2.6 Формирование требований к диагностической аппаратуре
На основании изложенного можно сформулировать следующие требования для диагностического комплекса.
Система виброакустического диагностирования станка должна иметь высокоскоростной блок сбора и обработки данных.
Рабочий диапазон частот вибродатчика (акселерометра/пьезодатчика) должен составлять 500-5000 Гц, а акустического датчика 4-6 кГц
Система должна обладать: высокочастотным АЦП, внешним устройством для записи полезной информации. Соединения датчиков и блоков обработки информации должны быть помехозащищенными, влагоустойчивыми, а также устойчивыми к понижению и повышению температуры. Этим требованиям должны удовлетворять все комплектующие к аппаратуре.
Глава 3. Разработка системы диагностики
|
3.1 Разработка структуры системы диагностики В соответствии с требованиями, предъявляемыми к разрабатываемой системе виброакустического диагностирования станка, составим ее структурную схему.
Рис 3.1 Структурная схема системы диагностики где : ВД (ДД) – вибродатчик (датчик детонации), АД – акустический датчик (микрофон), модуль АЦП – модуль аналого-цифрового преобразователя, PC – персональный компьютер
В качестве вибродатчика в данной схеме используется широкополосный датчик детонации 18.3855-01. Аналоговый сигнал с датчика детонации поступает на вход схемы нормализации. Схема нормализации нужна для того, чтобы привести сигнал с датчика детонации ко входному диапазону модуля АЦП. После схемы нормализации аналоговый сигнал поступает на вход АЦП, после чего оцифрованный сигнал подается в цифровой процессор персонального компьютера, где производится его обработка. В качестве модуля АЦП применяется стандартный модуль Е14-440. В качестве акустического датчика используется микрофон. |
|
|
3.2 Выбор вибродатчика (датчика ускорения)
3.2.1. Датчики ускорения
Датчики ускорения (акселерометры) – это датчики, реагирующие на ускорение или силу, действующую на сенсорный элемент датчика. Ускорение, статическое или динамическое, возникает под действием силы, ускоряющей датчик, например, вследствие действия гравитации. Следовательно, акселерометры могут применяться для измерения силы, ускорения, вибрации, движения или перемещения, а также положения и угла наклона.
Датчики ускорения широко применяются в автомобильной электронике для измерения ускорения автомобиля в различных направлениях, для измерения вибраций в системах контроля состояния шасси, в АБС, в системах защиты от опрокидывания и в противоугонных устройствах. Также акселерометры находят применение в регистраторах ударов и вибраций, в спортивных диагностирующих приборах, в ударных выключателях.
Принцип работы датчика ускорения
Принцип работы датчика ускорения в общих словах такой: при воздействии на подвижный элемент датчика массой возникает смещение, пропорциональное ускорению. Независимо от конструкции датчика ускорений его основная цель заключается в детектировании перемещения этой массы относительно корпуса устройства и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Поэтому другой составной частью всех акселерометров является детектор перемещений, способный измерять микроскопические амплитуды вибрационных колебаний или линейных ускорений.
На рис. 3.2 показана конструкция емкостного акселерометра, изготовленного с использованием МСТ (микросистемная техника). В кристалле кремния 1 вытравлены участки 2 так, что значительная инертная масса 3 механически отделена от других частей акселерометра. Она соединена с ними лишь тонкими перемычками 4, которые играют роль упругих элементов. На небольшом расстоянии (~10 мкм) от кристалла кремния сверху и снизу расположены металлические электроды 5 и 6. Роль демпфера играет вязкая непроводящая жидкость, которой заполняется пространство между электродами и кремнием.
Рис. 3.2 Конструкция емкостного акселерометра
Инертная масса 3 в такой конструкции может перемещаться только по вертикали. Электрические ёмкости между ней и верхним (нижним) электродами включены в противоположные плечи электрической мостовой схемы переменного тока. Её балансируют так, чтобы при отсутствии ускорения сигнал на выходе равнялся нулю. Когда объект, на котором установлен акселерометр, движется с ускорением, направленным вдоль оси сенсора, инертная масса 3 смещается из положения равновесия, вследствие чего одна из емкостей возрастает, а другая уменьшается. Из-за нарушения баланса на выходе мостовой схемы появляется напряжение соответствующего знака и тем большее, чем больше ускорение. Мостовую электрическую схему, необходимые электронные ключи, усилители, элементы термокомпенсации – все, что требуется для обработки сигналов и калибровки акселерометра, – формируют ныне методами МСТ на том же кристалле кремния.
В описанной конструкции акселерометра ускорение, которое и является здесь первичным информационным сигналом, сначала превращается в линейное перемещение инертной массы. Перемещение, в свою очередь, преобразуется в изменение емкости верхнего и нижнего конденсаторов, а последнее – в электрический сигнал.
Сегодня используются три технологии построения акселерометра:
Пьезоэлектрические акселерометры – самый распространенный вид акселерометров, которые широко используются для решения задач тестирования и измерений. Такие акселерометры имеют очень широкий частотный диапазон (от нескольких Гц до 30 кГц) и диапазон чувствительности, а также выпускаются в различных размерах и формах. Выходной сигнал пьезоэлектрических акселерометров может быть зарядовым (Кл) или по напряжению. Датчики могут использоваться для измерений как удара, так и вибрации.
Пьезорезистивные акселерометры обычно имеют малый диапазон чувствительности, поэтому они больше подходят для детектирования ударов, чем определения вибрации. Еще одна область их применения – испытания на безопасность при столкновении. В большинстве своем пьезорезистивные акселерометры отличаются широким диапазоном частот (от нескольких сотен Гц до 130 кГц и более), при этом частотная характеристика может доходить до 0 Гц (т.н. DC датчики) или оставаться неизменной, что позволяет измерять сигналы большой продолжительности.
Акселерометры на переменных конденсаторах относятся к компонентам новейших технологий. Как и пьезорезистивные акселерометры, они имеют выход по постоянному току. Такие акселерометры отличаются высокой чувствительностью, узкой полосой пропускания (15–3000 Гц) и отличной температурной стабильностью. Погрешность чувствительности в полном температурном диапазоне до 180°C не превышает 1.5 %. Акселерометры на переменных конденсаторах используются для измерений низкочастотной вибрации, движения и фиксированного ускорения.
Измеряемые параметры
Параметры, измеряемые акселерометрами, можно сгруппировать в следующие классы:
Измерение вибрации: объект вибрирует, если он производит колебательные движения относительно положения равновесия. Вибрацию измеряют в транспортной и аэрокосмической промышленности, а также на промышленном производстве.
Измерение ударных ускорений: внезапное возбуждение структуры, создающее резонанс. Ударный импульс может создаваться взрывом, ударом молотка по предмету или в результате столкновения с другим объектом.
Измерение движения: медленное перемещение со скоростью от доли секунды до нескольких минут, например, перемещение руки робота или подвеска автомобиля.
Сейсмоисследования: измерения малых перемещений и низкочастотной вибрации. Такие измерения требуют специализированных малощумящих акселерометров с высокой разрешающей способностью. Акселерометры для сейсмоисследований контролируют движения мостов, полов, а также определяют землетрясения.
Для измерения вибрации используются емкостные и пьезоэлектрические акселерометры. Пьезоэлектрические акселерометры благодаря их широкой частотной характеристике, хорошей чувствительности и высокой разрешающей способности. В зависимости от типа выходного сигнала они могут быть с зарядовым выходом и с выходом по напряжению (IEPE).
В последнее время широко используются акселерометры с вольтовым выходным сигналом, поскольку они удобны в применении. Несмотря на разнообразие торговых марок и модификаций, все производители компонентов этой группы придерживаются единого псевдо-стандарта, поэтому легко заменяемы между собой. Обычно такие акселерометры имеют в своей структуре усилитель заряда, поэтому не требуют дополнительных внешних компонентов. Всё, что нужно для подключения акселерометра – это источник постоянного тока. Таким образом, для измерения вибраций в известном диапазоне и в пределах температурной нормы -55…125°C (до 175°C для высокотемпературных моделей) рекомендуется использовать пьезоэлектрические акселерометры с выходным сигналом по напряжению.
Преимущества акселерометров с зарядовым выходом проявляются в возможности работы при высоких температурах и в широком диапазоне амплитуды, который определяется настройками усилителя заряда (заметим, что акселерометры по напряжению имеют фиксированный диапазон амплитуды). Типичный рабочий диапазон температур составляет -55…288°C, а специализированные компоненты могут работать в диапазоне -269…760°C.
Однако в отличие от IEPE акселерометров, емкостные датчики требуют применения специальных малошумящих кабелей, цена которых значительно превышает цену на стандартные коаксиальные кабели. Для подключения датчиков также потребуются усилители заряда и линейные конвертеры. Подводя итоги, можно придти к заключению, что емкостные акселерометры предпочтительны для высокотемпературных измерений неизвестных заранее ускорений.
Для измерения вибрации очень малой частоты, рекомендуется использовать акселерометры на переменных конденсаторах (VC). Их частотная характеристика составляет от 0 Гц до 1 кГц, в зависимости от требуемой чувствительности. При проведении измерений низкочастотной вибрации VC акселерометр с частотной характеристикой 0–15 Гц будет иметь чувствительность 1В/g. Такие датчики незаменимы в электрогидравлических шейкерах, в автомобилестроении, в тестовых испытаниях машин и конструкций, в системах подвески, железнодорожном транспорте.
Для измерений ударных ускорений используются две технологии, модельный ряд представлен компонентами на различный уровень силы удара и с различными выходными характеристиками. Выбор акселерометра для ударных ускорений, в первую очередь, зависит от ожидаемого уровня ударного ускорения.
Низкий уровень <500g
Столкновение <2000g
Поле в дальней зоне 500–1000g, датчик на расстоянии 2 метров от точки удара. Поле в ближней зоне >5000g, датчик на расстоянии менее 1 метра от точки удара.
Для измерения малых ударных ускорений можно использовать акселерометры общего применения. Акселерометр должен иметь линейный диапазон до 500g и ударопрочность 500g. Обычно для этого используются датчики с выходным сигналом по напряжению, поскольку они не чувствительны к кабельным вибрациям. Для аттенюации резонанса рекомендуется использовать усилитель с фильтром нижних частот.
Для тестовых испытаний машин на безопасность используются пьезорезистивные акселерометры.
Для измерения движения, фиксированного ускорения и низкочастотной вибрации подходящим выбором станут акселерометры с переменной емкостью. Они позволяют измерять медленные изменения ускорения и низкочастотную вибрацию, при этом уровень их выходного сигнала достаточно высок. Также, такие датчики обеспечивают высокую стабильность в широком диапазоне рабочих температур.
При установке VC акселерометра в положение, когда его ось чувствительности параллельна оси земного притяжения, выходной сигнал датчика будет равен усилию в 1g. Такая закономерность известна как DC отклик. Благодаря такой особенности, акселерометры на переменных конденсаторах часто используются для измерений центробежной силы или ускорений и замедлений подъемных устройств.
Таким образом, по рабочему диапазону частот в системе можно использовать только пьезоэлектрический датчик, например такой, который используется в качестве датчика детонации в системе управления двигателем внутреннего сгорания.