Описание и работа

Вибродатчик (сылка на видеофранмент работы датчика)

Информационный листок вибродатчика ДВ1600 ( кратко чтобы долго не читать)

В этой статье расскажу о датчике вибраций ДВ1600. Попытаюсь проанализировать его сильные и слабые стороны. Его характеристики. Пригодность к эксплуатации как измерителя вибраций. Попытаюсь сравнить его с другими пьезокерамическими вибродатчиками (например фирмы Брюль и Къер (Brüel & Kjær)).

Чувствительность датчика вибрации ДВ1600

Чувствительность датчика была определена на калибраторе. Установили на калибратор (калибратор даёт 1g=10м/c²) и получили 300 мВ. Амплитудного значение напряжения (Реак Voltage). Запишем этот важный параметр S = 300 мВ/g. То есть при воздействии на него ускорения свободного падения он выдаст на выходе 0,3 В (Пиковое значение).

Также на выходе датчика будет постоянное напряжение 1.5 вольта. Соответственно при питании от 3 вольт диапазон измеряемых значений равен 3g. Давайте также отметим что этот сигнал очень удобный для анализа. В датчик уже встроен усилитель ( с выходом имеющим низкие выходное сопротивление ) и сигнал можно подавать сразу на осциллограф или анализатор спектра, что не Вибродатчик не исказит форму сигнала и не приведёт к искажению данных. В пьезокерамических датчиках нет встроенных усилителей. Например фирмы Брюль и Кьер. Это один из самых популярных усилитель 2635 (и наверное самый дешёвый) на момент написания стоил 520 000 рублей. Ну и даже отечественному ДН3, например, необходим предварительный усилитель ( предусилитель ) ПМ-3. Боюсь сейчас не выпускается. Так же отмечу что динамический диапазон измерений пьезокерамических датчиков достигает достигает 10000g, например фирмы Брюль и Кьер . А нужно ли столько? Перегрузки, возникающие во время выведения космических аппаратов, не превышают 7 g. Пилот самолёта не испытывает больше 5g. Но основная сфера применения датчиков вибрации это исследование вибрации от механизмов (не соосности валов, неравномерности нагрузки, вибрации ДВС и т.д.). Там не нужен диапазон 10000g. Там и 3g прекрасно хватает. А то и лучше. Чувствительность выше если динамический диапазон ниже. Также в будущем затронем вопрос ограничения динамического диапазона «снизу», в главе «собственные шумы».

Частотный диапазон.

Частотный диапазон датчика от 0.5 Гц до 1600 Гц.
Много это или мало. Приведу расчёт частоты вращения вала двигателя автомобиля. Это наиболее всем понятный пример.

Пусть число оборотов двигателя 8000 об/мин. Частота сигнала выделяемая при не соосности вала двигателя будет 133 Гц. При одном обороте четырехтактного двигателя взрыв происходит в одном цилиндре. Именно такую частоту мы и увидим. В подтверждение я попробовал на своей машине. Именно такой сигнал я и увидел. Ниже привожу принт с экрана своего осциллографа «HANTEK IDSO1070» при подключении датчика ДВ1600, расположенного на падушке заведённого двигателя автомобиля. Автомобиль очень тихий. Но и при этом видать работу каждого цилиндра. Вертикальная развёртка осциллографа 10 мс. на клетку.

Датчик ДВ1600 на двигателе — Рис. Датчик ДВ1600 установлен на подушку двигателя и закреплён магнитом.

Также можно посмотреть какая частота вращения вала будет соответствовать верхней частоте диапазона. 1600 умножаем на 60 и получаем 96000 об/мин. В промышленности очень редко применяются такие высокооборотные механизмы.

Собственный шум дачика. Сравнение с пьезокерамическим датчиком вибрации Брюль и Къер 8305.

Давайте сначала рассмотрим собственный шум датчика Брюль и Къер 8305. Здесь производитель (что и справедливо) считает его принебрежимо малым по сравнению с собственным шумом усилителя). Можно считать что ненагруженная пьезокерамика не шумит.

Усилителям заряда B&K 2525, 2636, 2626 имеют характерный собственный шум, приведённый ко входу, обычно находится в районе 5–10 мкВ RMS.

Чувствительность системы. Здесь надо посчитать. Входящие данные указана в паспорте чувствительность датчика 1,23 пКл/g (пико кулон/10м/c²).

Входная ёмкость усилителя заряда Сф. Здесь тоже можно взять из паспорта к усилителю. Она соствляет от 10 до 100 пФ в зависимости от диапазона измерений. Предлагается взять 100 пФ (при этом диапазоне измерений датчик будет не очень чувствителен к шумам и не перегружаться от любого воздействия).

Чувствительность всей системы соответственно перемножение этих двух параметров. Необходимо 1,23 поделить на ёмкость при приведении ко входу (проще для понимания исходить из такой логики «чем больше емкость входа тем бальшую емкость заряжать до 1 вольта исходящим кулонам, 1 пикокулон зарядит 1пикофарат до 1 вольта») получим размерность прямую в вольтах на g (10м/c²).Чувствительность датчика Брюль и Къер 8305

S=0,0123 В/g=12.3 мВ/g

И теперь для простоты понимания произведём последнее действие. Пересчитаем электрический шум в эквивалентный ему еденицы g (при известной чувствительности системы). Здесь для простоты сотавим пропорцию где 12,3 мВ относится к g так же как и 0.01 мВ (10мкВ из паспорта) к искомой велечине выраженной в g. Получаем Аш=0.00081g=0.81мg

Рассмотрим собственный шум датчика ДВ1600.

Уговоримся, что нам необходим уровень собственных шумов выразить в той же размерной велечине (в еденицах g). Для понимания уровня собственных шумов нам необходим набор каких то данных. Они могут быть как померянные так и установленные раннее. Для этого я подключил датчик ко входу осцилографа и замерял уровень сигнала на выходе при максимально тихой обстановке. При таких замерах уровень собственных шумов выраженных в вольтах уж точно будет не ниже, чем измеренных при режиме идеальной тишина. Приведу скрин с экрана осцилографа.

Ну и для контроля приведу собственный шум осциллографа (это когда подаём на вход землю, перемыкаем контакты входа и земли). Надо сказать что они очень близки.

Ну и в результате измерений можно записать результат. Uш=0.33 мВ (RMS-среднеквадратичного значения, 1 мВ пикового).

Теперь также составив пропорцию с чувствительностью получим собственный шум датчика 3.4 мg.

Разница в 4 раза в пользу Брюль и Къер 8305 ( у него напомню 0.81 мg).

Отмечу что у датчика мы вольтовые еденицы брали в RMS а у ДВ1600 все замеры напряжений делали в пиковых значениях. Но при переводе в g они стали одноразмерными.

Отметим все эти расчёты велись при условии интегрального уровня шумов. Но давайте вспомним что если перейти в спектральную плотность шума то полоса датчика ДВ1600 будет в 6 раз меньше. И тогда спектральные плотности шума обоих датчиков будет примерно равны (разница в корень из 6 в пользу ДВ1600, у него полоса в 6 раз меньше). Спектральная плотность шума выражается в Вольтах на корень из Герц рабочего диапазона частот.

Но теперь все эти расчёты и замеры можно перечеркнуть, Измеряемые шумы и вибрации значительно выше собственного шума обеих рассматриваемых датчиков. И тогда на первый план выходит чувствительность. А у датчика ДВ1600 она значительно выше (300 мв/g против 13,2 мв/g).

Какие уровни ускорений измеряются в вибродиагностике оборудования.

Наиболее экономически эффективное применение датчиков вибраций происходит в вибродиагностике производственного оборудования. Это исследования станков, редукторов, механизмов, электрических машин. Давайте отталкиваться от каких-нибудь основопологающих документов (ГОСТов, ОСТов).

Основополагающими документами в этой области считаются

ГОСТ ИСО 1940-1-2007 («Вибрация. Требования к качеству балансировки жёстких роторов. Часть 1. Определение допустимого дисбаланса»). Предлагаю для понимания порядка измеряемых величин взять металлорежущие станки, вентиляторы, насосы. Указан класс балансировки G6.3 . Что значит что допустимая виброскорость на частоте вращения не должна быть выше 6.3 мм/c . Как мы видим указана скорость. Давайте пересчитаем эту величину в размерность g (ускорений). Для этого нам необходимо знать частоту вращения вала. Предлагаю взять 3000 об/мин. как частота вращения самых популярных асинхронных двигателей. Частота вращения с секунду 50Гц.

А(м/c²)=2πfV=1.979м/c².

Переводим в размерность g, поделив на 9,81 получаем 0,2g.

Эти величины датчику уже точно по «зубам» с большим запасом (собственный шум датчика ДВ1600 3.4 mg=0.0034g). Ну и другие указанные в этом ГОСТе величины того же порядка.

Ну и отметим что датчики Брюль и Къер (например 8305 — наиболее распространённый в вибродиагностике) будут очень эффективны при исследовании станков генерирующих сильные ударные нагрузки (например отрубные). Но часто ли это необходимо. Это как на Феррари возить картошку. Да и повторюсь зарядным датчикам необходим как минимум усилитель и осциллограф. А сигнал датчика ДВ1600 можно подавать сразу на осциллограф.

Конструктивные особенности датчика ДВ1600 (удобство и клиентоориентированность).

Прямо на датчике имеется мощный магнит что позволяет его оперативно разместить на любой металлической исследуемой поверхности.

Корпус датчика не является токонесущей конструкцией, что облегчает развязку датчика.