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      壓電式傳感器精確測(cè)試低頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

      2019-03-31 14:11:24秦夢(mèng)澤張勇
      傳感器世界 2019年12期
      關(guān)鍵詞:壓電式輸出特性振動(dòng)臺(tái)

      秦夢(mèng)澤 張勇

      1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院機(jī)械系,新疆克拉瑪依 834000;2. 鞍山鋼鐵集團(tuán)公司,遼寧鞍山 114001

      一、前言

      壓電式加速度傳感器具有價(jià)格低廉、頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、工作可靠和重量輕等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于中、高頻的振動(dòng)測(cè)試(一般振動(dòng)頻率不低于5Hz)[1]。由于結(jié)晶器振動(dòng)的工作頻率一般為2Hz ~3Hz,在這種低頻振動(dòng)的情況下,不宜采用普通的磁電式速度傳感器來(lái)測(cè)量其速度和加速度,使用加速度傳感器比較合理。

      本文通過(guò)改變調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器,改變功率放大器輸入信號(hào)頻率和幅值的方法改變標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率和振幅,利用標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)(廉價(jià)的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)一般適用于中、高頻測(cè)振傳感器的標(biāo)定)實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻振動(dòng)條件下測(cè)振傳感器的標(biāo)定,用壓電式加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于在工程應(yīng)用中進(jìn)行低頻振動(dòng)測(cè)試具有重要意義。

      二、壓電式加速度傳感器的低頻振動(dòng)標(biāo)定技術(shù)

      1、常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)在低頻振動(dòng)條件下的測(cè)試結(jié)果

      實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有某公司的ESS-015標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)裝置,其技術(shù)指標(biāo)中工作頻率范圍是5Hz~10000Hz。該振動(dòng)臺(tái)出廠時(shí)附帶了一個(gè)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的壓電式加速度傳感器(型號(hào)CA-YD-117),作為對(duì)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)的比對(duì)基準(zhǔn)。

      利用CA-YD-117加速度傳感器測(cè)試振動(dòng)臺(tái)在不同信號(hào)輸入情況下的振動(dòng)情況,用計(jì)算機(jī)記錄振動(dòng)波形。在輸入信號(hào)頻率為5Hz和2Hz下測(cè)振系統(tǒng)輸出的加速度波形分別如圖1所示。

      通過(guò)以上不同頻率條件下得到的加速度信號(hào)波形可以看出,該振動(dòng)臺(tái)在振動(dòng)頻率為5Hz時(shí),測(cè)得的加速度波形已有較小的畸變;當(dāng)振動(dòng)頻率為2Hz時(shí),測(cè)得的加速度波形有明顯的畸變。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明:振動(dòng)頻率越低,測(cè)得的加速度波形畸變?cè)絿?yán)重。

      鑒于測(cè)振傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生畸變的原因不能排除基準(zhǔn)傳感器自身存在問(wèn)題,需要另選一個(gè)相對(duì)客觀、更為準(zhǔn)確的傳感器作為基準(zhǔn)傳感器。

      2、標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的低頻振動(dòng)特性測(cè)試與分析

      為了驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)是否可以作為低頻實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)設(shè)備,下面通過(guò)ST-2型電渦流傳感器來(lái)測(cè)量振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)情況,電渦流傳感器在不同的振動(dòng)頻率下測(cè)得振動(dòng)臺(tái)位移的輸出波形如圖2所示。

      從圖2振動(dòng)臺(tái)位移曲線(xiàn)可以看出,在不同的低頻振動(dòng)條件下,電渦流傳感器測(cè)得的振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)位移曲線(xiàn)比較規(guī)則,沒(méi)有明顯的畸變情況發(fā)生。由于電渦流傳感器是以相對(duì)、非接觸方式測(cè)量振動(dòng)臺(tái)的低頻振動(dòng),并且其低頻特性很好,用其測(cè)試得到的振動(dòng)臺(tái)低頻振動(dòng)的位移曲線(xiàn)是可信的。因此可以判定,在低頻振動(dòng)(1Hz~5Hz)條件下,振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)基本是標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

      3、信號(hào)調(diào)理的效果

      為了改善壓電式加速度傳感器5Hz以下低頻振動(dòng)測(cè)試信號(hào)畸變情況,在上述實(shí)驗(yàn)裝置中添加了信號(hào)調(diào)理硬件裝置來(lái)對(duì)絕對(duì)式(接觸式)的壓電式加速度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波和平滑處理,以減少或消除信號(hào)中的干擾成分。本實(shí)驗(yàn)選用了YE3760A型雙通道低通濾波器。通過(guò)低通濾波和平滑處理等信號(hào)調(diào)理后得到波形如圖3所示。

      把圖3所示波形與圖2相比較,可以看出,經(jīng)過(guò)硬件信號(hào)調(diào)理后振動(dòng)臺(tái)在低頻振動(dòng)條件下,CA-YD-117加速度傳感器輸出波形畸變較小,絕對(duì)式(接觸式)傳感器測(cè)振所產(chǎn)生的畸變得到了很大程度的改善。在有限點(diǎn)處的輕度畸變?nèi)匀淮嬖?,但?duì)整個(gè)波形的幅度和頻率等特征參數(shù)的測(cè)量影響較小。

      通過(guò)查閱低頻振動(dòng)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)了解到,在低頻振動(dòng)條件下,只要不影響整個(gè)波形的特征參數(shù)的精度,在固定的有限點(diǎn)出現(xiàn)畸變的情況是允許的。當(dāng)然,在這種情況下,必須使用非接觸式測(cè)振傳感器作為基準(zhǔn)傳感器[2-3]。

      4、低頻振動(dòng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置

      該振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)、信號(hào)放大器與調(diào)理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換卡和計(jì)算機(jī)等,如圖4所示。

      其中,標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)(型號(hào)ESS-015)的工作頻率范圍是5Hz~ 10000Hz。為了使該標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)能夠用于低頻振動(dòng)(1Hz~5Hz)測(cè)振傳感器的精確標(biāo)定,采用相對(duì)式(非接觸)傳感器(電渦流式傳感器)作為對(duì)測(cè)振傳感器標(biāo)定時(shí)的比對(duì)基準(zhǔn)。壓電式加速度傳感器的信號(hào)調(diào)理器由電荷放大器(型號(hào)YE5858B)和低通濾波器(型號(hào)YE3760A)組成。標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上安裝傳感器的情況見(jiàn)圖5。

      5、實(shí)驗(yàn)方法

      調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器改變功率放大器輸入信號(hào)頻率和幅值,改變標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率和振幅。在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上,安裝的電渦流傳感器用于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的頻率和振幅;安裝了3個(gè)被標(biāo)定的壓電式加速度傳感器,其中1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)傳感器的靈敏度分別為5.33pC/ms-2、48.75pC/ms-2、253.2pC/ms-2。在實(shí)驗(yàn)中,標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)頻率為1Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz的振動(dòng),在每個(gè)振動(dòng)頻率下有4種振幅。

      標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)頻率、振幅及對(duì)應(yīng)的加速度、3個(gè)傳感器的輸出信號(hào)的情況見(jiàn)表1。

      6、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

      (1)被標(biāo)定傳感器的輸出信號(hào)情況

      實(shí)驗(yàn)中使用的電荷放大器采用“歸一化”的信號(hào)放大方式。盡管3個(gè)被標(biāo)定傳感器的靈敏度各不相同,在同一加速度條件下,經(jīng)過(guò)放大的3個(gè)傳感器輸出信號(hào)幅值基本相同。

      (2)被標(biāo)定傳感器的輸出特性

      通過(guò)表1不能直接看出3個(gè)被標(biāo)定傳感器在1Hz~5Hz振動(dòng)條件下信號(hào)輸出的特點(diǎn)。由表1可以得到每個(gè)被標(biāo)定傳感器的輸出特性為:

      式中,a0—實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的加速度,mm/s2;

      U —在加速度a0條件下被標(biāo)定傳感器的輸出信號(hào)幅值,mV。

      用式(1)對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以得到各個(gè)被標(biāo)定傳感器的輸出特性情況,見(jiàn)表2。

      表1 標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)參數(shù)和被標(biāo)定傳感器輸出信號(hào)

      表中,f0—標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率;

      A0—標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的振幅;

      a0—標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的加速度;

      U1—1號(hào)加速度傳感器的輸出電壓信號(hào);

      U2—2號(hào)加速度傳感器的輸出電壓信號(hào);

      U3—3號(hào)加速度傳感器的輸出電壓信號(hào)。

      表2 被標(biāo)定傳感器的輸出特性情況

      表中,Ca1—1號(hào)加速度傳感器的輸出特性;

      Ca2—2號(hào)加速度傳感器的輸出特性;

      Ca3—3號(hào)加速度傳感器的輸出特性。

      由表2可以看出:

      A.當(dāng)振動(dòng)頻率為4Hz和5Hz時(shí),每個(gè)被標(biāo)定傳感器在不同的加速度條件下輸出特性都非常穩(wěn)定;

      B.當(dāng)振動(dòng)頻率為2Hz和3Hz時(shí),每個(gè)被標(biāo)定傳感器的輸出特性有隨加速度減小而增大的趨勢(shì);

      C.當(dāng)振動(dòng)頻率為1Hz時(shí),每個(gè)被標(biāo)定傳感器在不同的加速度條件下輸出特性都不穩(wěn)定。

      (3)被標(biāo)定傳感器的平均輸出特性

      如果用每個(gè)被標(biāo)定傳感器在每個(gè)頻率下的輸出特性平均值,可以得到3個(gè)被標(biāo)定傳感器的平均輸出特性曲線(xiàn),如圖6所示。

      在圖6中,曲線(xiàn)1~3是1~3號(hào)加速度傳感器的平均輸出特性曲線(xiàn)。3條曲線(xiàn)表現(xiàn)出相同的規(guī)律性:

      A.當(dāng)振動(dòng)頻率為4Hz和5Hz時(shí),每個(gè)被標(biāo)定傳感器的平均輸出特性變化較小;

      B.當(dāng)振動(dòng)頻率為1Hz~3Hz時(shí),每個(gè)被標(biāo)定傳感器的平均輸出特性比振動(dòng)頻率為4Hz和5Hz時(shí)的平均輸出特性增大5.5%~13%。

      三、標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)論

      1、實(shí)驗(yàn)中被標(biāo)定的是3個(gè)普通壓電式加速度傳感器,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有普遍性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,普通壓電式加速度傳感器可以用于1Hz~5Hz的低頻振動(dòng)測(cè)試。

      2、針對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)頻率為2Hz~3Hz的工況條件,對(duì)壓電式加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)頻率為2Hz~3Hz的標(biāo)定,可以得到較好的振動(dòng)測(cè)試效果。

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