Методы и аппаратура для измерения вибрации и высокочастотных шумов

Содержание

Введение 3

1. Методы и аппаратура для измерения вибрации и высокочастотных шумов 4
2. Расчет преобразователя 6
1. Анализ различных типов преобразователей 6
2. Принцип действия пьезоэлектрического вибропреобразователя 11
3. Выбор  основание выбранной конструкции 12
4. Расчет основных параметров вибропреобразователя 14
3. Выбор и обоснование структурной схемы 23

1. Анализ структурных схем для измерения различных параметров показателей вибродиагностики 23

2. Обоснование структурной схемы аналого-цифровой части виброизмерительной системы  30
3. Параметры и погрешности преобразователей  36
4. Разработка электрической принципиальной схемы блока усиления  39
1. Описание электрической принципиальной схемы 39
2. Выбор элементной базы для электрической принципиальной схемы блока усиления 44
3. Расчет элементов электрической принципиальной схемы 49
5. Экономическое обоснование  54
1. Расчет затрат на этапе проектирования ………………………………… 54
2. Технологическая подготовка производства …………………………… 58
3. Расчет на этапе производства ……………………………………………61
4. Планируемая цена. Расчет налога. Прибыль……………………………65

6. Охрана труда и окружающей среды 73

6.1.Анализ условий труда при проведении эксперимента 73

6.2.Освещение 74

6.3.Опасность поражения электрическим током 75

6.4.Ультразвук и вибрация 75

6.5.Анализ вредных условий труда 76

 

6.6. Расчет виброизоляторов  …………………………………………………77

6.7.Пожаробезопасность при проведении эксперимента 78

6.8.Пожарная сигнализация 79

6.9.Эвакуация людей из лаборатории 80

6.10. Охрана окружающей среды 81

6.11 Выводы по проделанному  анализу условий труда при проведении эксперимента 82

Заключение 83

Список использованных источников 84

 

Введение

 

Научно-технический прогресс, который  последние десять, пятнадцать лет  шел особенно интенсивно, привел к  существенным изменениям во многих областях науки и техники. Прогресс современной индустрии, повышение надежности и долговечности работы различных машин и сооружений не возможен без широкого использования средств исследования и контроля динамики их работы.

В настоящее время сложилась  такая ситуация: промышленности требуется иметь высокотемпературный и широкодиапазонный датчик, которым можно было бы снять с работающего объекта и рассмотреть на спектроанализаторе все составляющие вибрации и высокочастотных шумов. По анализу высокочастотных шумов можно судить о состоянии работающего двигателя и его элементов.

Сравнение высокочастотных спектров нормально работающего двигателя и  двигателя работающего с отклонениями от нормального режима работы позволяет судить о работе агрегата. На основании выше изложенного можно сделать вывод, что разработка виброизмерительного комплекса на расширенный диапазон частот интервал температур является актуальной задачей, решение которой предлагается в данном дипломном проекте.

     В первом  разделе рассмотрены методы для  измерения вибрации и высокочастотных шумов. Далее приведен расчет преобразователя. При выборе и обосновании структурной схемы, произведен анализ структурных схем для измерения различных параметров показателей вибродиагностики.

     В разделе  разработки электрической принципиальной схемы блока усиления приведено описание электрической принципиальной схемы и выбора элементной базы для  принципиальной схемы блока усиления.

     Неотъемлемой  частью данного дипломного проекта  является его экономическое обоснование,  которое приведено в пятом разделе пояснительной записки. Заключительным разделом пояснительной записки является рассмотрение вопроса охраны труда и окружающей среды.

 

 

1.  Методы  и аппаратура для измерения  вибрации и высокочастотных шумов

 

Виброизмерительный комплекс представляет собой совокупность унифицированных, функциональных устройств и приборов, характеризующихся информационной, конструктивной, технологической и эксплуатационной совместимостью и нормализованных по выполняемым функциям, входным, выходным, управляющим и другим основным параметрам.

Характерной особенностью виброизмерительного  комплекса является использование  измерительных пьезоэлектрических преобразователей. При работе комплекса  без использования ЭВМ, необходима линейность АЧХ вибропреобразователя в рабочем диапазоне частот. При обработке результатов на ЭВМ достаточно знать АЧХ реального вибропреобразователя и иметь возможность калибровать её перед измерениями. Корректировка АЧХ в процессе обработке сигнала автоматически выполняется ЭВМ.

Электрические сигналы, снимаемые с вибропреобразователя, характеризуются физической природой – заряд или напряжение, спектром частот, длительностью и фазовым положением относительно некоторого момента принятого за начало отсчета. Перечисленными величинами определяется состав устройств, необходимых для измерения сигналов. Необходимость применения предусилителей является особенностью многих приборов и систем измерения вибраций и шумов. Эта необходимость обусловлена низким уровнем сигналов, снимаемых с излучаемых преобразователей, большим выходным сопротивлением преобразователей, большой входной емкостью кабелей, связывающих измерительные преобразователи с устройствами обработки сигналов. Соответственно различают усилители напряжения, выходные сигналы которых пропорциональны входным напряжениям, усилители заряда, выходные сигналы которых  пропорциональны входным зарядам. Входное сопротивление усилителя напряжения большое, а выходная емкость малая. Усилитель заряда имеет большую входную емкость и относительно невысокое входное сопротивление. При использовании усилителя напряжения емкость кабеля, включенного между вибропреобразователем и предусилителем, создает нагрузку на выходную цепь пьезоэлектрического вибропреобразователя и снижает чувствительность системы, которая в данном случае зависит от длины емкости кабеля. При использовании усилителя заряда емкость кабеля значительно меньше входной емкости предусилителя и не влияет на чувствительность измерительного тракта. Для усиления сигнала, снимаемого с вибропреобразователя и для согласования высокого выходного импеданса датчика до величины, соответствующей входной характеристике измерительного усилителя, выбираем усилитель заряда.

Значительная мощность выходного каскада дает возможность  подключения к нему различных  устройств для обработки и регистрации сигнала, в том числе и ЭВМ.

В разрабатываемом комплексе основное внимание уделено проектированию вибропреобразователя и аналого-цифровой части системы. Выбор и расчет вибропреобразователя и аналоговой части проводится в следующих разделах дипломного проекта.                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет преобразователя

0. 2.1 Анализ различных типов вибропреобразователей.

Вибропреобразователи  предназначены для преобразования механических колебаний элементов  машин и конструкций в электрические сигналы, пропорциональные ускорению, скорости или смещению колебания объекта и используются в составе виброизмерительной аппаратуры для измерения параметров вибрации в лабораторных и производственных условиях.

Для измерения одной  и той же величины механических колебаний могут быть использованы вибропреобразователи, основанные на различных принципах преобразователя, которых в настоящее время существует весьма много, но которые не всегда равнозначны по возможностям, т.е. обеспечению высокой точности измерения, широкого диапазона частот, высоких рабочих температур при одновременном воздействии значительных ударных и вибрационных ускорений.

Выбор типа преобразователя  в значительной степени предопределяет выбор схемы согласующего усилителя. Так например для емкостных, индукционных преобразователей  необходимы дополнительные питающие, демифицирующие и компенсирующие устройства, кроме того, они имеют значительные габариты и вес, незначительную механическую прочность, ограниченный  рабочий диапазон частот и другие недостатки.

К достоинствам пьезоэлектрических вибропреобразователей перед другими  типами преобразователей относятся:  простота исполнения, взаимозаменяемость, значительная механическая прочность, большой рабочий диапазон частот, малая себестоимость.

Существует большое  количество моделей пьезоэлектрических вибропреобразователей, которые можно классифицировать по следующим признакам:

1. По виду деформации пьезоэлемента (работающие на сжатие-растяжение, сдвиг, изгиб);
2. По способу крепления пьезоэлемента (клинные, с предварительным поджатием, клиноподжатые);
3. По способу закрепления на объекте (прижимные, клиноприжимные и приклеиваемые).

Частотный диапазон пьезоэлектрических вибропреобразователей является одной  из самых важных его технических  характеристик.

Верхняя граница частотного диапазона fB определяется значениями

установочного резонанса  и затуханием измерительного преобразователя. Для большинства пьезоэлектрических преобразователей fB = О,З fУ, (где  fУ – установочный резонанс) при неравномерности АЧХ 10%. Установочный резонанс повышается при увеличении площади и повышении качества контактных поверхностей между чувствительным элементом и корпусом, корпусом и объектом, размещении чувствительного элемента непосредственно в корпусе объекта, уменьшении массы корпуса. Увеличение контактной площади вибропреобразователя обеспечивается:

1. Плотным резьбовым соединением акселерометра с объектом (ИДК-   8);
2. Посадкой акселерометра на конусную поверхность (Д11).

Для уменьшения массы  корпуса используют материалы малой плотности типа титана, дюралюминия.

Указанные меры позволяют  значительно повысить установочный резонанс и приблизить его к частоте  собственных колебаний вибропреобразователя.

Диапазон частот пьезоэлектрических преобразователей можно расширить  так же путем коррекции (с помощью корректирующих цепей) АЧХ вибропреобразователя или усилительного канала.

Относительный коэффициент  поперечного преобразования вибропреобразователя  с пьезоэлементом работающим на сжатие-растяжение, зависит от многих факторов. Коэффициент поперечного преобразования можно уменьшить следующими способами:

1. Применением измерительного преобразователя правильной геометрической  формы, с однородным составом по механическим и электрическим свойствам;
2. Использованием нескольких пьезоэлементов в чувствительном элементе, что позволяет усреднить механическую и электрическую неоднородности отдельных пьезоэлементов;
3. Совмещением центра тяжести инерционного элемента со средней плоскостью пьезоэлемента;
4. Созданием конструкций вибропреобразователей, в которых сохраняется электрическая симметрия чувствительного элемента при изготовлении и эксплуатации.

Температурный диапазон вибропреобразователя можно  расширить  за счет использования кварца или  температуростойкой пьезокерамики и компенсации погрешности от температуры с помощью температурно-зависимых элементов (конденсатора, резистора). Температурный диапазон преобразователя можно расширить также, применив воздушное или водяное охлаждение, или с помощью охлаждения переходника.

Для данного дипломного проекта применение охлаждения вибропреобразователя недопустимо, т.к. струи воздуха или охлаждающей жидкости будут вносить в высокочастотный спектр измеряемых частот свои шумы.

Для измерения параметров вибрации в диапазоне частот от 10 до 8000 Гц и интервале температур от 0 до 200 С˚ и более, перспективным является использование пьезоэлектрических вибропреобразователей. Благодаря созданию новых пьезоэлектрических материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом, на основе титана висмута (ТHТ-1; ТВ-2) возможно решение этой задачи, что и предлагается в дипломном проекте.

Выбираем модель пьезоэлектрического  вибропреобразователя по следующим  признакам:

1. По виду деформации пьезоэлемента выбираем элемент, работающий на сжатие-растяжение, более простое и надежное при изготовлении и при эксплуатации;
2. По способу закрепления пьезоэлемента, по температурным условиям проекта с предварительным поджатием;
3. По способу закрепления на объекте для обеспечения съемности датчика, согласно заданию на проектирование прижимной.

Для расширения АЧХ вибропреобразователя и для уменьшения влияния на выходной сигнал преобразователя, его резонансных  колебаний при воздействии на него ударных ускорений необходимо увеличение величины затухания  в  вибропреобразователе. В преобразователях, работающих в режиме растяжение-сжатие пьезоэлемента этого можно достичь, применив пьезокерамику с малой добротностью (ТHB-1, ТВ-2).

В проекте необходимо знание неравномерности АЧХ преобразователя, чтобы в информацию, обрабатываемую на ЭВМ вносить корректировку с целью получения более верной информации, снимаемой с объекта наблюдения. Для этого АЧХ вибропреобразователя мы будем представлять не единым целым в нашем диапазоне частот, а в отдельных измерительных частотных интервалах.

При нагреве пьезоэлектрического преобразователя его основные характеристики (коэффициент преобразования и емкость) значительно изменяются. Это происходит вследствие зависимости пьезомодуля и диэлектрической проницаемости от температуры. Поэтому для уменьшения температурной погрешности вибропреобразователя в выбираемой пьезокерамике, где пьезомодуль и диэлектрическая проницаемость изменяется с повышением температуры по-разному, используем преобразователь, работающий с усилителем заряда.

Широкие возможности  пьезоэлектрических вибропреобразователей могут быть реализованы только при соблюдении правильных методов использования преобразователей в сложных условиях эксплуатации.

Технические характеристики отечественных и зарубежных вибропреобразователей  приведены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1.

Технические характеристики пьезоэлектрических вибропреобразователей.

 

Параметры	Тип вибропреобразователя
	Д-13     РФ	Д-14     РФ	ИДК-8     РФ	2291 «Эн-девко» США	2285 «Эн-девко» США	4336 «Брюль и Кьер» Дания
Коэффициент преобразования по напряжению, мВ·с²/м	8,5	2,5	1,8	0,001	0,9	0,6
Относительный коэффициент  поперечного преобразования, %	5	5	2	5	5	8
Резонансная частота, кГц	14	28	18	250	30	125
Емкость, пФ	1600	1600	1000	11,5	315	300
Предельное ускорение, м/с²	5880	10000	2000	200000	20000	14000
Диапазон рабочих температур, ºС	-10 ÷70	-10 ÷70	-60 ÷200	-54 ÷121	-54 ÷760	-10 ÷260
Габаритные раз- меры, мм	Ф20х32	Ф16х29	16х28	7,9х5,6	13х23хх13	9,2
Масса, г	65	27	20	1,3	20	2

 

 

2.2.Принцип действия  пьезоэлектрического вибропреобразователя.

 

Принцип работы вибропреобразователя основан на прямом пьезоэффекте, т.е. на преобразовании механических колебаний  в электрические.

На рис. 2.1. приведена общая схема  вибропреобразователя, поясняющая принцип  работы.

 

Схема преобразователя  инерционного действия

Рис.2.1.

 

Где m – масса инерционного элемента;

       н  -  коэффициент демпфирования;

       к1 – упругость  (жесткость) пружин;

       к2 – упругость  пьезоэлеменов;

       х  -   перемещение инерционного  элемента;

       у  -   перемещение объекта.

Уравление движения чувствительного элемента имеет вид

, (2.1.)

Где – ускорение движения инерционного элемента;

       -  cкорость движения инерционного элемента;

       -  ускорение движения объекта.

В высокочастотных механических системах, к которым относится  пьезоэлектрические вибропреобразователи ,демпфирование имеет пренебрежимо малую величину. Уравнение (2.1) запишется  тогда следующим образом

, или  (2.2), где , (2.3)

С учетом (2.3) уравнение (2.2) имеет вид:

При достижении достаточно высокой собственной частоты  колебаний чувствительного элемента, что имеет место у акселерометров, пренебрегая первым членом уравнения, окончательно получим:

,

Таким образом, выходной сигнал с вибропреобразователя определяется выражением:

,

То есть деформация пьезоэлемента под действием инерционной массы m  и, следовательно, выходное напряжение с вибропреобразователя пропорциональны ускорению, испытываемому корпусом.

 

3. Выбор и обоснование выбранной конструкции.

 

На основе анализа  конструкций вибропреобразователей, разработанных отечественными и зарубежными фирмами, и учитывая предъявленные требования к проекту выбрана конструкция вибропреобразователя ,изображенная на чертеже ЦТРК 1902.013990.000СБ и на рис. 2.5. Чувствительный элемент 5 состоит из пьезоблока ТHВ-1, выполненного на основе титаната висмута.

Корпус  6 предназначен для соединения всех узлов и деталей  вибропреобразователя. Крышка 1 служит для крепления вибропреобразователя на исследуемом объекте и для  защиты чувствительного элемента от внешних факторов. Крепление  пьезоблока к корпусу осуществляется при помощи винта 2. Чтобы осуществить прижим пьезоблока ТНВ-1, более надежным при воздействии вибрации, к корпусу между  головкой винта 2 и шайбой 4 установлен гравер 3. Для фиксации пьезоблока  в корпусе между внутренним отверстием пьезоблока 5 и винтом 2 установлен кембрик 9.

 

 

Рис. 2.5. Вибропреобразователь пьезокерамический                                                  

                                                

Конструкцию пьезоблока ТНВ-1 отличает от других стандартных пьезоэлементов многослойность  структуры, выполненной в процессе изготовления и спекания пьезокерамики, что позволяет иметь единый пьезоблок. ТНВ-1 представляет собой керамический цилиндр диаметром 10 мм и высотой 8 мм с уже подготовленными двумя выводами, с внутренним отверстием диаметром 3 мм предусмотренном для крепления пьезоблока к корпусу. Эффективность пьезокерамики ТНВ-1 меньше, чем у ЦТС, но зато мы выигрываем в температурном диапазоне.

Технические характеристики пьезокерамики ТНВ-1 и наиболее близкой ей по параметрам ТВ-2, для сравнения, приведены в табли-це 2.2

Таблица 2.2

Технические характеристики пьезокерамики ТВ-2 и ТНВ-1.

Тип пьезо-керамики	Кол-во слоев	Емкость пФ
ТВ-2 ТНВ-1	2 2	120 100	680 930	145 100	15 10	1 1	13 8	0,85 0,8

 

Был проведен анализ титановых  сплавов ВТЗ-1, ВТ5, ВТ5-3,ВТ5, в процессе, которого рассматривались физико-механические свойства этих сплавов, а  также область их применения. Для получения большой жесткости конструкции и уменьшении ее веса, материалом для основания 6 и крышки 1 выбран сплав ВТЗ-1, ρ₀ = 4,5 г/см³, Е₀ = 1,15·10⁶ кг/см². Для уменьшения  шумов и исходя из данной рабочей температуры в конструкции преобразователя применен антивибрационный кабель 7 марки АВКТ-5 предназначенный для эксплуатации при температуре выше  +180ºС. Уровень шума кабеля 50 мкВ при ускорении 10д.

Крепление вибропреобразователя на объекте - жесткое. Оно осуществляется при помощи соединительных устройств, прижимающих сверху преобразователь к объекту.

 

 

 

4. Расчет основных параметров вибропреобразователя.

 

Для расчета параметров преобразователя нам требуется  знать плотность пьезоэлемента. Взвесим пьезоэлемент. m = 4,41320 г.

          Определим объем пьезоэлемента.

(π·0,005²)·0,008 – (π·0,0015²)·0,008 = 5,7176·10м³.

Найдем плотность пьезокерамики.

m/v = ρ,

4,4132·10/5,7176·10= 7,72·10³ кг/м³.

Собственная частота  измерительного вибропреобразователя определяется как частота резонанса при его установке на объекте, имеющем большую массу, упругими характеристиками  которого можно пренебречь.  На практике измерительный вибропреобразователь устанавливают на объекты, обладающие конечной  массой и жесткостью. В результате образуется сложная механическая система «объект-вибропреобразователь», резонансная частота которой существенно отличается от частоты преобразователя, измеренной в других условиях. Механические свойства объекта в месте установки вибропреобразователя можно характеризовать местным импедансом Z.  Присоединение к импедансу Z системы вибропреобразователя, состоящей из массы m и пружины К, образует новую механическую систему изображенную на рис. 2.2. с резонансной частотой:

.

Рис. 2.2. Механическая система  закрепленного на объекте вибропреобразователя.

 

Значение импеданса Z  можно определить экспериментально, а в некоторых случаях рассчитать аналитически. Резонансная частота  закрепленного на объекте вибропреобразователя оказывается зависящей от характеристики объекта и ее величина меньше ω_о. Резонанс механической системы измерительного вибропреобразователя вызывает подъем амплитудно-частотной характеристики и ограничивает рабочий диапазон в его верхней части. Амплитудно-частотная характеристика имеет подъем, связанный с возрастанием частоты, который зависит от свойств механической системы. Однако при малом демпфировании и при совмещении собственный частот, кривые для одномассовой системы и системы с  распределенными параметрами практически совпадают. Это дает возможность оценивать амплитудно-частотную характеристику по значениям собственной частоты измерительного вибропреобразователя. При этом задача расчета рабочего диапазона частот сводится к нахождению его собственной частоты. Влиянием крышки и кабеля на резонансную частоту можно пренебречь, т.к. существует ряд конструктивных приемов позволяющих исключить это влияние.

Тогда механическая система  вибропреобразователя с учетом контактной жесткости в месте стыка между основанием и объектом и с учетом распределенного характера элементов будет иметь вид, изображенный на рис. 2.3.

 

Рис. 2.3. Механическая система  вибропреобразователя с учетом контактной жесткости

 

Собственная частота  такой системы находится путем  решения трансцендентного уравнения  третьей степени. Анализируя результаты, полученные из решения трансцендентного уравнения, можно сделать вывод, что наиболее сильно влияет на резонансную частоту высота пьезоэлементов h2. Высота основания h1 влияет на резонансную частоту меньше. Контактные жесткости k1 и k2 имеют примерно одинаковое  влияние на  резонансную частоту. Для упрощения расчетов представляется возможным   перейти от сложной системы с распределенными параметрами к эквивалентной по основной  частоте системы с сосредоточенными параметрами (рис.2.4.).

 

Рис. 2.4. Эквивалентная по основной частоте система с сосредоточенными

параметрами вибропреобразователя

 

В дипломном проекте  предлагается использовать вибропреобразователь без инерционной массы, т.к. этим мы добиваемся подъема резонансной  частоты. Также к достоинствам преобразователей без инерционной массы следует  отнести малую восприимчивость  к деформации их основания. Деформация основания преобразователя может быть обусловлена деформацией объекта. На котором он закреплен. К недостаткам следует отнести небольшую потерю чувствительности.

При расчете преобразователя без инерционной массы, берем в расчетах массу инерционного тела равную одной трети массы пьезоэлемента, т.е.                         

                                   m1 = 1/3mn = 1/3·4,41320 = 1,471 гр.

Для обеспечения неравномерности  амплитудно-частотной характеристики в рабочем диапазоне частот не более ±20% необходимо, чтобы выполнялось условие , где d – неравномерность АЧХ, раз (100%+d);          f_гр – верхняя граничная частота рабочего диапазона.

Подсчитаем необходимую величину резонанса преобразователя,

если d = 20%:

 Гц.

Следовательно, резонансная  частота закрепленного на объекте 

вибропреобразователя  должна быть ω_о  ≥   735 кГц.

Величина контактной жесткости  зависит от многих характеристик:

шероховатостей, волнистости  материалов соприкасающихся поверхностей. Однако, большинство характеристик являются в определенном смысле средними характеристиками, поэтому контактную жесткость целесообразно определить экспериментально с учетом характеристик именно тех поверхностей, которые участвуют в работе.  Однако, для оценки можно воспользоваться некоторой идеализации картины контакта. Методика расчета изложена в работе.