Акселерометры лежат в основе вибродиагностики и испытаний двигателей и других узлов машин и механизмов. Измерители ускорения применяются и в системах навигации, причем точность обычных приборов позволяет вычислить координаты транспортного средства с погрешностью в несколько метров при удалении в сто километров от точки старта. А квантовые акселерометры обещают совсем избавить нас от необходимости сверять свои координаты с уязвимыми Глонас или JPS, что, естественно, вызывает повышенный интерес у военных. Системы сбора и обработка данных с датчиков вибрации являются часто безальтернативным подходом к мониторингу состояния и внешне неподвижных конструкций, таких как мосты и перекрытия цеховых зданий с работающим оборудованием.
Акселерометры используются по прямому назначению при измерениях/испытаниях в условиях непостоянства линейной или угловой скорости. Примером могут служить испытания двигателей в динамическом режиме с использованием контроллеров типа DSP 6000/7000. Динамический режим испытаний сокращает время сеанса испытаний, но куда более серьезный выигрыш получается в отказе от системы охлаждения имитаторов нагрузки двигателя, которые за короткое время ускоренных испытаний не успевают нагреться до неприемлемой температуры. Традиционно графики мощность/скорость, крутящий момент/скорость строились ступенчатым изменением скорости, так что после очередного шага-ступени делалась пауза для установления стационарного состояния испытательного стенда с испытываемым двигателем. После измерения параметров делался следующий шаг и так до конца интервала скоростей программы испытаний.
Разработчики Magtrol предложили метод постоянного ускорения, но для его реализации требуется контроллер типа DSP 6000/7000 или другой с функцией стабилизации ускорения. В любом случае к результату измерения требуется прибавить инерционную поправку на динамику вращения вала.
Датчики ускорения (акселерометры) чаще используются при измерениях вибраций, чем для измерения поступательных ускорений. Исключение составляет акселерометр, который, измеряя постоянное земное притяжение, помогает нам в смартфоне получить экран в режиме листа или альбома.
Нередко одноосевой акселерометр выполняют в виде консольной балки с двумя тензорезисторами, установленными на противоположных поверхностях балки, так что один из них реагирует на растяжение поверхностного слоя материала балки, а другой на сжатие противоположно расположенного слоя. Балка обладает собственной частотой колебаний (вспомните камертон) , и если Вы попытаетесь измерять колебательный сигнал, частота которого близка к собственной, точность измерения параметров вибрации окажется неприемлемо низкой.
Выравнивание характеристики датчика
Выравнивание характеристики - это сравнительно новый метод, позволяющий выровнять и расширить частотную характеристику микрофона, акселерометра, или согласующего устройства в реальном времени (Svend Gade и коллеги). Увеличением частотного диапазона датчиков добиваются повышения точности результатов измерений и расширения границ применения существующих датчиков. В результате один тот же микрофон становится возможным использовать в различных звуковых полях - поле давления, свободном поле и диффузном поле - независимо от типа микрофона. Можно даже выполнить коррекцию характеристик микрофона с учетом угла падения волны
(шагом в 30 градусов, т.е. для углов падения 0, 30, 60, 90, 120, 150 и 180 градусов) и наличия различных аксессуаров микрофона, например, защитных конусов, ветрозащитных экранов, сеток. Вполне достижимым результатом является повышение точности измерений на порядок. При профессиональной установке акселерометра на объект испытаний метод коррекции АЧХ позволит расширить рекомендуемый для использования частотный диапазон с 1/3 до 1/2 резонансной частоты акселерометра, т.е на 50%. Для достижения максимально возможной точности измерений нужно выбрать и применить адекватный способ выравнивания АЧХ.
Акселерометры и их частотная характеристика.
Все акселерометры при постоянном ускорении выдают постоянный выходной сигнал, начиная с очень низких частот и вплоть до предела, определяемого нарастанием выходного сигнала, вследствие резонанса акселерометра. Традиционно акселерометр не используется вблизи своего резонанса,т.к. это приводит к большим ошибкам в измеряемом сигнале. Без выравнивания характеристики акселерометр можно использовать примерно до 1/3 резонансной частоты. Это гарантирует, что ошибка на этих частотах не превысит 10% или 1 дБ. Коэффициент 0.3, умноженный на монтажную резонансную частоту, дает 10%-й предел, выше которого применение прибора не рекомендуется. Частотная характеристика на калибровочной таблице акселерометра, соответствует характеристике, полученной при креплении акселерометра с помощью штифта или металлического зажима. Крепление акселерометра с помощью стального штифта - это наилучший способ монтажа, и его следует использовать во всех случаях, когда это возможно. При использовании цементировочного штифта , тонкой двойной клейкой ленты, воска или густой смазки резонансная частота снижается, а, значит, сужается и рабочий частотный диапазон. Следует обратить внимание на то, что неправильный монтаж акселерометра может исказить результат вибрационных измерений, значительно сузив разрешенный к использованию частотный диапазон датчика ускорений. Чтобы не допустить уменьшения верхнего предела по частоте, нужно обеспечить максимально жесткий механический контакт между основанием акселерометра и поверхностью объекта испытаний, к которой он крепится. Калибровочная таблица акселерометра обычно входит в комплект поставки. В ней приводятся пять параметров (резонансная частота, добротность, верхний и нижний пределы по частоте и амплитудная коррекция/наклон), которые определяют частотную характеристику идеально смонтированного акселерометра.
Выравнивание характеристики может производится во временной области методом частотной дискретизации (Frequency Sampling). Преимущество метода состоит в том, что после выбора временного сигнала для выравнивания характеристики - выравнивание выполняется в реальном времени и применяется ко всем доступным видам анализа. В начале строится частотная характеристика G(f) датчика. Проинвертировав функцию получим спектр коррекции H(f)=1/G(f). Взяв обратное (быстрое) преобразование Фурье от спектра коррекции H(f), получим импульсную характеристику спектра коррекции h(t). Выравнивание во временном домене производится путем свертки входного сигнала, также представленного во временном (а не в частотном) домене с импульсной характеристикой спектра коррекции (фильтра выравнивания) h(t). Представленный метод коррекции работает, если с увеличением частоты происходит только искажение амплитуды колебаний, а фаза колебаний остается неизменной. Если фаза с ростом частоты тоже искажается, потребуется более сложная коррекция сигнала. Кроме того приведенные выше формулы предполагают бесконечный временной интервал сбора данных с датчика, а в реальности мы имеем дело с дискретным БПФ (быстрое преобразование Фурье) на вполне конечном интервале времени измерений. Это приводит к необходимости корректировки частотной характеристики с использованием дополнительных алгоритмов учета ограниченности временного интервала сеанса измерения. А это уже дополнительное достаточно непростое ПО. Кроме того, корректировка не может быт заложена в паспорт датчика, так она зависит от способа и качества монтажа. Не случайно резонансную частоту называют монтажной резонансной частотой. Её можно определить корректно после монтажа. Существуют методы её вычисления для пьезоэлектрических акселерометров с использованием обратного пьезоэффекта.
Резонанс пьезодатчика-ускорения определяется по росту амплитуды, (который может достигать сотни процентов при высокой добротности осциллятора,) и наличию сдвига фаз колебаний на π/2 относительно опорного сигнала (два отличительных признака состояния резонанса). (патент СССР 1382118, US 8132459B2, 5528933)
Имеется даже техническое решение для случая, когда испытываемый на вибрации объект не останавливают для определения резонанса и при анализе отклика на тестовое возбуждение отфильтровывают из него рабочую вибрацию объекта.
В связи со всем вышесказанным стоит обратить внимание на присланный к нам одним из Старт-Ап-ов следующий простой алгоритм коррекции частотной характеристики с помощью параметрической модели. Первым и самым главным этапом коррекции является определение (первой) резонансной частоты датчика ускорения. Если посмотреть на реальные графики амплитудно частотной характеристики большинства реально используемых датчиков ускорения, то можно заметить их внешнее сходство независимо от того, какие чувствительные элементы используются, тензорезисторные или пьезоэлектрические. Для всех из них картинка однотипна. Примерно в начале частотного интервала, не превышающего 1/3 от резонансной частоты идет плавное повышение характеристики, достигающее примерно 10% от номинала, а дальше идет уже более сильное повышение, кульминацией которого является частота резонанса, в которой ошибка будет достигать уже десятки если не сотни процентов. Такая однотипность поведения позволяет построить так называемую параметрическую (пружинно-массовую ) модель, в которую заложена монтажная частота резонанса датчика и декремент затухания, или связанная с ним добротность механической колебательной системы. Для того, чтобы избежать больших амплитуд колебаний консольной балки тензометрического акселерометра вблизи резонансной частоты, балку с чувствительными тензорезисторами помещают в герметичную капсулу с очищенным силиконовым маслом, или другими жидкостями, вязкость которых в меньшей степени зависит от температуры. Акселерометр укрепляют на объекте испытаний и снимают показания датчика в требуемом интервале частот. После этого методом наименьших квадратов (с возможными специальными весовыми функциями, позволяющими акцентировать коррекцию в определенном интервале частот) получают коэффициенты параметрической модели. При практических измерениях полученный с датчика сигнал ускорения, содержащий ошибки резонансной природы, делится на коэффициент параметрической модели. Упрощенный вариант такой коррекции амплитудно-частотной характеристики описан в Стандарте Р ИСО 5348-99.
Начинающим испытателям задача вибрационной диагностики кажется очень простой. Особенно при наличии одно-двухканального анализатора вибраций. Но после приобретения некоторого практического опыта иллюзия простоты улетучивается. Не случайно компания Fluke так много внимания уделяет вопросам контакта датчика с испытываемым объектом, углу наклона, силе прижатия. Стендовые испытания на вибрацию и мониторинг состояния машин и оборудования также не могут игнорировать эти вопросы, если требуются воспроизводимые точные результаты испытаний, особенно долговременные, при которых монтажный узел акселерометра может деградировать. Это особенно актуально при невозможности штифтового монтажа датчика.
Обращаясь к нам за помощью вы можете быть уверены в том, что наш стенд испытания двигателя или другой испытательный стенд будет обеспечивать получение точных и стабильных результатов динамических испытаний, включая долговременные ресурсные испытания.
