УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ЧАСТОТЫ УСТАНОВОЧНОГО РЕЗОНАНСА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для определения частотных характеристик средств измерения параметров вибрации.
Значение частоты установочного резонанса поверяемого пьезоэлектрического вибропреобразователя является одной из основных его технических характеристик, определяющей рабочий частотный диапазон средств измерения параметров вибрации (ГОСТ Р 8.669-2009 «ГСИ. Виброметры с пьезоэлектрическими, индукционными и вихретоковыми вибропреобразователями. Методика поверки»).
Известно устройство для определения установочного резонанса поверяемого вибропреобразователя с помощью пьезоэлектрического вибратора (пункт 10.15.1.8 ГОСТа Р 8.669-2009).
В известном устройстве колебательная система включает осесимметричное рабочее тело (основание), например, стальной стержень с двумя ортогональными относительно его оси торцами, на одном из которых установлен пьезоэлектрический вибратор, подключенный через усилитель мощности к задающему генератору электрических сигналов. На противоположном торце рабочего тела, на посадочном месте устанавливают поверяемый вибропреобразователь, подключаемый к блоку регистрации - вольтметру и двухлучевому осциллографу для визуализации сигналов задающего генератора и выходного сигнала (отклика) поверяемого вибропреобразователя.
В соответствии с требованиями п. 10.15.1.7 ГОСТа Р 8.669-2009, первая резонансная частота системы «основание - поверяемый вибропреобразователь» (колебательной системы) должно быть, по крайней мере, в 1,2 раза выше ожидаемого значения частоты установочного резонанса поверяемого вибропреобразователя. Выполнение этого требования позволяет минимизировать возможность взаимного влияния резонансов рабочего тела на установочный резонанс поверяемого вибропреобразователя.
Известное устройство работает следующим образом:
От задающего генератора через усилитель мощности на пьезоэлектрический вибратор подают напряжение с частотой, значительно меньшей, чем ожидаемое значение частоты установочного резонанса поверяемого вибропреобразователя. Пьезоэлектрический вибратор, деформируясь, направляет фронт деформационной вибрационной волны вдоль оси рабочего тела (основания) и воздействует на поверяемый вибропреобразователь. Отклик вибропреобразователя на возбуждающую вибрацию в виде выходного сигнала измеряют с помощью вольтметра, а сдвиг фазы относительно сигнала задающего генератора наблюдают на двухлучевом осциллографе.
Частоту задающего генератора увеличивают до значения, при котором на вольтметре будет наблюдаться максимальный сигнал с выхода поверяемого вибропреобразователя, а сдвиг фазы при этом на экране двухлучевого осциллографа будет приблизительно равен -90°, подтверждающий отсутствие влияния иных резонансов, обусловленных возможным резонансом различных конструктивных элементов поверяемого вибропреобразователя, например, его крышки. Это определяемое максимальное значение сигнала принимается в качестве значения частоты установочного резонанса поверяемого вибропреобразователя.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного технического решения, относится длительность процедуры определения величины установочного резонанса поверяемого вибропреобразователя, необходимость наличия априорной информации о приблизительном значении частоты установочного резонанса поверяемого вибропреобразователя и практическая невозможность определения всей спектральной характеристики поверяемого вибропреобразователя. Отсутствие априорной информации вынуждает начинать определение значения частоты установочного резонанса с достаточно низких частот и увеличивать частоту задающего генератора или непрерывно (с задающим генератором с непрерывным изменением частоты), или с малым шагом (не превышающим величины резонансного пика, которые, как правило, у высокодобротных вибропреобразователей составляют несколько десятков Гц). В результате процедура определения значения частоты установочного резонанса получается вынужденно достаточно длительной.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является упрощение процедуры определения значения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в использовании регулируемого по длительности и амплитуде одиночного электрического импульсного сигнала для возбуждения колебательной системы с пьезоэлектрическим вибропреобразователем, позволяющим расширить частотный диапазон определяемых значений резонансных частот и, тем самым, расширить функциональные возможности технического решения.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается также тем, что заявляемое устройство для определения значения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя, включающего рабочее тело в виде стального стержня, посадочное место на одном из торцов стержня для установки пьезоэлектрического вибропреобразователя и образования общей колебательной системы, первая резонансная частота которой, по крайней мере, в 1,2 раза превышает значение искомой частоты, прикрепленный к рабочему телу пьезоэлектрический вибратор с подсоединенным к нему генератором электрических сигналов и подключаемый к пьезоэлектрическому вибропреобразователю блок регистрации его выходного сигнала, в отличие от известного устройства генератор электрических сигналов выполнен импульсным с регулировкой по длительности и амплитуде подаваемых на пьезоэлектрический вибратор одиночных электрических импульсов, а подключаемый к пьезоэлектрическому вибропреобразователю блок регистрации снабжен схемой для преобразования Фурье выходного временного сигнала в его спектральный вид для определения искомого значения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается также тем, что колебательная система устройства ориентирована вертикально и установлена на основании через виброгасящую прокладку, причем установочное место для пьезоэлектрического вибропреобразователя совмещено с верхним торцом стержня - рабочего тела.
На фиг. 1 изображено устройство для определения значения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя. На фиг. 2 изображен одиночный импульс и его параметры, воздействующий на пьезоэлектрический вибратор. На фиг. 3 изображена амплитудная спектральная функция одиночного импульса, воздействующего на пьезоэлектрический вибратор, и ее параметры. На фиг. 4 изображена типичная амплитудная спектральная характеристика пьезоэлектрического вибропреобразователя, полученная импульсным воздействием на него.
Устройство для определения значения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя содержит вертикально установленное на основании 1 через виброгасящую прокладку 2 рабочее тело в виде стального стержня 3 с пьезоэлектрическим вибратором 4 на его нижнем торце 5 и посадочным местом 6, совмещенным с верхним торцом 7 стержня 3 для установки пьезоэлектрического вибропреобразователя 8 и образования общей колебательной системы 3-8, генератор 9 импульсных регулируемых по длительности и амплитуде одиночных сигналов, подключенный к пьезоэлектрическому вибратору 4, и подключаемый к поверяемому пьезоэлектрическому вибропреобразователю 8 блок регистрации 10 со схемой 11 преобразования Фурье.
В качестве блока регистрации 10 может быть применен подключенный через согласующий усилитель спектроанализатор или персональный компьютер с аналого-цифровым преобразователем и соответствующим программным обеспечением.
Устройство для определения значения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя работает следующим образом.
От генератора 9 на пьезоэлектрический вибратор 4 подают одиночный прямоугольный электрический импульс (фиг. 2). Благодаря обратному пьезоэффекту пьезоэлектрический вибратор 4 подвергается упругой деформации и в колебательной системе 3-8 возникает волновой фронт в виде затухающих механических колебаний (фиг. 2). Возникший волновой фронт, амплитуда которого пропорциональна деформации пьезоэлемента пьезоэлектрического вибратора 4, распространяясь в рабочем теле 3 воздействует на пьезоэлектрический вибропреобразователь 8. В пьезоэлектрическом вибропреобразователе 8 благодаря наличию инерционной массы и прямому пьезоэффекту его пьезоэлемента, возникает электрический заряд - сигнал, в функции от времени.
Временной сигнал в блоке регистрации 10 усиливают, подвергают математической обработке в схеме преобразования Фурье 11, преобразуют временной сигнал в спектральный вид, определяют первое максимальное значение амплитудной спектральной характеристики с ее сдвигом фазы, близкой к -90° (фиг. 3), по которой и определяют (см. фиг. 4) искомое значение частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя 8.
В соответствии с требованиями п. 10.15.1.7 ГОСТа Р 8.669-2009, первая резонансная частота колебательной системы (рабочее тело - поверяемый пьезоэлектрический вибропреобразователь) должна быть, по крайней мере, в 1,2 раза выше ожидаемого значения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя. Это позволяет практически исключить искажающее влияние частотной характеристики всей колебательной системы на искомое значением частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя. На первую резонансную частоту колебательной системы практического влияния не оказывает прикрепленный к нему пьезоэлектрический вибратор, т.к. его масса не менее, чем на порядок меньше массы рабочего тела.
Первая резонансная частота колебательной системы зависит от формы и размеров рабочего тела и закрепленного на нем пьезоэлектрического вибропреобразователя.
Если рабочее тело выполнено в форме цилиндра с закрепленным на нем пьезоэлектрическим вибропреобразователем, то первая резонансная частота колебательной системы приближенно определяется выражением (Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. совет: Челомей В.Н. (пред.). - М.: Машиностроение, 1978. - Т. 1. Колебания линейных систем / Под ред. В.В. Болотина. 1978. - с 63):
где Е - модуль Юнга;
F - площадь поперечного сечения цилиндра;
l - высота цилиндра;
М - масса пьезоэлектрического вибропреобразователя.
Одиночный электрический импульс, воздействующий на пьезоэлектрический вибратор, во времени описывается выражением (Иориш Ю.И. Виброметрия. Изд. 2-ое перераб. М.: ГНТИ машиностроительной литературы, 1963. - е 115):
а амплитудная спектральная функция -
И
И
где А и τ - амплитуда и длительность одиночного импульса;
ω=2·π·ƒ; ƒ - циклическая частота.
И
И
Уст
Амплитуда импульса А выбирается из условия соотношения высоты резонансного пика и нулевого уровня спектральной характеристики после проведения преобразования Фурье. Это соотношение на практике должно быть не менее трех, что позволяет с более высокой точностью выделить резонансный пик на спектральной характеристике и определить значение частоты установочного резонанса. Длительность импульса τ определяется ожидаемым значением частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя ƒ и выбирается из условия:
или
где  - максимальная частота спектральной плотности импульса, используемая для определения значения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя.
Длительность импульса определяет частотный диапазон силового воздействия на пьезоэлектрический вибропреобразователь. В соответствии с фиг. 2 максимальные значения воздействия на различных частотах осуществляются до частоты  поэтому и максимальный отклик пьезоэлектрического вибропреобразователя будет в этой области частот. С другой стороны, регулируя амплитуду импульса и его длительность, можно воздействовать на пьезоэлектрический вибропреобразователь в более широком диапазоне частот, что позволяет расширить функциональные возможности технического решения и, при необходимости, определять не только значение частоты установочного резонанса, но и резонанс колебательной системы и рабочего тела или более высокочастотные резонансы, вызванные возможными побочными эффектами (таких, как, например, резонанс крышки пьезоэлектрического вибропреобразователя).
При постановке задачи измерения более высоких имеющихся в колебательной системе частот, чем значение частоты установочного резонанса, длительность импульса, определяемая по указанной выше формуле, должна рассчитываться из условия изменения максимального значения частоты. Увеличение длительности импульса уменьшает максимальное значение частотного диапазона силового воздействия на пьезоэлектрический преобразователь, т.к. уменьшается величина  и соответственно снижается максимальное измеряемое значение частоты и возможности для определения более высоких резонансных частот (см. таблицу 3).
Современные средства генерации импульсных сигналов воспроизводят их с высокой степенью точности, что дополнительно позволяет получить значительно более высокую повторяемость результатов повторных экспериментов при определении значения частоты установочного резонанса пьезоэлектрических вибропреобразователей.
На нашем предприятии была проведена экспериментальная проверка опытного образца заявляемого устройства.
Результаты проверки приведены в таблицах 1-3.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.