур -40°C ÷ +65°C, что позволило указать эту характеристику в документации на изделие.
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. www.bruel.ru/pages/4.html
5. 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.