Средства измерений и контроля ускорения и вибрации

5.2 Цель занятия:познакомится с конструкцией и применением средств измерений и контроля ускорения и вибрации

Методические указания

5.3.1 Методы и средства измерений ускорений

Ускорения измеряются в метpax на секунду в квадрате (м/с²). В качестве единицы измерения ускорения часто применяют величину, связанную с ускорением земного притяжения — g. Например, ускорение, равное 0,lg; 10g и т.д. Ускорения могут быть линейными и угловыми. Средства из­мерения ускорений называются акселерометрами.

Инерциальный метод основан на измерении силы, раз­виваемой инерционной массой при ее движении с ускорением. Прин­цип действия средств измерений, реализующий инерциальный ме­тод, состоит в следующем (рисунок 5.3.1). Инерционная масса 1, свя­занная с корпусом прибора 4 с помощью пружины 2 и демпфера 5, может перемещаться в направлении оси 7, называемой осью чувстви­тельности. Перемещение инерционной массы, пропорциональное измеряемому ускорению, преобразуется посредством резистивных, индуктивных или емкостных преобразователей 6 в электрический сигнал, который после усиления в усилителе Упоступает на элек­тромагнит 3. Последний создает усилие F, уравновешивающее инер­ционную силу ma_x, т.е.

F =ma_x, где a_х— ускорение.

 

1 — инерционная масса; 2 — пружина; 3 — электромагнит; 4— корпус прибора; 5 — демпфер; 6— преобразователь; 7 — ось; У— усилитель

Рисунок 5.3.1 - схема акселерометра.

5.3.2 Методы и средства измерений вибраций

При измерении вибра­ций всегда участвуют три элемента: вибрирующее звено, исходное (невибрирующее) звено и устройство для измерения движения виб­рирующего звена относительно невибрирующего. Средство изме­рения вибраций носит название виброметр (рисунок 5.3.2, а). Обычно исходное (невибрирующее) звено создается с помощью массы, которая может перемещаться вдоль (или вокруг) оси вибраций. Масса 1 связывается с основанием прибора 4 с помощью пружи­ны 2 и демпфера 3. Преобразователь 5 выдает сигнал смещения корпуса относительно массы 7 в зависимости от параметров массы 1, пружины 2 и демпфера 3. Сигнал может быть пропорциональ­ным относительному перемещению массы 1 и основания прибора 4, относительной скорости или ускорению. Масса 1 виброметра носит название сейсмического элемента, а система, образующаяся из массы 1, пружины 2 и демпфера 3, — сейсмической системы.

а — конструкция виброметра (1 — масса; 2 — пружина; 3 — демпфер; 4 — основание прибора; 5 — преобразователь);

б — конструкция электромагнитного линейного виброметра (1 — направляющий диск; 2 — ось чувствительности; 3 — жидкость; 4 — опорный стержень; 5 — втулка; 6 — постоянный магнит; 7 — обмотка; 8 — сейсмический элемент; 9 — каркас катушки; 10 — паз; 11 — воздушный зазор; 12 — пружинный мост; 13 — корпус прибора);

Рисунок 5.3.2- Средства измерений вибраций

.На рисунке 5.3.2, б представлена конструкция электромагнитного линейного виброметра с направляющей опорой для сейсмическо­го элемента. Сейсмический элемент 8 установлен на опорном стержне 4 в вязкой жидкости 3. Направляющий диск 1 втулки 5 с малым трением позволяют перемещаться сейсмическому элементу вдоль оси чувствительности 2. Величина перемещения (вибрации) определяется наведением токов в обмотке 7, постоянным магни­том 6, закрепленным в сейсмическом элементе 8. Виброметр этого типа при объеме 90 см³ и весе 450 г обладает собственной частотой 10 Гц, чувствительностью 0,03 В/(см∙с^-2) и диапазоном входных смещений ±0,5 см.

Ход занятия

5.4.1. Познакомится с конструкцией и принципом работы приборов

5.4.2. Выполнить схемы, описать конструкцию средств измерений.

5.4.3. Ответить устно на вопрос:

1. Каков принцип действия и устройство приборов?

5.4. 4 Сделать вывод по занятию

.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ

Средства измерений и контроля силы и механических характеристик

6.2. Цель занятия:Познакомиться с применением и конструкцией средств измерений для измерения силы и механических характеристик

Методические указания

Средства измерения, предназначенные для измерения сил, на­зываются динамометрами (силомерами).

Принцип действия динамометров основан на ис­пользовании деформации упругих тел под действием силы, пьезоэффекта, тензоэффекта, магнитоупругости материа­лов и др.

Динамометры можно классифициро­вать по принципу действия на механи­ческие, гидравлические и электрические.

В качестве примера механических динамометров с упругим элементом (рисунок 6.3.1) рассмотрим конструкцию средства измерения силы тяги транспортных средств, усилий свинчивания резьбовых деталей и т. п. Здесь деформация упругого элемента 1 воспринимается стрелочным указателем 2. Малые значения де­формаций упругого элемента под действием сил F преобразуют­ся в значительные перемещения стрелки или пера самопишуще­го устройства.

 

1 – упругий элемент; 2 – стрелочный указатель

Рисунок 6.3.1 – Конструкция динамометра с упругим элементом.

Гидравлические динамометры представляют собой ус­тройства, трансформирующие приложенное усилие в гидравли­ческое давление, измеряемое тем или иным способом.

На рисунке 6.3.2 представлена конструкция гидравлического силоизмерителя (месдозы). Сила, воспринимающаяся поршнем 2, че­рез мембраны 1 и 3 трансформируется в давление, измеряемое манометром 6.

Механические и гидравлические динамометры отличаются вы­сокой надежностью и простотой конструкции. Они могут работать при отсутствии источников энергии, что делает их удобными для эксплуатации в полевых условиях. К недостаткам относятся: отсутствие возможности использова­ния дистанционной индикации и регистрации показаний, отно­сительно невысокая точность измерения 0,5...2%, трудности из­мерения малых сил.

 

 

1 и 3 – мембрана; 2 – поршень; 4 – полость;

5 – трубопровод; 6 – манометр

Рисунок 6.3.2– Конструкция гидравлического силоизмерителя (месдозы)

Для измерения массы, усилия, напряжения в большинстве случа­ев применяют тензометрические (резисторные) и магнитоупругие (магнитоизотропные) преобразователи. Принцип работы таких преобразователей основан на преобразо­вании усилия в упругую деформацию какого-либо элемента, вос­принимающего силовой параметр, и вторичном преобразовании на­пряженного состояния этого элемента в электрическую величину, которую можно непосредственно измерить. Используют упругие эле­менты, работающие на сжатие, растяжение, реже на изгиб.

Чувствительным элементом тензорезистора (тензодатчика) яв­ляется металлический проводник, наклеенный на массивную де­таль, подвергающуюся механической деформации. По изменению сопротивления тензорезистора в зависимости от прикладываемого усилия судят об измеряемом параметре.

Проволочный тензорезистор (рисунок 6.3.3) состоит из проволоки диаметром 0,025... 0,05 мм, уложенной в ряд петель длиной 5... 25 мм и шириной 3... 10 мм. Петли наклеивают на пленку или бумажную прокладку 4 и сверху заклеивают защитной бумажной полоской. Проволочный преобразователь наклеивают на измеряемую поверх­ность 1, деформирующуюся под действием усилия. Деформация упру­гого элемента вызывает растяжение (сжатие) проволоки 2 тензоре­зистора и соответствующее изменение сопротивления тензорезисто­ра. Эта величина снимается и обрабатывается измерительной схемой.

 

 

1 – измеряемая поверхность; 2 – проволока; 3 – выводы;

4 – бумажная прокладка.

Рисунок 6.3.3 – Схема проволочного тензорезистора

Простота конструкции и малые габаритные размеры тензорезисторов позволяют их использовать в труднодоступных местах раз­личных машин и механизмов для определения деформаций.

Принцип действия магнитно-анизотропных преобразователей ос­нован на изменении магнитных свойств (магнитной анизотропии) ферромагнитных материалов при их деформации под воздействи­ем механических усилий. Этими свойствами обладают сплавы же­леза с алюминием, кобальтом, хромом и никелем.

Чувствительный элемент преобразователя выполнен в виде пря­моугольной плиты (рисунок 6.3.4, а), состоящей из одного или несколь­ких брусьев сечением 70 х 80 мм. Брусья фиксируются штифтами и стянуты шпильками. Шлифованные рабочие поверхности имеют пазы, разделяющие элемент на секции. В каждой секции по четыре отвер­стия, в них укладываются первичная и вторичная обмотки. Секции обмоток соединены последовательно; они заливаются жидким ком­паундом, который затем полимеризуется до эластичного состояния.

Шлифованная поверхность чувствительного элемента закрыта прокладкой из ленты повышенной твердости, что защищает ее от повреждений.

При отсутствии деформации (рисунок 6.3.4, б) магнитный поток на­магничивающей обмотки W₁ благодаря изотропным свойствам (по магнитной проницаемости) практически не сцепляется с измери­тельной двухсекционной обмоткой W₂, вследствие чего наводимая в ней электродвижущая сила (эдс) равна нулю. Сжатие преобразовате­ля (рисунок 6.3.4), в приводит к тому, что в плоскости, перпендикуляр­ной действию силы F ≠0, магнитная проницаемость его становится больше, чем в направлении действия силы. В результате этого проис­ходит изменение конфигурации магнитного потока и во вторичной обмотке наводится эдс, пропорциональная приложенному усилию.

Магнитно-анизотропные преобразователи отличаются более мощным выходным сигналом, нежели чем в тензометрических (в 10⁶ раз), высокой надежностью, сравнительно низкой точностью измерений (погрешность 3... 5 %). Они нашли применение для кон­троля сил, действующих на различные механизмы или узлы.

 

а – расположение обмоток; б – ненагруженное состояние;

в – нагруженное состояние

Рисунок 6.3.4 – Магнитно-анизотропный преобразователь

Моментомеры. Принцип действия моментомеров основан на из­мерении деформации кручения вала, передающего крутящий мо­мент. Моментомеры можно классифицировать на группы: с предва­рительным преобразованием в угловое перемещение, с непосред­ственным преобразованием. Деформацию можно измерять посред­ством тензорезисторного, индуктивного, магнитоупругого, струн­ного и других преобразователей. Диапазон измерения моментов для тензорезисторного и магнитоупругих моментомеров находится в пределах 10... 10³ Нм, для струнных — 0... 5-10⁶ Нм, для индуктив­ных — 10^-1... 10⁵ Нм с погрешностью измерений 0,2... 1 %.

 

1 и 9 — диск; 2 — растровые решетки; 3 и 14 — фоторезистор; 4 — усилители; 5 — фазовый детектор; 6— фильтр; 7— показывающее устройство;

8 — выходной вал; 10 — трубка; 11 — упругий торсион;

12 — входной вал; 13 — растр; 15 — осветитель

Рисунок 6.3.5 - Схема оптико-электронного моментомера

В качестве измерителя угла скручивания при измерении момента при относительно постоянных частотах вращения валов может быть применен оптико-электронный преобразователь (моментомер) (рисунок 6.3.5).

Он содержит упругий торсион 11, соединяющий входной 12 и выходной 8 валы. На входной вал 12 установлена жесткая трубка 10, несущая на себе прозрачный диск 9 с растром 13. На выходном валу 8 закреплен диск 1 с аналогичным растром. Между дисками распо­ложен осветитель 15. Оптические растры дисков 1 и 9 взаимодей­ствуют с неподвижными прозрачными растровыми решетками 2 и растром 13. На выходе световых пучков установлены фотоэлементы, фотодиоды или фоторезисторы 3 и 14.

При отсутствии крутящего момента с фоторезисторов 3 и 14 на входы усилителей 4 поступают сигналы, частота которых одинакова. При передаче момента торсион деформируется, поворачиваясь на определенный угол, что вызывает отставание фазы напряжения с диска 1 от фазы напряжения с диска 9. Сигналы этих частот после усиления поступают на фазовый детектор 5, к которому через фильтр 6 верхних частот подключено показывающее устройство 7.

Ход занятия

6.4.1. Познакомится с конструкцией и принципом действия динамометра с упругим элементом, гидравлического силоизмерителя, тензометрического преобразователя, магнитно – анизотропного преобразователя, моментомера

6.4.2. Выполнить схемы, и описать конструкции устройств

6.4.3. Ответить устно на вопрос:

1. Каково назначение и принцип действия средств измерений?

6.4. 4 Сделать вывод по занятию

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ