 |
Исследование пьезоэлектрического акселерометра
|
|
|
|
1. Цель и содержание работы
Цель работы - изучение пьезоэлектрических акселерометров и особенностей их эксплуатации. В процессе выполнения лабораторной работы студенты знакомятся с методом определения амплитудных характеристик пьезоакселерометров и приобретают практические навыки в измерении параметров вибрации.
Описание лабораторной установки
На рис. 1 приведена схема лабораторной установки.
Все эксперименты проводятся на камертонном вибростенде, снабженном оптической системой для прямого измерения амплитудного значения перемещения. Камертонный вибростенд возбуждается переменным током от лабораторного автотрансформатора, питающегося от сети 220В, 50Гц. Колебания поверхности вибростенда 
происходят по гармоническому закону:
,
где 
- амплитуда виброперемещения;
- частота колебаний камертона, Гц.
Рис.1. Схема лабораторной установки:
1 - камертонный вибростенд;
2 - лабораторный автотрансформатор;
3 - блок питания осветительной лампы;
4 - исследуемые датчики;
5 - электронный вольтметр;
6 - электронный осциллограф;
7 - генератор синусоидального сигнала;
8 - универсальный мост;
9 - усилитель заряда;
10 - магазин емкостей;
11 - соединительные кабели.
Виброускорение поверхности, выраженное в единицах ускорения свободного падения 
, определяется формулой
или
где 
- вторая производная от функции 
по времени.
Регулируя величину напряжения питания камертонного вибростенда, можно менять величину 
.
Виброперемещение определяется на экспериментальной установке с помощью измерительного микроскопа. Принцип действия измерителя виброперемещения поясняет рис. 2а. Световой поток от лампочки попадает в объектив микроскопа. В окуляре микроскопа при неподвижной поверхности камертона наблюдается вертикальная линия - след риски, нанесенном на стеклянном круге небольшого радиуса, укрепленном жестко на поверхности камертона (рис. 2б). Резкость изображения регулируется ГРУБО - смещением окуляра микроскопа в направлении светового потока и ПЛАВНО - вращением окуляра вокруг своей оси симметрии. При колебаниях поверхности камертона изображение риски расплывается в полосу (рис. 2в), ширина которой равна двойной амплитуде виброперемещения 
.
|
|
|
Рис. 2. Принцип действия измерительного микроскопа.
Электронный вольтметр необходим для измерения сигналов с датчиков. При пользовании этим прибором необходимо помнить, что он измеряет действующее значение переменного напряжения и, следовательно, чувствительность должна определятся по формуле:
,
где 
- выходной сигнал с датчика по показаниям вольтметра, мВ;
- амплитуда виброперемещения, мкМ;
- частота вибрации, Гц.
Для уменьшения влияния случайных погрешностей при определении чувствительности измерения проводят 
раз, а значение 
определяют по формуле:
,
где 
и 
- значения выходного напряжения и виброперемещения для каждого измерения.
Универсальный мост и измерительный генератор предназначены для измерения емкости 
. Мост используется в режиме измерения от внешнего источника питания (генератора), имеющего частоту выходного напряжения в пределах 4-8 кГц.
Электронный осциллограф необходим для контроля выходных сигналов с используемых датчиков и измерения частоты вибрации по методу фигур Лиссажу.
Порядок выполнения работы
Лабораторная работа выполняется в следующем порядке:
1. Определение амплитудной характеристики пьезоакселерометра:
а) подключить пьезоаксерометр к милливольтметру и магазину емкостей. На магазине емкостей выставить 
;
|
|
|
б) включить вибростенд и снять зависимость выходного напряжения с пьезоакселерометра от вибросмещения поверхности стола. Величины вибросмещений контролировать измерительным микроскопом. Результаты измерений занести в табл. 1 (п.1);
в) рассчитать величины виброускорений по формуле
,
где 
- частота вибрации, определяемая по методу фигур Лиссажу (рис. 3).
г) рассчитать чувствительность пьезоакселерометра по формуле
,
(
=1, 2, 3, 4).
Таблица 1
| №№ п/п |  , пФ
| 
величины
| |||||
, мкМ
 ,
| |||||||
| =0
|  , мВ
| U 11 | U 21 | U 31 | U 41 | U 51 | |
| =500
|  , мВ
| U 12 | U 22 | U 32 | U 42 | U 52 | |
| =2500
|  , мВ
| U 13 | U 23 | U33 | U 43 | U 53 | |
| =10000
|  , мВ
| U 14 | U 24 | U34 | U 44 | U 54 |
Рис.3. Схема измерения частоты методом фигур Лиссажу:
1 – электронный осциллограф;
2 – измерительный генератор.
2. Расчет амплитудно-частотной характеристики пьезоакселерометра в области низких частот:
а) подключить к входу универсального моста кабель от испытуемого преобразователя и произвести измерения величин 
и 
на частоте 4-8 кГц;
б) рассчитать величину 
по формуле
,
где 
- частота напряжения, питающего мост;
в) рассчитать частоту среза 
по формуле
;
г) рассчитать величину чувствительности пьезоакселерометра в области средних частот по формуле
;
д) рассчитать зависимость чувствительности пьезоакселерометра от частоты в области низких частот
.
3. Определение нижней граничной частоты 
частотного диапазона пьезопреобразователя, исходя из условия
,
где 
- относительная погрешность амплитудно-частотной характеристики на граничной частоте .
принять равным (по указанию преподавателя) 0,02; 0,03; 0,05.
4. Определение влияния емкости кабельной линии на амплитудную и амплитудно-частотную характеристику пьезоакселерометра:
а) рассчитать требуемую емкость нагрузки, обеспечивающую воспроизведение вибрации камертона без частотной погрешности по формуле
.
Значения , и взять из данных пунктов 1в), 2а) и 2б);
б) на магазине емкостей выставить рассчитанное значение емкости и повторить процедуру получения амплитудной характеристики пьезоакселерометра при емкостных нагрузках =2500 пФ, =10000 пФ. Результаты измерений свести в табл.1 (п.3 и п.4 соответственно).
|
|
|
5. Построение графиков амплитудных характеристик при различных значениях емкостной нагрузки:
а) амплитудные характеристики аппроксимировать линейными зависимостями вида
( =1,2,3,4,5; =1,2,3,4)
б) на этих же графиках нанести остальные результаты измерений.
6. Построение графиков амплитудно-частотных характеристик при различных емкостях нагрузки и по заданной величине определение нижней граничной частоты для каждого случая.
7. Определение амплитудной характеристики системы «пьезоакселерометр – усилитель заряда»:
а) собрать схему системы (рис.4);
Рис.4. Схема системы «датчик – усилитель заряда»:
1- датчик;
2- магазин емкостей;
3- усилитель заряда;
4- универсальный вольтметр.
б) для каждого значения емкости нагрузки определить чувствительность системы по методике, изложенной в пунктах 1б) и 1г). Результаты измерений свести в табл.2;
в) построить графики амплитудных характеристик системы
при различных значениях емкостной нагрузки.
8. Построение графиков зависимости чувствительности пьезоакселерометра от емкостной нагрузки по данным табл.1 и зависимости чувствительности системы от емкостной нагрузки по данным табл.2.
Таблица 2
| №№ п/п | , пФ
|
величины
| |||||
| , мкМ
,
| |||||||
| =0
| , мВ
| U 11 | U 21 | U 31 | U 41 | U 51 | |
| =2500
| , мВ
| U 12 | U 22 | U 32 | U 42 | U 52 | |
| =10000
| , мВ
| U 13 | U 23 | U33 | U 43 | U 53 |
9. Расчет погрешности определения чувствительности датчика и системы по следующей методике:
а) определить отклонения результатов отдельных измерений по формуле
( =1,2,3,4 для датчика и =1,2,3,4 для системы);
б) определить величину 
:
;
в) для заданной доверительной вероятности 
определить доверительный интервал 
погрешности по формуле
.
Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) краткие теоретические сведения;
2) описание лабораторной установки;
3) таблицы и графики, выполненные на миллиметровой бумаге;
4) расчеты погрешностей датчика и системы.
Заключение
Результатом бакалаврской работы является создание семи лабораторных работ: лабораторной работы № 20 «Исследование проволочных тензорезисторов и схем их включения»; лабораторной работы № 21 «Реостатные преобразователи»; лабораторной работы № 22 «Терморезистивные преобразователи»; лабораторной работы № 23 «Измерительные цепи терморезисторов»; лабораторной работы № 24 «Термоэлектрические преобразователи»; лабораторной работы № 25 «Индукционный импульсный тахометр»; лабораторной работы № 26 «Исследование пьезоэлектрического акселерометра».
|
|
|
Каждая работа включает в себя принцип действия, общие технические сведения, схемы экспериментальной установки, методику проведения экспериментов и описание лабораторной установки, методы расчета физических параметров, а также порядок проведения работы и содержание отчета.
Описания к данным работам удовлетворяют уровню подготовки студентов 2 х - 3 х курсов, а стенды соответствуют условиям лабораторий МГУЛ.
Литература
1. «Датчики теплофизических и механических параметров». Справочник в трех томах. Т.1 (кн.1) / Под общ. ред. Ю. Н. Коптева; Под ред. Е. Е. Багдатьева, А. В. Гориша, Я. В. Малкова. - М.: ИПРЖР, 1998г.
2. «Первичные преобразователи телеметрических систем». Лабораторный практикум. Е. Е. Багдатьев, В. Е. Николаев, В. Н. Гилевский. - М.: 1986г.
3. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Первичные преобразователи телеметрических систем». Е. Е. Багдатьев, А. Р. Глушко. - М.: 1987г.
|
|
|
