 |
Анализ методов и устройств для измерения УЗ вибраций
|
|
|
|
КОМПЛЕКТ ДОКУМЕНТОВ
На технологическую инструкцию проведение
Измерений электронным измерителем УЗ-вибраций
Разработал (П.В. Фалькович)
Руководитель (В.Л. Ланин)
Нормоконтролер (С.И. Саковец)
Содержание
Введение
1 Анализ методов и устройств для измерения УЗ - колебаний
2 Анализ технического задания
3 Выбор функциональных элементов, материалов и деталей, расчет компоновочных характеристик
3.1 Выбор функциональных элементов
3.2 Выбор материалов и деталей
3.3 Расчет компоновочных характеристик
4 Расчет показателей надежности проектируемого устройства
5 Разработка печатной платы и передней панели
6 Анализ технологичности конструкции прибора
7 Разработка технологической инструкции на применение прибора
8 Технико-экономическое обоснование
9 Охрана труда и экологическая безопасность
Заключение
Список использованных источников
Приложение А. Расчет технологичности конструкции
Приложение Б. Комплект документов на технологическую инструкцию измерений электронным измерителем УЗ-вибраций
Приложение В. Справка об исследовании патентной и научно-технической литературы.
Приложение Г. Перечень элементов на схему электрическую принципиальную электронного измерителя УЗ-вибраций.
Приложение Д. Спецификация на сборочный чертеж платы измерителя.
Приложение Е. Спецификация на сборочный чертеж электронного измерителя вибраций.
Введение
Прогресс в технологии РЭА достигается сейчас совершенствованием инструментов, оборудования, используемых материалов, а также путём разработки новых, более эффективных технологических процессов. Перспективным является применение перспективных методов электрофизического воздействия на процессы пайки, включая использование энергии ультразвуковых /УЗ/ и электромагнитных колебаний, инфракрасного /ИК/ и видимого излучений, электронного и ионного лучей.
|
|
|
При эксплуатации УЗ аппаратуры в целях интенсификации различных технологических процессов, необходимо проводить систематический контроль амплитуды колебаний излучателей ультразвука.
Для измерения амплитуды ультразвуковых колебаний, в основном, используют приборы на основе оптических, пьезоэлектрических и индуктивных датчиков. Однако эти приборы не позволяют осуществить непрерырывное измерение амплитуды колебаний ультразвуковых инструментов в процессе выполнения технологических процессов.
Эти недостатки устранены в разработанном приборе, в основу которого положен принцип регистрации амплитуды по изменению амплитуды электрических колебаний, генерируемых пьезоэлементом.
Прибор предназначен для измерения амплитуды колебаний и настройки в резонансный режим работы УЗ технологического оснащения процессов пайки, сварки, очистки и др.
Доклад
Темой данного дипломного проекта является разработка электронного измерителя амплитуды УЗ-вибраций.
В настоящее время для измерения амплитуды ультразвуковых колебаний используют контактные и бесконтактные методы на основе оптических приборов, пьезоэлектрических и индуктивных датчиков. Однако эти приборы не позволяют осуществить непрерывное измерение амплитуды колебаний ультразвуковых инструментов в процессе выполнения технологических процессов и серийно промышленностью не выпускаются. Таким образом, была поставлена задача, сконструировать прибор, который мог бы с высокой точностью измерять амплитуду УЗ-вибраций.
Способ измерения амплитуды механических колебаний рабочего конца ультразвукового инструмента, основан на преобразовании амплитуды механических колебаний в электрическое напряжение.
|
|
|
Для автоматического контроля колебаний, при котором отсутствует перестановка датчика, и изменения измерительного зазора малы, предложено устройство, позволяющее получить стабильную чувствительность.
К устройству подключается выносной вибродатчик, который при контакте с поверхностью работающего УЗ-инструмента, преобразовывает механические колебания последнего в электрический сигнал синусоидальной формы. Датчик вибраций включает металлический волновод, жестко соединенный с ручкой из изоляционного материала. Во внутренней полости ручки на расстоянии, равном j/4 от не рабочего торца волновода (j – средняя длинна УЗ-колебаний в материале волновода для исследуемых частот), жестко, например методом пайки, закреплена упорная пластина, а между ней и демпфером из материала с низкой акустической добротностью расположен пьезоэлектрический преобразователь, изготовленный из пьезокерамики ЦТС-21 в форме кольца диаметром 10-20 мм.
Электрическое напряжение с обкладок пьезоэлемента снимается с помощью латунных контактов и по высокочастотному кабелю передается на измеритель. Рабочий конец датчика оканчивается иглой, изготовленной из высокопрочной инструментальной стали, и припаянной к торцу волновода припоем ПСр45. Снаружи внутренний объем ручки, где размещен пьезоэлектрический преобразователь, защищен прокладкой из термостойкокой резины.
Напряжение с датчика поступает на измеритель вибраций, который состоит из: делителя входного напряжения, усилителя-дискриминатора, детектора средневыпрямленного напряжения, источника образцового напряжения, внутреннего генератора, инвертора зажигания символов запятой, аналогово-цифрового преобразователя, индикатора (см чертеж – А1).
Напряжение электрического синусоидального сигнала с датчика, приведенное входным делителем к интервалу 0-200 мВ поступает на операционный усилитель, который служит для получения линейности детектирования в 1%. Для этого усиление ОУ должно быть не мене 40 дБ. Далее, напряжение, поступившее с датчика, детектируется детектором средневыпрямленных напряжений. На его выходе получаем средневыпрямленное напряжение пропорциональное измеряемому колебанию, который подается на сигнальный вход АЦП. На эталонный вход АЦП с источника образцового напряжения подается опорное напряжение. Преобразователь из аналогового сигнала, полученного с детектора, выделяет цифровой код. Этот код определяется отношением входного напряжения к опорному с учетом фиксированного числа импульсов тактовой частоты АЦП. Тактовая частота преобразователя задается внутренним генератором и должна быть равна 50 кГц. Далее выделенные напряжения с АЦП в виде цифрового кода подаются на ЖКИ.
|
|
|
Корпус состоит из основания и передней панели, на которой расположены табло индикации и включатель питания прибора. Переключатель пределов измерения расположен на левой боковой стенке прибора. На верхней боковой стенке прибора расположен разъем для подключения датчика. Конструкция прибора удобна для пользования и ремонта.
При работе с прибором следует пользоваться технологической инструкцией, а так же соблюдать правила безопасности при работе с ультразвуком.
Экономический эффект от производства прибора составит 117165900 руб. Прибор окупает себя на третьем году производства.
АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УЗ ВИБРАЦИЙ
При эксплуатации ультразвуковой (УЗ) аппаратуры в целях интенсификации различных технологических процессов необходимо проводить систематический контроль амплитуды колебаний излучателей ультразвука и технологического инструмента, которая оказывает определяющее влияние на качество обработки. Для измерения амплитуды ультразвуковых колебаний используют контактные и бесконтактные методы на основе оптических приборов, пьезоэлектрических и индуктивных датчиков. Однако эти приборы не позволяют осуществить непрерывное измерение амплитуды колебаний ультразвуковых инструментов в процессе выполнения технологических процессов и серийно промышленностью не выпускаются.
Способ измерения амплитуды механических колебаний рабочего конца ультразвукового инструмента, основан на преобразовании амплитуды механических колебаний в электрическое напряжение. Данный способ служит для повышения точности измерений при обработке токопроводящих поверхностей. При этом непосредственно через зону динамического воздействия инструмента с обрабатываемой поверхностью пропускают постоянный электрический ток и измеряют в этой зоне длительность нарушения электрического контакта, по которой определяют значение амплитуды механических колебаний.
|
|
|
Для оперативного контроля режимов работы УЗ колебательных систем широко известны приборы, принцип действия которых основан на использовании индуктивного параметрического способа измерения амплитуд колебательных смещений. При таких измерениях на небольшом расстоянии от колеблющейся поверхности располагается датчик-катушка индуктивности, включенная в колебательный контур электрического генератора. Колебания поверхности вызывают соответствующую частотную модуляцию сигнала генератора. Полученная информация обрабатывается частотным детектором. Основной сложностью является зависимость чувствительности прибора от ширины измерительного зазора, которая может изменятся под воздействием случайных факторов. Существует возможность устранения в некоторых пределах этой зависимости посредством соответствующего изменения коэффициента передачи измерительного тракта виброметра в соответствии с изменением средней величины измерительного зазора.
Для автоматического контроля колебаний, при котором отсутствует перестановка датчика, и изменения измерительного зазора малы, предложено устройство, позволяющее получить стабильную чувствительность в некотором интервале изменения зазора.
Устройство состоит: датчик; делитель входного напряжения; усилитель-дискриминатор; детектор средневыпрямленного напряжения; генератор образцового напряжения; внутренний генератор; инвертор зажигания символов запятой; аналогово-цифровой преобразователь; индикатор.
При колебаниях поверхности напряжения на выходе автогенератора изменяется по закону:
(1.1)
где 
- средняя частота генератора; f - частота колебаний поверхности; @W - амплитуда девиации частоты автогенератора; t - время.
Сигнал на выходе автогенератора несет таким образом информацию о мгновенном расстоянии между датчиком и колеблющейся поверхностью, включая сюда и его среднее значение. На выходе частотного детектора можно получить два сигнала - постоянное или медленно изменяющееся напряжение, зависящее от среднего расстояния между датчиком смещения и колеблющейся поверхностью, а также переменное напряжение УЗ-частоты, амплитуда которого пропорциональна амплитуде смещения 
:
|
|
|
(1.2),
где 
- чувствительность.
Экспериментальное исследование зависимости чувствительности S от расстояния r выявило ее нелинейный характер. Обработка экспериментальных данных позволила установить, что в пределах 1-3 мм изменения r ход чувствительности S с расстоянием, может быть аппроксимирован экспоненциальной зависимостью:
(1.3),
где d и B-постоянные.
Изменение же сигнала на выходе частотного детектора описывается функцией:
(1.4),
где Ео - некоторая постоянная величина, которую можно трактовать в качестве сдвига уровня напряжения.
Поскольку амплитуда напряжения УЗ-частоты Um может быть выражена через чувствительность S в виде Um=SА0, то, отнеся ее к величине (Е0-U0), получим, что нормированное таким образом напряжение не зависит от среднего расстояния:
, (1.5)
На основе этих предпосылок основано электронное устройство, схему которого был введен каскад, позволяющий получить частное от деления сигнала, соответствующего амплитуде УЗ колебаний, на сигнал, соответствующий среднему значению ширины зазора, т.е. осуществляет приборную реализацию предложенного алгоритма.
Таким образом, предложено и реализовано в виде лабораторного макета новое устройство для бесконтактного параметрического измерения амплитуды УЗ колебаний, чувствительность которого при изменении ширины измерительного зазора на > 0,5 мм остается неизменной. Сравнительно малый диапазон измерительных зазоров, для которых применима экспоненциальная аппроксимация зависимости чувствительности, не благоприятствует использованию построенных на этом принципе приборов для абсолютного измерения.
Для создания автоматических систем питания инструмента с помощью акустической обратной связи перспективны новые пьезоактивные материалы - пьезополимеры в виде пленки толщиной 10-20 мкм из поливинилденфторида с примесью фторопласта Ф2МЭ. Пленка изготавливалась методом экструзии с последующей вытяжкой, металлизировалась с обеих сторон алюминием и поляризовалась электрическим полем 600 кВ/см при температуре 70°С.
Датчики представляли собой образцы пленки размером 1х1 см, наклеенные в пучность деформации. Ось ориентации пленки совпадала с направлением колебаний вдоль оси стержня. Напряжение на электродах пленки пропорционально средней по ее длине деформации:
, (1.6)
где Х2 и Х1-координаты начала и конца пленки по оси, U(Х2)и U(Х1)-колебательные смещения в этих точках, q -чувствительность образца пленки к деформации.
Величина q вычисляется из уравнений пьезоэффекта
, (1.7)
где D31-пьезомодуль материала, C11-модуль упругости, E -диэлектрическая проницаемость, E0=8,85×10-12 Ф/м, t -толщина пленки.
Экспериментально измеренные данные:
d = (12-18)×10-12 Кл/н, на частоте 1 кГц =9,8-10;
модуль упругости (2,0-2,2)×109 Н/м.
Чувствительность датчиков по амплитуде на частоте 40-60 кГц была в пределах 100-300 мВ/мкм в зависимости от коэффициента усиления.
Оптический метод измерения амплитуды с помощью микроскопа широко распространен и применяется часто за эталонный, однако он дает большую погрешность при измерении малых амплитуд и неудобен в эксплуатации. Метод, основанный на интерференции лазерного излучения, абсолютный и очень точный, имеет ограничение по динамическому диапазону и является достаточно сложным и громоздким.
Оптические датчики основаны на модуляции колеблющимся объектом светового потока: отраженного от объекта или работающего «на просвет».
Существенным элементом датчика, работающего на «отражение», является световод, представляющий собой два пучка оптических волокон, собранных на одном конце в жгут, торец которого и является чувствительным элементом. На противоположном конце один из пучков совмещается источником света, а другой - подводится к фотоприемнику, преобразующий световой сигнал в электрический.
В приемник луча попадает световой поток, отраженный от поверхности. Зависимость освещенности Е приемного пучка и, следовательно, величина светового тока через фотоприемник от расстояния между чувствительным элементом и поверхностью имеет ярко выраженный максимум.
Диапазон измерительных величин А, мкм 0,1-500
Диапазон частот, кГц 0,05-100
Относительная погрешность, % 5
Диапазон компенсирующих коэффициентов 0,21
Погрешность, вызванная наклоном световода относительно поверхности 0,5
Калибровка датчика «на отражение» проводилась с помощью регенеративной лазерной интерфериционной установки.
Разработан ультразвуковой виброметр для измерения амплитуды механических колебаний объекта, например ультразвуковых преобразователей.
Сигнал с автогенератора, в состав которого входят параметрический датчик смещений и конденсатор, подается на усилитель - дискриминатор, а затем - на частотный детектор. Коммутатор периодически шунтирует конденсатор, что вызывает модуляцию сигнала на выходе частотного детектора. На выходе первого амплитудного
детектора сигнал пропорционален измеряемому колебанию, а на выходе второго амплитудного детектора - величине эквивалентного изменения зазора, определяемой емкостью конденсатора.
Недостатком рассмотренных конструкций виброметров является их сложность и ограниченная область применения.
Для контроля работы ультразвуковых преобразователей с волноводами и концентраторами целесообразнее применять ёмкостные или индуктивные датчики. Принцип одного из методов, на котором основано применение этих датчиков, заключается в ёмкости или индуктивности цепи высокочастотного генератора с частотной модуляцией амплитуды смещения концентратора. Глубина частотной модуляции пропорциональна амплитуде смещения. Другой принцип работы индуктивного датчика состоит в изменении потока в его магнитной цепи, которое происходит при колебаниях волновода. Индуцированное в обмотке датчика напряжение пропорционально смещению преобразователя. Датчики выполнены таким образом, что с их помощью можно измерять колебания на металлических деталях. Датчики устанавливают на расстоянии 0-2 мм от поверхности, что гарантирует получение оптимальных результатов. Электрический выход датчика подсоединяют к юстированному усилителю с прямым считыванием измеряемой величины. В датчиках этого типа сигнал (0,5-100 мВ) пропорционален амплитуде скорости смещения или знакопеременному напряжению в диапазоне частот 16-100 кГц. Индуктивные датчики представляют собой компактный блок, защищённый от истирания и повреждений полиэфирным покрытием, с кабелем, имеющим соответствующий вывод для соединения с измерительным прибором.
Электродинамические датчики основаны на эффекте возникновения вихревых токов в металлическом волноводе, движущемся поле постоянного магнита. Электродинамические датчики разделяются по конструкции на два типа: с накладной катушкой и с проходной. Электродвижущая сила, наводимая в измерительной катушке датчика накладного типа, обусловлена продольной составляющей колебаний стержня, а у датчика проходного типа - пуассоновскими колебаниями.
Электродинамические датчики пригодны для измерения амплитуд смещений и деформаций по длине волноводов, изготовленных из неферромагнитных материалов. В ферромагнитных материалах наряду с электродвижущей силой, обусловленной вихревыми токами, в катушке датчика возникает электродвижущая сила из-за обратного магнитострикционного эффекта, что искажает показания датчика.
Недостатком датчиков такого типа также является то, что их чувствительность сильно зависит от величины зазора. Всё это в некотором отношении ограничивает применение электродинамических датчиков.
Для измерения амплитуд смещений и деформаций с успехом могут быть использованы специальные тензодатчики. Эти датчики размером 3×3 мм2 изготавливали из проволоки сплава ТД-ИМ23ХЮ диаметром 40 мкм в виде плоской пружины. Пружину помещали между двумя листами бумаги размером 5×5 мм2. Изготовленные таким образом тензодатчики наклеивали на поверхность волновода клеем БФ и отжигали в печи по следующему режиму: через каждые два часа температуру отжига от 90°C повышали на 20°С. Сопротивление тензодатчика измеряли по мостовой схеме.
При измерениях тензодатчики наклеивали в середине полуволнового стержня, где амплитуда деформаций определяется согласно выражению
. (1.8)
Градуировка датчиков была линейной вплоть до амплитуд xm0= 40 мкм, т.е. они, могут быть использованы для измерений em при больших мощностях звука.
Разработан лазерный доплеровский измеритель (ЛДИ-01), который позволяет проводить регистрацию и измерение параметров механических колебаний (вибраций) самых разнообразных объектов, деталей и поверхностей:
- измерение осевых и поперечных механических колебаний вращающихся объектов (валов двигателей, станков и т.д.);
- определение и контроль амплитуд колебаний ультразвуковых излучателей различного назначения;
- исследование механических колебаний хрупких и легких конструкций (мембраны, зеркала, оптика);
- изучение вибраций весьма малых участков поверхности в различных направлениях и получение поточечного вибропортрета.
Дистанционный бесконтактный метод измерения механических колебаний, используемый в ЛДИ-01, удовлетворяет требованиям современной промышленности, предъявляемым к данного рода измерениям.
Прибор не требует специальных знаний и дополнительного оборудования при работе с лазерным излучателем, что обеспечивает удобство и надежность в эксплуатации.
В ЛДИ-01 предусмотрен аналоговый выход для подключения осциллографа, анализатора спектра и других приборов, позволяющих получить дополнительную информацию об объекте (тип и устойчивость колебаний, паразитные биения и т.п.).
Достоинством данного прибора является высокая точность измерений, которая гарантируется сравнением вибрационного перемещения с длинной световой волны когерентного источника. Прибор, при необходимости, может измерять колебания сверхмалых амплитуд (от 10 нм до 0,3 мкм).
Недостатком является сложность конструкции прибора и высокая стоимость.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.
Измерение на расстоянии:
- при использовании световозвращающего элемента (покрытия), м 0,1-10
- от диффузно отражающей поверхности, м 0,1-3
Максимальная виброскорость, м/с 1,0
Диапазон амплитуд, мкм 0,3-10
Частотный диапазон, Гц 10-10
Мощность лазерного излучателя, мВт 0,5
Абсолютная погрешность измерения, мкм 0,1
|
|
|
