ГОСТ ИСО 5347-0-95 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 0. Общие положения

     4 ИЗМЕРЯЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

4.1 Общие положения

Основной целью калибровки датчика является определение его чувствительности в рабочем диапазоне частот и амплитуд для той степени свободы, в которой датчик предназначен использоваться. Кроме того, может быть важна информация о чувствительности датчика к движению в направлении других пяти степеней свободы. Например, для линейных датчиков ускорения необходимо знать их чувствительность к движению, перпендикулярному направлению оси чувствительности и вращению. Другими важными факторами являются демпфирование, сдвиг фаз, нелинейность или вариация выходного сигнала при изменении амплитуды входного сигнала, чувствительность к воздействию температуры, давления и других внешних условий, таких, например, как движение соединительного кабеля.

4.2 Основные характеристики датчика

4.2.1 Амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики

Чувствительность датчика определяют измерением параметров движения или входного сигнала, прикладываемого к датчику генератором вибрации, и выходного сигнала датчика. При этом датчик устанавливают таким образом, чтобы его ось чувствительности совпадала с направлением движения, возбуждаемого генератором вибрации. С помощью контролируемого регулируемого воздействия, амплитуда и частота которого лежат в пределах соответствующих диапазонов датчика, могут быть откалиброваны как датчики непрерывного действия, так и датчики максимальных значений.

Для выполнения резонансов датчика необходимо наблюдать за его выходным сигналом во время медленного непрерывного изменения частоты генератора вибрации во всем частотном диапазоне датчика.

В функции частоты определяется в основном амплитуда чувствительности. Однако для использования датчиков на частотах, близких к их нижним или верхним пределам, или для специальных целей может потребоваться знание их фазо-частотной характеристики. Она определяется путем измерения сдвига фаз между выходным сигналом датчика и входным механическим воздействием во всем интересующем диапазоне частот.

4.2.2 Нелинейность амплитудной характеристики (АХ)

Нелинейность АХ датчика (искажение амплитуды) определяют, измеряя амплитуду его выходного сигнала при изменении входного сигнала в рабочем диапазоне амплитуд от минимального до максимального значений. При использовании генератора синусоидальной вибрации измерения проводят на нескольких частотах.

Нелинейность АХ может иметь несколько форм. Чувствительность может изменяться постепенно с увеличением амплитуды, может иметь постоянное изменение, ведущее к смещению нуля после воздействия на датчик вибрации или удара, могут быть задержки, которые внезапно ограничивают диапазон движения.

Тип и значения нелинейности АХ датчика могут быть определены по его амплитудным искажениям и сравнением его резонансной кривой, фазового сдвига и затухания с соответствующими характеристиками идеального линейного датчика. Учитывая, что нелинейность зависит от значений измеряемых величин, ее необходимо определять на верхних пределах динамического диапазона датчика.

4.3 Характеристики влияния

4.3.1 Температурная характеристика

Чувствительность, относительное деформирование и резонансная частота многих датчиков находятся в функциональной зависимости от температуры. При определении температурной характеристики чаще всего используют метод сличения.

Испытуемый датчик размещают внутри термокамеры соосно с эталонным, который защищают от изменений температуры, располагая его снаружи термокамеры или другим способом. Изменение чувствительности эталонного датчика не должно превышать 2% в течение всего времени калибровки. Испытания проводят на частотах, где поперечное движение генератора вибрации не превышает 25% осевого движения. Генератор вибрации, крепление датчиков на частотах калибровки должны обеспечивать незначительное относительное движение между эталонным и испытуемым датчиками.

Альтернативным является метод, при котором эталонный и испытуемый датчики крепят на площадке внутри термокамеры. Этот метод ограничен диапазоном температур, в котором известны температурные свойства эталонного датчика.

Для датчиков, чувствительных к статическому ускорению, измеряют разбаланс нуля при максимальной и минимальной температурах.

Датчики с внутренним демпфированием больше 10% критического демпфирования следует калибровать как минимум на четырех частотах при одном значении амплитуды вибрации и при пяти значениях температуры, включая комнатную. Этот метод должен применяться при испытаниях, например, датчиков электродинамического типа, в которых используются катушки с проводом. Частоты выбирают из частотного диапазона в зависимости от предполагаемого использования.

У пьезоэлектрических датчиков после их стабилизации при максимальной температуре измеряют внутреннюю емкость и сопротивление. При этом, если его сопротивление настолько низкое, что влияет на низкочастотную область характеристики применяемого усилителя, необходимо откалибровать датчик в низкочастотной области при этой температуре. Для адекватного описания частотной характеристики испытания проводят на нескольких частотах. При этом калибруется полная система с использованием того усилителя, который будет эксплуатироваться с датчиком.

Температурную чувствительность вычисляют как разность между чувствительностью датчика, измеренной при нормальной температуре (20 °С) на частоте из диапазона частот, в котором частотная характеристика датчика линейна, и чувствительностью датчика при испытательной температуре. Эта разность выражается в процентах от чувствительности при нормальной температуре. Желательно использовать датчики, температурная чувствительность которых не превышает 15% во всем рабочем диапазоне температур.

Примечание - Высокая температура может влиять как на частотную характеристику в низкочастотной области, так и на помехоустойчивость и стабильность системы датчик - усилитель.

4.3.2 Чувствительность пьезоэлектрических датчиков к перепаду температур

Пьезоэлектрические датчики под действием перепада температур генерируют пироэлектрический сигнал. Это особенно очевидно для ферроэлектрических материалов. Значение пироэлектрического выходного сигнала зависит от химического состава кристалла и конструкции датчика. Обычно частота пироэлектрического выходного сигнала значительно меньше 1 Гц. Большинство пироэлектрических сигналов датчика фильтруются благодаря частотным характеристикам усилителей в низкочастотной области. Таким образом, пироэлектрический выходной сигнал зависит от скорости изменения температуры и от характеристик усилителя и датчика, используемых совместно.

Пироэлектрические испытания проводят, используя тот тип усилителя, с которым обычно используется датчик. Датчик крепят к алюминиевому бруску обычным способом крепления. Их быстро погружают в ванну с ледяной водой или другой подходящей жидкостью, температура которой отличается от нормальной приблизительно на 20 °С. Жидкость в ванне должна быть оговорена. Масса бруска должна быть приблизительно в 10 раз больше массы датчика. Должны быть приняты меры предосторожности, чтобы жидкость не проникла в датчик или чтобы сопротивление электрической изоляции не снизилось при соприкосновении с жидкостью и т.д. Максимальное значение выходного сигнала усилителя и время от начала погружения до момента достижения этого максимума измеряют на осциллографе постоянного тока или на самописце. Если выходной сигнал в течение первых двух секунд изменит полярность и достигнет максимума противоположной полярности, то значение и время этого максимума тоже должны быть зарегистрированы.

Для датчиков ускорения чувствительность к перепаду температур выражают в м·с/°С и определяют как частотное от деления максимального выходного сигнала датчика на произведение разницы между температурой жидкости в ванне и нормальной температурой на чувствительность датчика.

В особых случаях используют усилители, имеющие низкочастотную область значительно шире. Пироэлектрические испытания следует проводить с использованием именно таких специфических усилителей. Для случаев, когда скорость изменения температур сильно отличается от получаемой при условиях, описанных выше, могут быть проведены испытания, имитирующие определенное изменение температуры.

4.3.3 Относительная поперечная чувствительность датчика