Вибропреобразователи и регистрирующая аппаратура

Жесткие требования к виброизмерительным приборам, касающиеся их чувствительности, точности, малой инерционности и массы, скорости измерений и возможности вести наблюдении законструкцией до разрушения, способствова­ли широкому применению при динамических испытаниях первичных вибропреобразователей. Вибропреобразователь - входное звено электрической цепи дистанционно ра­ботающего прибора. Он преобразует измеряемую величину и другую, эквивалентную ей, которую регистрируют вторич­ным прибором, расположенным на некотором расстоянии от испытываемой конструкции. Механическую величину, воспринимаемую преобразователем, называют входной (входной сигнал), а преобразованную - выходной (выход­ной сигнал). Между этими величинами существует линей­ная или нелинейная функциональная связь. Желательно, чтобы характеристики первичного прибора были линейными.

Первичные вибропреобразователи под­разделяются на пассивные, вырабатывающие при измере­ниях электродвижущую силу, и активные, изменяющие при работе какой-либо электрический параметр, например ин­дуктивность, емкость или сопротивление. Из числа пассивных наибольшее применение нашли индукционные вибро­преобразователи, гораздо реже встречаются пьезоэлектри­ческие.

Индукционный вибропреобразователь состоит из корпуса, инерционной массы и индукционного элемента, ко­торый содержит постоянный магнит и электрическую ка­тушку. Принципиальная схема индукционного преобразо­вателя с осевой подвеской инерционной массы показана на рис. 9.3, а.Для повышения чувствительности прибора к вращательной составляющей колебаний осевую подвеску инерционной массы заменяют маятниковой (рис. 9.3, б).

Пьезоэлектрический вибропреобразователь (рис 9.4) состоит из инерционной массы, пьезоэлемента и металлических обкладок. Работа вибропреобразователя основана на свойстве некоторых веществ (кварц, пьезокерамика) электрически поляризоваться пропорционально приращению механической силы. С их помощью можно измерить параметры быстроизменяющихся динамических про­цессов: давления, перемещения, скорости и ускорения.

В числе активных вибропреобразователей имеются ин­дуктивные, емкостные и резистивные.

Индуктивный вибропреобразователь состоит из од­ной или нескольких катушек индуктивности и ферромагнит­ного сердечника — магнитопровода. За счет изменения зазора в магнитопроводе (рис. 9.5, а) или положения сердечника в катушке (рис. 9.5, б) происходит изменение индуктивного сопротивления катушки и тока цепи.

 

а б

 

Рис.9.3. Индукционные вибропреобразователи с подвеской инерционной массы:

а- осевой; б – маятниковый; 1- корпус; 2- магнитный сердечник;

3- электрическая катушка; 4 – маятниковый рычаг

 

 

Рис.9.4. Схема пьезоэлектрического вибропреобразователя:

1 – корпус; 2- инерционная масса; 3 – пьезоэлемент; 4- металлические обкладки

 

По из­менению тока судят о параметрах колебаний. Вибропреобразователи с переменным воздушным зазором имеют вы­сокую чувствительность, при малых перемещениях от 0,1 до 1 мм. При подвижном сердечнике можно измерять перемещения до 60 мм. Для уменьшения помех и повышения точности измерений применяют дифференциальные индуктивные виброобразователи (рис. 9.5, в)с двумя магнитными системами, включенными в противоположные плечи измерительной схемы

Емкостные виброобразователи состоят из метал­лических пластин-электродов, разделенных диэлектриком, и позволяют с большой точностью измерять линейные и угловые перемещения.

Емкость конденсатора зависит от зазора между пласти­нами (рис. 9.5 ), изменения площади пластин конден­сатора при их взаимном перемещении (рис. 9.6, б ) или изменения диэлектрической проницаемости (рис. 9.6, в).

Емкостные вибропреобразователи обладают высокой чувствительностью, однако требуют защиты от посторонних электрических полей, реагируют на изменение температуры и влажности, поэтому для динамических испытаний строи­тельных конструкций применяются редко.

Для измерения перемещений и деформаций наиболее широко применяются резистивные вибропреобразователи.

Резистивный вибропреобразователь, или тензорезистор, закрепленный на конструкции, при ее загружении изменяет электрическое сопротивление в зависимости от деформации.

 

 

Рис.9.5. Индуктивные вибропреобразователи:

а – с переменным воздушным зазором; б - с подвижным сердечником;

в - дифференциального типа; 1- якорь; 2- сердечник; 3- обмотка

Тензорезисторы применяются как при стати­ческих, так и при динамических испытаниях конструкций. При динамических испытаниях тензорезистор является первичным прибором, сигнал которого подается на тензоусилитель и записывается вторичным прибором — осцилло­графом. К динамическим характеристикам тензорезисторов относятся: собственная частота, динамическая чувствитель­ность и динамический диапазон измерений. Собственная частота наклеенного тензорезистора составляет 100 - 300 кГц. Динамическая чувствительность тензорезпсторов зависит от их базы и длины продольной волны (рис. 9.7, а). Базу рекомендуется выбирать так, чтобы . В зависимости от конструкции решетки, вида основы и спо­соба соединения выводных проводов динамический диапазон измерений тензорезисторов находится в пределах 10⁷-10³ симметричных циклов изменения напряжений. Наи­большей стойкостью отличаются тензорезисторы на пленоч­ной основе с петлевой решеткой из медно-никелевых пластифицированных сплавов. Повышения динамической стойко­сти тонзорезисторов достигают введением разгружающих петель (рис. 9.7, в),отгибом основы за пределами базы (рис. 9.7, б)или креплением выводных проводов под углом к оси решетки (рис. 9.7, г).

Для измерения ускорений и других параметров вибра­ций применяют также тензорезистивные вибропреобразова­тели, состоящие из упругих металлических элементов с на­клеенными в зоне наибольших деформаций тензорезисторами.

 

Рис. 9.6. Схемы ёмкостных вибропреобразователей

Рис.9.7. К определению базы и способов повышения

динамической стойкости тензорезисторов

 

Вторичные приборы для динамических испытаний ком­плектуются: усилителями, осциллографами, быстродейству­ющими самопишущими приборами, магнитографами, эпюрографами и вспомогательными приборами. Вибропреобра­зователи, имеющие на выходе сигнал достаточной величины и нечувствительные к изменениям температуры, подклю­чаются к вторичному прибору непосредственно. Если мощ­ность выходного сигнала недостаточна, применяют усили­тели.

 

Рис. 9.8. Схема включения активного и компенсационного

тензоризисторов при динамических испытаниях:

1 – усилитель; 2 - осциллограф

 

Тензометрические усилители предназначены для усиления сигналов от тензорезисторов, включенных в полумостовую или мостовую схему (рис. 9.8). Наиболее распространенными являются усилители 8АНЧ-7М, ТА-5 и универсальная тензометрическая станция с внутренней гра­дуировкой УТС-1-ВТ-12. Несущая частота усилителя 8АНЧ-7М -3,5 кГц, ТА-5 - 7,5 кГц, УТС-1-ВТ-12 - 35 кГц. Частота измеряемого процесса должна быть в 5- 7 раз ниже и находиться в пределах 0-7000 Гц.

Каждый из усилителей состоит из автономного или встро­енного блока питания, нескольких однотипных блоков, ге­нератора несущей частоты, указателя выходного тока, тумб­леров, ручек и шлицев включения, настройки, градуировки и балансировки моста. Выходы усилителей рассчитаны на подключение гальванометров светолучевых осциллографов. Принцип работы усилителей заключается в том, что рабо­чий тензорезистор, наклеенный на конструкцию, подключа­ется к прибору и предварительно балансируется при ненагруженном состоянии конструкции. Стрелка гальванометра устанавливается на ноль. При нагружении конструкции вследствие деформации тензорезистор изменяет свое сопро­тивление, происходит разбаланс моста и появляется напря­жение несущей частоты, которое усиливается и подается на фазочувствительный детектор с фоном несущей частоты. Полученный на выходе сигнал пропорционален измеряемой деформации. Этот сигнал подается па миллиамперметр или гальванометр осциллографа. В каждом блоке усилителя имеется переключатель для ступенчатого измерения коэф­фициента усиления. Приборы типа «Топаз» и «Нефрит» - усилители постоянного тока, работают па транзисторах. К усилителю «Нефрит», кроме гальванометров светолучевых осциллографом, могут быть подключены электронные осциллографы и магнитограф.

Светолучевые осциллографы предназначены для визуалынго наблюдения и синхронной записи на фотоленте функций одной или нескольких (до 30). исследуемых величин времени, называемых осциллограммами. Это обеспечивается набором гальванометров с различными собственными частотами и широким диапазоном скоростей дви­жения фотоленты. Ток от первичного прибора проходит по петле или рамке гальванометра и, взаимодействуя с магнит­ным полем, вызывает поворот зеркала пропорционально то­ку. Световой луч (рис. 9.9) проходит через систему линз и отражается от зеркала гальванометра на движущуюся фотоленту. Вращающийся зеркальный барабан дает раз­вертку изображения на экране для визуального наблюдения и позволяет выбрать скорость и масштабы так, чтобы от­дельные осциллограммы, полученные от нескольких гальва­нометров, не накладывались друг на друга и были пригод­ны для последующей расшифровки.

 

 

Рис. 9.9. Принципиальная схема светолучевого осциллографа:

1 – лампа; 2 – конденсатор; 3,6 – линзы; 4 – зеркало гальванометра;

5 – гальванометр; 7 – фотолента; 8 – зеркало; 9 – барабан; 10 - экран

 

Электронно-лучевые осциллографы применяются для визуального наблюдения и фотографирования высокочастотных процессов, когда светолучевые осцилло­графы непригодны. Электронно-лучевые осциллографы С 8-9А, С 8-1 и С 8-12 снабжены запоминающими элек­тронно-лучевыми трубками, обеспечивающими сохранность в течение определенного времени записанного изображения и возможность его повторного воспроизведения.

Быстродействующие самопишущие при­боры применяют для регистрации 1-9 процессов с часто­той до 100 Гц и более (рис. 9. 10). Принцип работы самопи­шущих приборов основан на повороте в магнитном поле рамки из тонкого провода, к которой прикреплен пишущий рычаг с гибкой трубкой (капилляр последней заполнен чер­нилами). Под действием электрического тока, подведенно­го к выводам рамки, создается крутящий момент, и рычаг поворачивается на соответствующий угол. На движущейся бумажной ленте получают запись изменения тока во време­ни в криволинейной системе координат. Простота работы, получение записи осциллограммы на диаграммной ленте малая чувствительность к вибрации основания - преимуще­ства приборов. Недостатки - ограниченный диапазон час­тот и относительно большая инерционность записывающей системы, малое число каналов и криволинейная система координат записи показаний приборов.

Разновидностью описанных приборов являются самопис­цы уровня, фиксирующие при записи только пиковые значе­ния сигналов.

Магнитографы (рис. 9.11) предназначены для записи на магнитную ленту и последующего многократного воспроизведения выходного сигнала от первичного прибора. Такой способ записи информации позволяет применить ав­томатизированные методы обработки результатов измере­ний на ЭВМ.

Эпюрографы позволяют воспроизводить на экране и ре­гистрировать на фотоленте мгновенные эпюры распределе­ния деформаций исследуемых конструкций. Осциллографический эпюрограф Н 031 (рис. 9.12), позволяет одновременно наблю­дать за показаниями 12 тензорезисторов на экране разме­ром 110 120 мм и регистрировать их на трех фотолентах шириной 120 мм и длиной до 10 м. Запись ведется одновре­менно на три кассеты с четырех каналов для каждой из них.

 

 

Рис. 9.10. Схема быстродействующего самопишущего прибора:

1 – подвижная рамка; 2 – спиральная пружина; 3 – магнит;

4 – пишущий рычаг; 5 – трубка для подачи чернил; 6 – чернильница;

7 – бумага с координатной сеткой

 

Рис.9.11. Блок – схема магнитографа:

1- подающая катушка; 2 – магнитная лента; 3 – приемная катушка; 4 – 6 – магнитные головки стирания записи и воспроизведения; 7 – генератор несущей частоты; 8 – модулятор; 9,10 – усилители записи и воспроизведения;

11 – демодулятор; 12 - генератор стирания

 

 

 

 

Рис.9.12. Схема осциллографа - эпюрографа Н031:

а – общий вид; б – экран эпюрографа;

1- кронштейн для установки фотоаппарата; 2 – приспособление для фотографирования эпюр; 3 – эпюрная кассета; 4 - измерительный блок;

5- панель управления; 6 – экран эпюрный

 

 

9.3. Способы нагружения и принципы размещения измерительных приборов

Наиболее простой способ загружения - ударной нагруз­кой. Ударная нагрузка создается ударами вертикально па­дающего груза или путем сбрасывания груза, прикреплен­ного к конструкции гибкой тягой и динамометрическим элементом, горизонтальными ударами (рис. 9.13). Вынужденные колебания могут создаваться ненаправленными или направленными центробежными вибраторами (рис. 9.14, а), а также вибромашинами (рис. 9.14, б). Для стендовых испы­таний на выносливость применяются гидравлические пуль­саторы (рис. 9.15).

Приборы устанавливают в тех сечениях конструкции, ко­торые позволяют получить наиболее важные параметры колебаний, необходимые для оценки ее напряженно-деформированного состояния. Например, в местах воз­никновения наибольших прогибов, продольных и угловых перемещений. Учитывая трудоемкость обработки результатов измерений и дефицит­ность измерительных приборов и ма­териалов для записи осциллограмм, приборы обычно устанавливают в минимальном количестве с дублиро­ванием в самых ответственных сече­ниях конструкции. Некоторые из них в процессе испытаний могут пере­ставляться для записи показаний в различных сечениях конструкции.

Работа отметчиков времени всех самопишущих приборов должна быть синхронизирована с включени­ем и выключением приборов по за­данной программе. При испытании конструкции подвижной нагрузкой,

 

Рис.9.13. Методы создания ударной нагрузки:

А – падающим грузом; б – сбрасыванием груза; в – тараном

 

 

Рис. 9.14. Схема работы центробежного вибратора и вибромашины направленного действия

 

например, подкрановой балки мосто­вым краном, это обеспечивается на­жимными включателями и выклю­чателями, расположенными в нача­ле и в конце балки.

Подготовительные работы завер­шаются проверкой, настройкой и отладкой работы приборов всего из­мерительного комплекса. Подготовительные работы и испы­тания значительно упрощаются, если организация, ведущая испытания, располагает передвижной виброметрической ла­бораторией, оборудованной в кузове специального автобу­са.

 

 

Рис. 9.15.Схема гидравлического пульсатора:

1- рабочая жидкость; 2 – плунжерный барабан; 3 – гидронасос;

4 – гидродомкрат; 5 – испытываемая конструкция

 

Испытания проводят в строгом соответствии с програм­мой по временному графику. В процессе испытания вклю­чаются и выключаются виброизмерительные приборы, конт­ролируется их работа, ведутся наблюдения за отдельными соединениями конструкции и ее поведением в целом, за ха­рактером возникновения и развития трещин, заполняется журнал наблюдений.

В журнале наблюдений приводят краткую характери­стику испытываемой конструкции, вычерчивают схему установки и привязки измерительных приборов с указанием базы, масштаба измерения, места и времени проведения испытаний, температуры воздуха и особых условий работы. В журнале регистрируют все испытательные нагрузки в порядке их приложения и продолжительности воздействия, записывают отсчеты по приборам, имеющим шкалы для визуального наблюдения.

Для удобства последующей обработки осциллограмм в журнале для каждого номера кассеты указывают номера гальванометров, масштабы увеличения деформаций, скоро­сти движения ленты, этапы загружения, время выключения н включения осциллографов. На всех осциллограммах (на обратной стороне ленты) указывают номер кассеты, дату проведения испытания, название испытываемой конструк­ции, вид нагрузки, название и марку измерительной аппаратуры, и заводские номера гальванометров и вибропреоб­разователей.

Первичные результаты испытаний обрабатываются в хо­де эксперимента. По ним можно сделать предварительную оценку напряженно-деформированного состояния конструк­ции, судить о правильности работы нагрузочных устройств и измерительной аппаратуры, а при необходимости вносить коррективы в методику испытаний.

Параллельно с осциллографами желательно применять самопишущие приборы, по показаниям которых можно ви­зуально наблюдать за ходом эксперимента. В некоторых случаях испытания проводят в несколько этапов, после об­работки и анализа результатов измерений на каждом из них. Это позволяет внести необходимые изменения в мето­дику эксперимента с учетом недостатков, обнаруженных при обработке материалов предшествующих этапов испы­таний.

 

9.4. Оценка состояний конструкций по результатам динамических испытаний.

Оценка опытных данных позволяет решить те задачи, которые поставлены программой испытаний. Например, оценить принятую методику расчета конструкции, выявить характер воздействия динамических нагрузок, установить напряжения я деформации, определить остаточные деформации, качество изготовления, обнаружить дефекты и их влияние на несущую способность и долговечность. Анализ результатов испытаний должен носить комплексный характер с учетом взаимодействия различных факторов и базироваться на методах теории вероятностей и математической статистики.

Повторные динамические испытания конструкций, проводимые через определенный промежуток времени, позволяют получить объективную оценку напряженно-деформированного состояния, проанализировать характер развития выявленных, ранее дефектов и сделать заключение о необходимости усиления конструкции.

Экспериментальные значения динамических характеристик, таких, как амплитуда, частота колебаний, скорость, ускорение, коэффициент поглощения, позволяют проверить требования к режиму нормальной эксплуатации и предупредить явление резонанса. Для предотвращения резонанса частота собственныхивынужденных колебаний должна отличаться не менее чем па 20 %.

Если амплитуда колебаний не превышает 1/5 10 пролета конструкции, влияние динамической нагрузки на ее несущую способность не учитывается.

Колебания строительных конструкций оказывают неблагоприятное влияние не только на прочностные характеристики конструкции, но также на людей и технологические и процессы. На человека колебания оказывают отрицательные психологические воздействия и могут вызвать тяжелые физиологические расстройства (виброболезнь). В производственных и жилых зданиях устанавливаются предельно допустимые уровни вибрации, пиковые ил и усредненные значения перемещений, скоростей и ускорений, которые назначаются с учетом продолжительности воздействия с внесением поправок на время суток и характер воздействия.

В электронной, оптико-механической и машиностроительной отраслях промышленности некоторые технологические операции производятся под микроскопом, с точностью до долей микрона. В этих случаях допустимые уровни вибраций строго ограничены и для их соблюдения предусматриваю специальные мероприятия по уменьшению или устранению колебаний.

Динамические характеристики конструкций могут быть улучшены за счет изменения их жесткости, путем уравновешивания, балансировки и изменения частоты вращения машины, юз результате изменения схемы установки оборудования, а также применения активной или пассивной виброизоляции.

Жесткость конструкции можно увеличить или уменьшить изменением ее пролета, размеров поперечного сечения или конструктивной схемы, созданием предварительного напряжения, устройством массивного или легкого постамента под уравновешенную машину. Жесткость конструкции увеличивают в тех случаях, когда требуется увеличить частоту свободных колебаний, чтобы не допустить резонанса. При этом уменьшаются прогибы от статической идинамической нагрузок и динамический коэффициент . Например, замена свободно опертой балки балкой с упругозащемленными концами почти вдвое повышает частоту свободных колебаний. Аналогичный результат может быть получен повышением степени статической неопределимости конструкции за счет введения дополнительных связей или устройства под неуравновешенную машину легкого, но жесткого постамента, прочно прикрепленного к конструкции.

 

 

Рис. 9.16.Уравновешивание машин:

а - при вращении; б - при возвратно-поступательном движении

 

Если амплитуда колебаний достаточно велика и составляет значительную часть прогиба от полезной статической нагрузки с учетом веса конструкции, можно несколько уменьшить ее жесткость за счет увеличения пролета, уменьшения размеров сечения или устройства под оборудование массивного постамента без прочной связи его с конструкцией. Но при этом должны быть обеспечены требования, вытекающие из расчетов по двум группам предельных состояний (по несущей способности и деформациям), что возможно, если динамический коэффициент при незначительном снижении жесткости уменьшается в несколько раз.

Неуравновешенные машины с вращающимися массами подлежат статической в динамической балансировке. Уравновешивание масс, вращающихся с большим эксцентриситетом, показано на рис. 9.16 а, уравновешивание кривошипно-шатунного механизма на рис. 9.16, б. Уменьшение колебаний в приведенных примерах достигается взаимным погашением результирующей R, направленной в противоположные стороны при вращении механизма.

При определени амплитуды колебаний различают пять частотных зон: предрезонансную; первую резонансную; междурезонансную; вторую резонансную; зарезонансную.

Если можно изменить частоту вращения установленной на перекрытии машины, колебания перекрытия могут быть значительно уменьшины, при этомнеобходимо исключать попадание во 2-ую или 4-уюрезонансную зону.

Колебания конструкции можно уменьшить правильным размещением машин на перекрытии. Например, машина с возвратно-поступательными вертикально движущимися частями должна располагаться у опор, а с горизонтально движущимися - вдоль балок перекрытия, чтобы направление сил инерции совпадало с осями несущих конструкций, обладающих большой жесткостью.

 

Рис. 9.17. Виды виброизоляции:

а - сжатыми пружинами; б - подвесными стержнями и пружинами;

в - растянутыми пружинами; г- е - комбинированная виброизоляция резиновами элементами и пружинами с параллельным (г, д) и последовательным (е) соединением

 

Эффективный способ уменьшения колебаний несущих конструкций - применение активной виброизоляции - изоляции возбудителя колебаний (рис 9.17, а, б, в) с целью уменьшения динамических нагрузок и воздействий, передаваемых на конструкцию. Пассивная изоляция (рис. 9.17, г, д, е,) применяется с целью предохранения приборов и оборудования, чувствительных к вибрации, от колебаний конструкций, на которых они находятся.

Расчет и проектирование виброизоляции производятся на основании расчетов. Виброизоляция, примененная без расчета, в некоторых случаях приводит не к снижению, а к значительному увеличению колебаний конструкций, что недопустимо.