Виброакустические измерения. Средства измерения вибраций и шумов. Датчики вибрации, страница 5

В настоящее время все чаще применяется структура реализации рис. 4.7 на основе внешней выносной части 

4.3. Датчики вибрации

Пьезоэлектрические преобразователи

В настоящее время для измерения динамических процессов, таких как импульсы давления, вибрации и т. п., наиболее широко применяются пьезоэлектрические преобразователи, действие которых основано на прямом пьезоэффекте в некоторых кристаллических материалах.

Раньше пьезоэлектрические преобразователи использовали только при измерении ускорений в высокочастотном диапазоне вибраций. Сейчас разработаны системы, позволяющие использовать подобные преобразователи для измерения виброскорости и виброперемещения при частотах вибрации от единиц и даже десятых долей герца.

Как и большинство других датчиков вибрации пьезоэлектрические преобразователи построены по принципу сейсмических датчиков (рис. 4.8). Инерционный элемент (сейсмическая масса) прикреплен к верхней грани пьезоэлемента, нижняя грань которого крепится к корпусу. При установке преобразователя на исследуемом объекте преобразователь воспринимает вибрацию объекта. Вследствие стремления инерционного элемента сохранить состоянии покоя, пьезоэлемент деформируется от действия на него инерционной силы F = ma, где m – масса инерционного элемента, a – ускорение объекта. Так как деформация пьезоэлемента и возникающий при этом электрический заряд пропорциональны ускорению, то эти преобразователи часто называют пьезоакселерометрами[3].

Основными достоинствами пьезоакселерометров являются широкий диапазон рабочих частот, малая чувствительность к магнитным полям, большая вибрационная и ударная прочность, возможность создания преобразователей с малыми размерами и массой. Для повышения ударной прочности применяют дополнительное поджатие инерционной массы к пьезоэлементу, как это сделано в акселерометрах типа 1ПА-6 и 1ПА-7.

Для повышения чувствительности преобразователей увеличивают инерционную массу, применяют пьезокерамику, обладающую высоким пьезомодулем, а также используют изгибные деформации пьезоэлемента (рис. 4.9). В качестве примера высокочувствительных акселерометрами, построенных с использованием принципа изгибных деформаций, можно привести отечественные акселерометры Д19, ИС-598 и ИС-598А.

Наряду с чувствительностью, одной из важнейших характеристик датчиков вибрации является частотный диапазон. Для снижения нижней границы частотного диапазона в качестве предварительных усилителей применяют усилители заряда, а увеличение верхней граничной частоты достигается снижением массы датчика и качественным креплением его к объекту (например, с помощью резьбового соединения).  Для уменьшения массы корпуса акселерометра его изготавливают из материалов малой плотности типа титана и дюралюминия.

Табл. 4.6

Характеристики некоторых отечественных и зарубежных пьезоэлектрических преобразователей приводятся в таблице 4.6. Приведенная в таблице резонансная частота f_р у большинства датчиков связана с верхней границей частотного диапазона f_в соотношением:

                                                                     4.5

Индукционные преобразователи