Далі, на малюнку 1, представлена схема електрична принципова вимірювача віброприскорення - віброакселерометра, віброметра прискорення (далі - вербу).
"Натисніть" на малюнку для збільшення.
Найбільш відповідальним складовим вербу є віброперетворювач Q1 (ВП). Існує велика кількість конструкцій ВП.
В останні роки найбільш поширені п'єзоелектричні ВП. в яких використовується п'єзоефект при згинальної деформації п'єзоелемента. При використанні згинальної деформації п'єзоелемента досягається: високий осьової коефіцієнт перетворення; низький коефіцієнт поперечного перетворення; відсутність необхідності використовувати інерційну масу, яка має високу вартості вихідного матеріалу, і дуже трудомістка в механічній обробці.
Спрощена конструкція п'єзоелектричного ВП, в якій використовується изгибная деформація п'єзоелемента - на малюнку 2.
Корпус 8 повинен бути виготовлений з міцного матеріалу (сталь, нержавіюча сталь, титан). Основа не повинна відчувати згинальну деформацію при експлуатації ВП. Кришка корпусу 7 з'єднується з корпусом різьбленням. На поверхні кришки є пази для "торцевого рогатого" ключа.
Через гвинт 3, верхній електрод пьезоелемента 1 з'єднаний з провідником кабелю 10 (червоний колір ізоляції) і корпусом ВП. П'єзоелемент затиснутий двома струмопровідними шайбами 2. Шайба 6, розташована між токос'емноє шайб (електродами) 5, виготовлена з ізоляційного матеріалу. Провідники кабелю припаяні до електродів 5, при цьому екранує провідник кабелю з'єднаний з нижнім (корпус), а сигнальний (жовтий колір ізоляції) - з верхнім. Провідники повинні бути приклеєні до дна корпусу для збільшення їх (і ВП в цілому) вибропрочности і віброжёсткості. Для виключення електричного з'єднання (між собою) електродів гвинтом, застосована електроізоляційна втулка 4. Для механічного закріплення кабелю і забезпечення вологостійкості, використовується сальник 9.
Для кріплення ВП до об'єкта вимірювання на шпильку 11 (стандартне кріплення), в основі ВП присутній отвір 13, з нарізаною різьбою М5. Якщо необхідна сумісність з імпортними елементами кріплення ВП - різьблення повинна бути 10-32 UNF.
Іноді зручно проводити вимірювання використовуючи щуп 12, в цьому випадку, він встановлюється використовуючи отвір з різьбленням, призначене для установки на шпильку. Слід враховувати, що при цьому робочий діапазон частот знизиться до 0,5. 2 кГц.
Всі елементи конструкції повинні мати високий ступінь паралельності та співвісності, а різьблення - перпендикулярності. Порушення цих вимог може призвести до руйнування пьезоелемента при складанні та / або збільшення похибки вимірювання.
У ВП рекомендую використовувати п'єзоелемент ПЕБ-18, виробництва НКТБ ПФУ «Пьезопрібор» Ростов-на-Дону (далі - ПЕБ-18).
При використанні ПЕБ-18, слід очікувати наступних характеристик ВП:
коефіцієнт перетворення в осьовому напрямку від 3,5 до 5 мВ * з 2 / м;
відносний коефіцієнт поперечного перетворення не більше 5%;
нелінійність амплітудної характеристики не більше 5%, при віброприскорення не більше 200 м / с 2;
вихідна електрична ємність (імпеданс) НЕ менш як 1600 пФ.
Зазвичай для виготовлення ВП використовують корозійно-стійкі метали (титан, високолеговану сталь) і антивібраційний кабель, проте, можливе використання і менш дорогих матеріалів, при цьому дещо погіршаться експлуатаційні параметри.
Для узгодження високого вихідного імпедансу ВП з наступними за ним функціональними пристроями вербу застосований попередній підсилювач ПУ, виконаний з використанням польового і біполярного транзисторів V1 і V2.
При вимірюванні віброприскорення відповідного максимального значення діапазону вимірювань - 200 м / с 2. на вхід ПУ буде надходити сигнал з СКЗ напруги не менше 1 В, отже напруга живлення ПУ має бути не менше 12 В.
При вимірюванні віброприскорення відповідного найменшому значенню діапазону вимірювань для мінімальної межі вимірювання - 0,02 м / с 2. на вхід ПУ надійде сигнал з СКЗ напруги не більше 0,1 мВ. Відповідно, інтегральне значення власного шуму ПУ не повинно бути більше 20 мкВ, в діапазоні частот до 4 кГц.
Резистори R1, R2 забезпечують оптимальний режим роботи ПУ по постійному струму - 0,5 напруги живлення на резисторі R6.
Резистори R4, R5 - забезпечують режим динамічного харчування транзистора V1, який необхідний для зменшення рівня власного шуму ПУ і нелінійних спотворень, крім того, при значних напругах харчування ПУ (понад 30В), підвищується надійність тому напруга Uси V1 не перевищить одиниць Вольт.
Конденсатор C2 забезпечує наявність паралельної позитивного зворотного зв'язку (ППООС), яка, в свою чергу, збільшує вхідний опір і покращує деякі інші характеристики ПУ.
Якщо Ви «не дружите" з транзисторами або запропоноване схемотехнічне рішення попереднього підсилювача чи не здається Вам корисним, пропоную варіант з використанням підсилювача заряду (УЗ), схема якого представлена в якості варіанту на малюнку 1.
У зв'язку з тим, що вхідний імпеданс УЗ, по відношенню до ВП, представляє "коротке замикання", загальний коефіцієнт передачі ВП-УЗ не залежить від опору ізоляції віброперетворювача і з'єднувального кабелю, власної ємності з'єднувального кабелю, вхідного опору УЗ, його ж вхідний ємності .
Для збереження решти схеми, еквівалентний коефіцієнт передачі УЗ має дорівнювати 1, це здійсниться при ємності конденсатора C2 дорівнює власній ємності ВП. Технічно більш переважно змінювати діапазони вимірювання вербу, перемикаючи конденсатори C2, що мають різну ємність. Однак, тоді доведеться повністю змінити всю схему.
На практиці, застосування УЗ обмежується дещо вищим рівнем наведених шумів, залежності рівня шуму від довжини з'єднувального кабелю, необхідністю застосування антивібраційного кабелю, нездатністю до самостійного відновлення працездатності після перевантаження.
Для перемикання меж вимірювання застосований атенюатор, виконаний на резисторах R7. R12 і перемикачі S1. Особливістю атенюатора є стабільність вихідного опір, яке необхідно виконати для узгодження з наступним функціональним вузлом. Вхідний опір аттенюатора не менше 50 кОм, вихідна - (9. 10) кОм. Коефіцієнти розподілу - 0,001; 0,01; 0,1; 1,0. Похибка коефіцієнта ділення визначається відхиленням від номінального значення опору резисторів. При використанні резисторів з відхиленням не більше ± 1%, похибка коефіцієнта ділення не перевищить ± 4%. Необхідно передбачити, при виготовленні, щоб власна ємність провідника з'єднує рухливий контакт перемикача S1 і резистор R14 не була більш 200 пФ. Втім, в даний час ця вимога легко можна реалізувати.
Для нормування (обмеження) смуги робочих частот вербу застосований смуговий електричний фільтр (коригувальний фільтр), що складається, в свою чергу, з фільтра верхніх частот (ФВЧ) - D2, D3; фільтра низьких частот (ФНЧ) - D1, D4.
Гранична частота (на рівні -3дБ) ФВЧ - 3,55 Гц, то ж для ФНЧ - 5,62 КГц. При цьому обеспечится смуга робочих частот вербу 5Гц. 4кГц, при похибки не більше ± 6%.
АЧХ ФВЧ і ФНЧ, відповідно - на малюнках 3а і 3б.