Измерване на вибрации

Използването на съвременните технологии е свързано с непрекъснато наблюдение и контрол на редица параметри на протичащия технологичен процес и съответно контрол на производственото оборудване. Едни от най-често проследяваните и измервани величини се явяват “малките” механични премествания, и по-точно стойностите на периодичното преместване на обекта в пространството или вибрациите. Контролирането на вибрациите е необходимо в немалко области, като микроелектрониката, в машиностроенето, в автомобилната промишленост, в енергетиката и други. Необходимостта от контролирането на вибрациите е поради факта, че в повечето случаи те са нежелателно явление, наличието на което може да доведе до нанасянето на щети върху елементи и машинни възли и да влоши работата им, както и до прекомерното им износване и повреда. Също така вибрациите имат неблагоприятен ефекти и върху хората и могат да доведат до различни здравословни проблеми. От друга страна, вибрациите могат да бъдат създадени и принудително и да изпълняват определени функции. И в двата случая обаче е необходимо осъществяването на непрекъснат контрол и комплексна оценка на оборудването.

Виброметри и акселерометри
Принципно вибрациите се характеризират с два от следните три параметъра: амплитуда на трептене; амплитуда на ускорението; честота на трептене. Получаването на информация за тези параметри и тяхното изменение в процеса на работа на промишленото оборудване е основна задача при оценката на качеството и надеждността на неговата работа. Използваните технически средства и методи за измерване на вибрациите се основават на различни физични принципи и обикновено имат определена област на използване. Принципно уредите за измерване на вибрациите биват: виброметри, измерващи механичните трептения, акселерометри за измерване на ускоренията, или вибрографи, с помощта на които се записва част или целият изследван процес. Основно изискване към виброметрите и акселерометрите е та да не изкривяват измервания процес, т.е. да не увеличават масата и да не изменят собствената му честота. Друго изискване, предявявано към виброметрите и акселерометрите, е безинерционно следване на колебателния процес.

В практиката от преобразувателите за измерване на амплитудите на колебателните процеси, най-голямо приложение намират индуктивните виброметри. Характерно за тях е, че позволяват измерването на вибрации от вибриращите повърхности на механичните системи. Считат се за подходящи за измерване на големи вибрации. За измерване на малки вибрации не се препоръчват, тъй като имат малка чувствителност и сравнително голяма грешка, дължаща се на разсейването на магнитния поток в пространството, токовете на Фуко, магнитния хистерезис и други.

Като акселерометри, принципно биха могли да се използват всички преобразуватели, намерили приложение при измерването на сили. С най-голямо приложение в практиката, обаче, са акселерометрите, разработени на базата на пиезоелектрични и жични тензопреобразуватели. Обикновено като недостатъци на използването на тензометрични акселерометри се посочват еднократното използване на тензодатчиците, влиянието на температурата върху точността на измерване, появата на умора в материала на тензодатчика при циклично знакопроменливо натоварване и др. Като техни предимства могат да се посочат: конструктивна простота, миниатюрност, възможност за измерване на големи по стойност вибрационни процеси и др.

Контактни и безконтактни методи
Методите за измерване на вибрации могат да бъдат разделени в две групи – контактни и безконтактни. Контактните методи предполагат механична връзка на датчика с изследвания обект, а при безконтактните съответно няма подобна връзка. Пример за контактен метод на измерване на вибрациите е тяхното регистриране с помощта на пиезоелектрически сензори. Тези сензори позволяват много точно измерване на вибрациите в областта на ниските честоти и при относително големи амплитуди. Те обаче не са подходящи за измерване на вибрации с висока честота и малка амплитуда, поради тяхната висока инерционност, водеща до изкривяване на формата на сигнала. Също така, ако масата на изследвания обект и неговата инерционност съответно не е голяма, тези сензори могат да повлияят в значителна степен на характера на вибрациите, което води до допълнителна грешка в измерванията.

Като цяло контактните методи се лесни за използване, характеризират се със сравнително невисока себестойност и добра точност на измерването. Техни недостатъци се явяват: относително слабото ниво на електрическия сигнал, собствени шумове и други шумове, изменение на чувствителността с течение на времето, което налага периодична калибровка, малка механична устойчивост и други.

Тъй като непосредствения контакт между сензора и изследвания обект не винаги е възможен, то в последно време сериозно внимание се обръща на разработването на безконтактни методи за измерване. Сред техните предимства са отсъствието на въздействие върху изследвания обект и пренебрежимо малката инерционност, което позволява да се избегнат едни от основните недостатъци на контактните методи. С тях може да се получи информация от различни разстояния, във всякакъв режим и при различни условия на работната среда.

Принципно безконтактните методи за измерване се основават на изследването на обекта със звукови и електромагнитни вълни. Използваните методи за измерване са предимно ултразвуков, оптичен и метод базиран на радиовълни.

Използвани сензори
Както вече стана ясно, методите и сензорите за измерване на вибрации са много различни. Могат да бъдат използвани съпротивителни, капацитивни, индуктивни, пиезо и други сензори. Много разпространени са и оптическите методи. Възможно е и използването на интерференцията на светлината. Видът на сензора се определя и от конкретното приложение. Сред най-разпространените се явяват индуктивните сензори, пиезосензорите, тензосензорите.

В основата на измерванията на базата на индуктивни сензори е промяната на индуктивността на бобина (намотка) при преместване на феромагнитната й сърцевина. В зависимост от предназначението и точността има различни сензори, които се различават един от друг най-вече по конструкцията на бобините. За измерване се използват предимно сензори с две бобини. Така се гарантира по-добра линейност и се компенсира влиянието на околните фактори и най-вече на температурата.

Пиезоелектрическият ефект се проявява при някои вещества с кристална решетка – природен кварц, сегнетова сол, литиев сулфат, някои керамични материали и др. Когато такъв кристал се постави в електрическо поле, променя размерите си синхронно с промените на полето (използва се за генериране на звукови и ултразвукови сигнали). Когато кристалът се деформира в подходяща посока, се генерира електрически заряд. Една от често използваните конструкции при измерването на вибрациите при контролиране състоянието на машини е пластинката от пиезоелемент, поставена на основа, върху която се поставя инерционна маса. При движение на основата в посока надолу-нагоре инерционната маса се противопоставя и деформира пиезопластинката. Това води до генерирането на електрически заряд, който е пропорционален на ускорението. Типичните стойности на чувствителността на тези сензори са 0,5-50 mVs2/m при честотен обхват 0,1 Hz до 200 kHz.

Тензосензорите, от своя страна, са съпротивления, които са чувствителни на деформация. При промяна на размерите им се променя съпротивлението, вследствие на промяната на дължината и сечението на проводника, от който са направени. Изработват се от материали с много малък (нулев) температурен коефициент. Конструкцията им обикновено е такава, че да са чувствителни само в една посока.