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无线电电子与电气工程百科全书 压电传感器健康远程监测装置
事故后果的危险使得有必要对测量通道的可靠性提出更高的要求，尤其是对传感器的可靠性，因为它在该设施中存在的最困难的条件下运行。 与定期（通常每年一次）验证相比，需要更频繁地控制其属性作为测量手段。 由于传感器通常安装在难以触及的地方（例如，在设备外壳下方），因此必须远程进行控制。 在所述装置中实现并使其成为可能的控制方法 [1] 基于传感器的压电换能器是可逆的这一事实，当它受到机械作用时它会产生电信号，并且当电施加电压。 在这两种情况下，对冲击的响应水平由相同的系数决定，称为压电模量。 传感器作为机械系统的惯性取决于其自由振荡的频率，这主要取决于传感器本身的特性，也取决于与传感器接触的物体部分的机械特性。 它被称为安装共振频率（UR）。 电惯量与机械惯量无关，并且在第一近似值中由传感器与电缆的电容与其负载的有源电阻的乘积确定。 传感器测量的振动频谱总是低于 SD 的频率（否则测量结果将不可靠），通常占据其值的 0,2 到 0,3...XNUMX 的区域。 为了连接到所描述的控制设备，传感器与它所使用的设备断开连接。 向其施加恒定电压，为其电容充电并使压电元件变形。 此操作的持续时间应使所有瞬态机械和电气过程都有时间结束。 之后，将电压源与传感器断开，并将一个小的有源电阻连接到后者的端子上一段时间（通常为几十微秒），足以使传感器电容几乎完全放电。 压电元件的机械变形不能以相同的速率变化，它以频率为 SD 的阻尼振荡的形式返回到初始状态。 压电元件将这些振荡转换为电信号，例如由存储示波器记录。 传感器正常状态的一个标志是在重复监测期间信号的形状和电平的不变性。 控制装置的主要节点是两个单振动器，用于设置关闭和注册间隔的持续时间，以及两个开关。 通过具有稳定闭合持续时间的脉冲衰减来激发振荡使得可以实现电信号的水平和形状的良好重复性，这对于计量操作是必需的。 所描述的设备版本稍微复杂一些。 由于存储示波器是一种昂贵且相对稀有的设备，因此控制过程是循环的，这使得使用传统示波器成为可能。 为了提高确定 SD 频率的可靠性，引入了抑制高频干扰的滤波器。 有一个自主低压电源和一个带 LED 指示灯的 UR 频率计。
该装置的方案如图所示。 1. DD1.1 和 DD1.2 元件上的多谐振荡器产生矩形脉冲。 从元件DD1.2的输出端，一个持续时间为t的脉冲被馈送到开关DA1.3的控制输入端。 在其运行期间，+1 V 的充电电压通过闭合开关提供给通过 R14R15HL3 电路连接到连接器 X12 的传感器的输入（图 3 中的曲线 U2）。
传感器的电容被充电到这个电压。 HL3 LED 设计用于在传感器电路中发出短路信号。 与所考虑的相反的脉冲来自元件 DD1.1 的输出，通过微分 (C2R6) 和积分 (C4R11) 电路到元件 DD1.3 的输入。 在其输出端，形成一个低逻辑电平脉冲，位于充电脉冲之间的暂停中，但持续时间 t2 比暂停短。 通过 C6R18 微分电路，该脉冲的下降沿触发 DA6 定时器上的单个振动器，其脉冲持续时间由 R21C7 电路的参数（图 3 中的间隔 t2）确定DA2微电路的下部（根据电路）开关的控制输入。 在这种情况下，传感器输出（连接器 X3 的引脚 1）通过开关和电阻器 R12 连接到公共线，从而使传感器电容放电。 传感器两端的电压（图 2 中的曲线 U）降至零。 定时器脉冲的下降沿在元件 DD6.1 和 DD6.3 上启动单个振动器，产生持续时间为 t4 的脉冲（由 C13R31R53 电路的参数确定）现在本质上是振荡的，通过微分电路 C6.2R2 被馈入到运算放大器 DA5 上的放大器的输入，到其输出，通过电阻器 R16，开关 SA4 连接到电容器 C25（“指示”模式）或电阻器 R3（“诊断”模式） . 在第一种情况下，形成平滑滤波器，在第二种情况下 - 与频率无关的分压器。 接下来，信号进入连接示波器或其他记录仪的 X8 连接器。 同步脉冲输出到同一连接器，与时间间隔 t27 的开始时间一致。 设备的其余节点构成 UR 频率计。 传感器信号在放大器 DA3 和电压比较器 DA5 的帮助下被转换成一系列标准幅度的脉冲。 增益（10 或 20）由开关 SA2 选择，其状态由 LED HL1 和 HL2 指示。 对来自比较器输出的脉冲计数 1 ms 将得出 SD 的频率值（以千赫为单位）。 然而，这种方法被证明是不可接受的，因为现代压电传感器的自然振荡衰减得更快。 因此，有必要在总持续时间为 1 ms 的几个较短间隔内对脉冲进行计数。 实验表明，两个 500 μs 的间隔就足够了。 帐户进行如下。 按下 SB2“Set. 0”按钮后，DD2.1 计数器设置为准备计数状态，由 HL4“Ready”LED 指示，计数器 DD4 和 DD5 设置为零。 长按 SB1“开始”按钮打开开关 DA1.1，来自元件 DD1.2 输出的时钟脉冲通过打开的开关 DA1.2 到达计数器 DD2.1。 元件 DD3.2 信号的两个输入来自计数器的输出 2 和 4，其第三个输入来自元件 DD6.2 的输出。 因此，DD3.3 元件输出的高电平仅在第六个和第七个充电脉冲之后的操作周期内存在（从按下 SB1 按钮的那一刻开始计数）。 第八个脉冲在计数器 DD8 的输出 2.1 处设置高电平，通过反相器 DD3.1 闭合开关 DA1.2。 到计数器 DD2.1 输入的脉冲流停止，HL4 LED 熄灭。 现在可以松开 SB1 按钮。 元件DD3.3的输出连接到开关DA1.4的控制输入，连接在比较器DA5的输出和计数器DD4的输入之间。 计数器 DD4 和 DD5 的状态指示不太常见 - 使用两条 5 天 LED 线 HL24-HL8。 这样做是为了减少电流消耗：所有这些 LED 的总消耗在任何情况下都不超过 1 mA。 不幸的是，由于工作温度范围不足，甚至更经济的 LCD 也不适用。 引入二极管 VD3-VDXNUMX 以减少串扰。 器件中的所有电容都是陶瓷的，C7和C13必须有一个小的TKE，它们可以不同，例如云母。 热稳定器（例如 C2-31）也应该是电阻器 R21 和 R31。 开关 - 滑动小型 B1561。 但是，最好不要使用 SA3，而是使用带有开关触点的按钮，例如 PS580N。 释放按钮时触点的位置必须与图 1 中所示的一致。 一。 连接器 X1 的类型取决于最常检查的传感器。 笔者使用的是块状插头 RS-4TV，由于国内工业振动传感器的主体是压电加速度计 ABC 和 ANS，带有电缆插座 RS-4TV，其触点的用途对应于图 1 所示。 2. 由于这种情况下可拆卸连接不需要抗振性，因此建议小心地去除插头体上的外螺纹，这样可以方便和加快传感器的连接和断开过程。 其他类型的传感器可以通过适当的适配器连接到设备。 连接器 X2 可以是任何一种，例如，ONTS-VG-3-16/XNUMX-p。 与之相连的电缆中的信号线必须屏蔽，时钟信号线不需要屏蔽。
该设备由 12 到 0522 个 AA 尺寸的原电池供电，其电压使用 TMR2 转换器 [3] 转换为双极稳定的 +/-1 V，根据图 7,5 所示的电路连接。 130. GB145电池电压为XNUMX V时，在“诊断”和“指示”模式下消耗的电流分别为XNUMX和XNUMX mA。 该设备组装在两块板上，一块在另一块之上，并通过带状电缆连接。 控件和 LED 安装在顶板上，其余元件安装在底板上，但连接器除外，它们位于单独的角板上。 身体被选中准备好了。 由于大多数有源元件是没有外部校正的逻辑门和运算放大器，因此设置正确接线的设备不需要太多努力。 在确保元件 DD1.1、DD1.2 上的多谐振荡器产生重复频率为 30 ± 5 Hz 的对称矩形脉冲后，您需要检查元件 DD1.3 输出处脉冲的位置和形状.
在没有双光束示波器的情况下，为此您可以使用最简单的加法器，其电路如图 4 所示。 四。
其输出端的信号波形图应具有图 5 所示的形式。 如图 1 所示，其中 t2 和 t2 与图 6 中的间隔相同。 11. 选择电阻 R2 和 R0,3，确保间隔 t1 在充电脉冲结束后 5 ... 10 ms 后开始。 它的持续时间应该是 6 ... 20 ms，确切的值并不重要。 DA30 定时器产生的脉冲必须具有 6.2 ... 53 μs 范围内的持续时间。 但是 DD500 元件输出的脉冲持续时间必须用一个等于 XNUMX μs 的微调电阻 RXNUMX 以尽可能高的精度进行设置。 这直接影响到标清频率的测量误差。
为了进一步调整，需要压电传感器（加速度计），其转换系数最好为毫伏/米/秒/秒，自由振荡频率（高于 SD 频率）大于 10 kHz。 通过将传感器连接到连接器 X1，连接到连接器 X2 的示波器的控件可在屏幕上实现稳定的图像，类似于图 6 所示。 8-6。 它们显示的波形图说明了信号对传感器状态的依赖性：松散（图 7）； 严格按照说明书安装（图8）； 已安装，但与受控结构的紧固松动（图 50）。 波形图沿纵轴和横轴的刻度分别为 50 mV/div。 和 XNUMX µs/格。 激励振荡的可重复性由以十倍激励重复测量示波图特征点位置的结果来表征。 差值不超过 1,5%，实际上与使用的 S9-8 存储示波器的误差一致。 最好确保运算放大器 DA3 的输出端没有信号失真。 实际上，它们不太可能，不同类型传感器的阻尼振荡范围略有不同，不超过数百毫伏。 当检查比较器 DA5 上的施密特触发器的操作时，您应该比较其输入处信号的周期数和输出处的脉冲数。 触发阈值由选择的电阻器 R19 和 R23 设置。 传感器的第一次控制，特别是设计用于长期和不间断的操作对象，最好在安装后立即执行。 在这种情况下，将立即清楚是否满足所有要求（底座表面允许的不平整度和粗糙度、螺纹的拧紧扭矩、无污染等）。 它们的违反会大大降低 SD 的频率，以至于传感器信号无法正确反映振动的性质。 结果，可能产生用于物体紧急停止的错误命令。 记录获得的结果（计算 SD 的频率和开关 SA2 的位置），它将作为在后续控制周期中评估传感器状态的基础。 观察到的偏差将作为更详细研究传感器状况和决定是否需要修理或更换传感器的基础。 这意味着控制是在停止的单元上执行的。 它的温度不一定是恒定的，使用的效果对其变化很敏感。 如上所述，在振动激发过程的两个阶段，对冲击的反应由压电模量的值决定 - 换能器材料的特性，这取决于其微观结构的有序程度，其降低随着温度的升高。 在这种情况下，电信号的幅度与压电模量的平方成正比，其温度依赖性也相应更强。 根据实验，在温度高达 250°C 的控制期间，最高工作温度为 120°C 的传感器的信号具有 ±6% 以内的不稳定性。 因此，希望在所有控制循环中温度分布不超过 20 °C。 在这方面，最好将设备与允许您测量传感器温度的设备结合使用。 对操作单元进行控制的可能性取决于多种情况。 我们可以立即说，如果传感器在物体正常工作期间记录的振动水平接近传感器的极限，则振动频谱的上限接近 SD 的频率，或者最终接近于传感器的温度。传感器接近最大允许值，控制是不可能的。 您必须在设备计划关闭期间执行它，但即使在这种情况下，使用该设备也将节省时间并摆脱机械工作。 如果上述情况不是很明显，则应在设备启动前和运行期间进行控制。 通过比较结果，您可以做出明智的决定。 必须牢记，仅使用所述设备的内置指示器进行控制只能实现部分可能性。 对传感器自然振动的频谱或其他特性的分析不仅可以更准确地评估其状况，还可以获取有关安装传感器的对象节点健康状况的附加信息。 事实是，在其正常运行期间获得的传感器信号频谱的上限通常不超过 1000 Hz，有时甚至更低。 物体上的小故障对振动频谱的性质影响不大。 并且由于在控制过程中光谱是无与伦比的宽，因此，通过分析它，甚至可以注意到物体上情况的微小变化，当然，如果它们发生在传感器附近。 频谱分析仪连接到 X2 连接器而不是示波器（或与其一起），并且 SA3 开关设置为“诊断”位置。 该设备不仅可以检测由压电模块变化引起的传感器转换系数变化的事实，还可以计算其新值。 最简单的技术是在双重控制期间比较信号：首先，在传感器安装后，当其最近验证的数据有效时，然后在可以预期传感器参数变化的时间之后。 在这两个记录上，您需要以相同的方式选择 N 个振荡周期，在每个周期中确定信号范围（最大值和最小值之间的差）并将获得的值相加。 如果在初始控制期间获得总和V1，并且在重复控制期间-V2，则重复控制时的转换系数等于
其中 S1 是验证过程中获得的转换系数的值 [3]。 它可用于分析测量结果直至下一个标准验证。 该设备的另一个应用是在组装和参数调节阶段制造压电传感器。 在示波器屏幕上，您可以清楚地观察传感器对正在进行的操作的响应，就像使用扫描仪调整滤波器时一样。 在这种情况下，不仅可以获得关于谐振频率的信息，而且在某种程度上可以获得关于转换系数的值的信息。 我们补充说，除了振动传感器，在某些情况下还可以控制压电压力脉动传感器，但是，控制只能是定性的：根据“成功失败”原则。 文学 1. Subbotin M。压电加速度计谐振振荡的电激励方法及其实施装置。 俄罗斯联邦专利号 2150708。 - 发明公告，2000 年，第 16 号。
作者：M. Subbotin，莫斯科； 出版：radioradar.net
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