Приборы и техника эксперимента, 2019, № 5, стр. 130-134

При планировании измерений ускорений необходимо правильно выбирать пьезоакселерометр, учитывая, что нижняя собственная частота ${{f}_{{\text{з}}}}$ закрепленного пьезоакселерометра должна быть много больше частоты измеряемого сигнала f. В общем виде эта задача решена в [1]. На практике для исключения искажения частоты измеряемого сигнала используют более простые соотношения, например ${{f}_{{\text{з}}}} \geqslant 12f$.

В силу различных причин не всегда возможно установить пьезоакселерометр непосредственно на объект испытаний, в связи с чем для закрепления пьезоакселерометров могут применяться прокладки, кронштейны, клеи различной жесткости и т.д. В зависимости от способа закрепления пьезоакселерометра его нижняя собственная частота ${{f}_{{\text{з}}}}$ может значительно изменяться (чаще всего снижаться), из-за чего измеренный сигнал может быть недостоверным либо измерен с большой погрешностью [2–4]. Даже увеличение слоя клеевого соединения для одной и той же пары “датчик–объект испытаний” приводит к снижению нижней собственной частоты пьезоакселерометра. Например, нижняя собственная частота пьезоакселерометра АП7(АП11), установленного на герметик ВГО-1 с толщиной клеевого слоя 0.15–0.2 мм, составляет ≥15 кГц, а при толщине клеевого слоя 0.7 мм – не более 8 кГц [4].

При закреплении на объекте испытаний нескольких пьезоакселерометров одним и тем же способом технологически сложно обеспечить одинаковую толщину клеевого слоя, а значит, и необходимую нижнюю собственную частоту пьезоакселерометров, которая будет различаться иногда существенно. На практике оперативно проконтролировать толщину клеевого слоя и качество клеевого соединения датчика с объектом испытаний, особенно если датчик установлен внутри объекта испытаний, не представляется возможным. Поэтому определение нижней собственной частоты пьезоакселерометра после его установки на объект испытаний, по мнению авторов, является актуальной задачей.

Электрический способ определения нижней собственной частоты пьезоакселерометра в закрепленном состоянии предлагает фирма “Bruel & Kjaer” (www.bksv.ru). С использованием усилителя NEXUS 2692-С-001 (далее NEXUS) этой фирмы проводится тест “определение установочного резонанса” (Measure Resonance Test – MRT). Основные характеристики этого усилителя приведены ниже:

– номинальный предел преобразования зарядов 10⁵ пКл;

– выходное напряжение ≤10 В;

– номинальные коэффициенты преобразования от 10^–5 до 10 В/пКл;

– верхние граничные частоты 0.1, 1, 3, 10, 22.4, 30, 100 кГц.

MRT осуществляется следующим образом. На входе усилителя, к которому подключен пьезоакселерометр, формируется разнополярный прямоугольный импульс напряжения амплитудой 15 В со скважностью 2 установленной длительности (от 0.01 до 0.1 мкс), возбуждающий вибрацию чувствительного элемента пьезоакселерометра. Затем усилитель NEXUS переключается в режим измерения и в автоматическом режиме измеряет время T, затраченное на регистрацию N периодов сигнала отклика датчика (N задано алгоритмом теста). После проведения измерений рассчитывается измеренная частота F = N/T, которая высвечивается на экране усилителя. Необходимо отметить, что в отклике пьезоакселерометра, помимо собственной частоты колебаний закрепленного пьезоакселерометра, также содержатся частоты, вызванные колебаниями инерционной массы, входящей в состав пьезоакселерометра (собственная частота колебаний незакрепленного пьезоакселерометра).

На практике попытка применить MRT к отечественным пьезоакселерометрам АР77М производства фирмы ООО “ГлобалТест” (г. Саров, www.globaltest.tu) и АП11, АП8 производства ФГУП “Уральский электромеханический завод”, (г. Екатеринбург, www.uemz.ru), закрепленным на объекте испытаний, положительного результата не дала: результаты теста имели случайный характер и не соответствовали значениям нижней собственной частоты пьезоакселерометра, приведенным в [2, 4]. Возможной причиной этого было отличие конструкций датчиков АП11, АР77М, АП8 от датчиков фирмы Bruel & Kjer (для сравнения был взят датчик типа 4344). Датчики АП11 АП8 и Bruel&Kjer 4344 (рис. 1а, 1б) построены по компрессионной схеме, однако поджатие пьезоэлемента в АП11 и АП8 обеспечивается верхней крышкой датчика, а в датчике Bruel & Kjer 4344 – с помощью винта, закручиваемого в основание датчика [2]. Датчик АР77М построен по сдвиговой схеме (рис. 1в).

Рис. 1.

Конструкции пьезоакселерометров: а – Bruel&Kjer 4344; б – АП8 и АП11; в – АР77. 1 – крышка корпуса; 2 – тарельчатая пружина; 3 – винт; 4 – инерционный элемент; 5 – пьезокерамика; 6 – токовывод; 7 – корпус; 8 – резьбовое отверстие для съемной шпильки; 9 – шарик; 10 – несъемная шпилька (хвостовик); 11 – электроизоляционная втулка; 12 – коническая опора; 13 – отверстие для ввода кабеля; 14 – кабель; 15 – узел ввода кабеля; 16 – проволочный бандаж; 17 – внешняя изоляция; 18 – экран; 19 – внутренняя изоляция; 20 – жила; 21 – припой, скрепляющий бандаж; 22 – припой, закрепляющий узел ввода кабеля в корпусе.

Нами было предложено дополнить MRT спектральным анализом отклика пьезоакселерометра, регистрируемого по схеме, представленной на рис. 2. При проведении MRT регистрация отклика пьезоакселерометра проводилась первым каналом осциллографа АКИП 4122/4, а вторым каналом регистрировался возбуждающий импульс напряжения, формируемый усилителем NEXUS S/N 2645254. После регистрации вычислялся спектр быстрого преобразования Фурье (б.п.Ф.) отклика пьезоакселерометра. Экстремум на спектре б.п.Ф. определял нижнюю собственную частоту пьезоакселерометра.

Рис. 2.

Схема проведения MRT.

В ходе исследований было проведено 30 экспериментов с пьезоакселерометрами типа АП11, АР77М, АП8, закрепленными различными способами (рис. 3). При определении собственных частот незакрепленного пьезоакселерометра последний подвешивался за собственный кабель.

Рис. 3.

Схемы закрепления пьезоакселерометров: а – АП11, закрепленного цианокрилатным клеем ТК-200 через текстолитовую прокладку толщиной 3 мм; б – АП8, закрепленного на резьбе; в – АР77М, закрепленного на ВГО-1 через текстолитовую прокладку толщиной 3 мм.

Значения полученных нижних собственных частот пьезоакселерометров в закрепленном и незакрепленном состояниях приведены в табл. 1, 2. Характерные примеры зарегистрированных сигналов представлены на рис. 4. Согласно графикам спектра б.п.Ф., приведенным также на рис. 4, экстремум спектра на нижней собственной частоте пьезоакселерометров в закрепленном и незакрепленном состояниях хорошо различим. Амплитуда этого пика увеличивается с приближением частоты возбуждающего электрического импульса, генерируемого усилителем NEXUS, к частоте собственных колебаний чувствительного элемента пьезоакселерометра.

Рис. 4.

Характерные примеры зарегистрированных сигналов: а – для пьезоакселерометра в закрепленном состоянии; б – для пьезоакселерометра в незакрепленном состоянии. Вверху – сигналы на входе регистратора: штриховая линия – возбуждающий импульс, сплошная линия – отклик пьезоакселерометра; внизу – спектр б.п.Ф. отклика пьезоакселерометра.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы.

1. Использование MRT усилителя NEXUS для определения нижней собственной частоты отечественных пьезоакселерометров АП11, АР77М, АП8, установленных на объект испытаний с помощью клеевого соединения, показало, что полученные результаты носят случайный характер.

2. Дополнение MRT усилителя NEXUS спектральным анализом отклика пьезоакселерометра на возбуждающий импульс напряжения позволяет получить корректные значения нижних собственных частот колебаний пьезоакселерометров в закрепленном и незакрепленном состояниях, которые согласуются с данными работы [4] и с паспортными данными (ТУ) на датчик.

3. Использование MRT усилителя NEXUS в сочетании со спектральным анализом отклика пьезоакселерометра позволяет перед испытаниями достаточно оперативно определять нижнюю собственную частоту установленного на объект пьезоакселерометра. Проверенное таким образом качество закрепления пьезоакселерометра на объекте испытаний снижает риск получения недостоверной измерительной информации.

4. Метод спектрального анализа отклика пьезоакселерометра на возбуждающий импульс не привязан к предложенной измерительной системе, его можно реализовать с другими измерительными системами и пьезоакселерометрами или создать на его базе прибор для оценки качества закрепления пьезоакселерометров.