Способ определения динамических характеристик тензометрического преобразователя давления (варианты)
Владельцы патента RU 2466368:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в приборостроении при разработке и изготовлении современных датчиков давления. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. Для осуществления способа собственные колебания конструкции тензометрического преобразователя возбуждают путем воздействия на его чувствительную мембрану ультразвуковым импульсом давления, получаемым при помощи преобразования контролируемого электрического сигнала акустоэлектрическим пьезокерамическим преобразователем. Входной и выходной сигналы записывают и обрабатывают, определяется их спектральный состав, полученную информацию используют для оценки частотной характеристики тензометрического преобразователя давления. Для учета влияния частотных характеристик пьезокерамических преобразователей сигнала могут быть использованы два различных излучателя, каждый из которых также может являться приемником сигнала. В результате поочередного использования излучателей получают данные, достаточные для того, чтобы составить систему уравнений и получить оценку динамических характеристик преобразователя давления. В качестве входного электрического сигнала может быть использован прямоугольный импульс, длительность которого выбирается исходя из исследуемого частотного диапазона. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в приборостроении при разработке и изготовлении современных датчиков давления.
Одним из основных параметров, характеризующих любой измерительный преобразователь, является его динамическая характеристика. Динамическая характеристика определяет реакцию на изменение внешних условий и, таким образом, играет ключевую роль при измерении быстротекущих процессов. Динамическая характеристика датчика определяет так называемую «динамическую составляющую погрешности», которая при определенных условиях может в разы превышать нормируемую «статическую» компоненту. Информация о динамической характеристике датчика дает возможность учитывать реакцию датчика на изменение внешних условий и в случае необходимости компенсировать динамическую составляющую погрешности. Этим, как правило, определяется интерес исследователей к поиску методов определения динамической характеристики преобразователя.
В то же время, если преобразователь представить в виде электромеханической системы, то его динамическую характеристику в частотной области можно описать набором собственных частот (характеристических параметров). При возникновении неисправности сенсора (разрыв сварного шва, истончение мембраны и др.) эти параметры изменятся. Разработав методику выделения этих параметров из собственного сигнала сенсора и контролируя их значения, можно оценить состояние сенсора. Следовательно, отклонения в динамической характеристике могут служить критерием исправности датчика и основанием для решения о возможности его дальнейшего использования.
В настоящее время известны различные способы определения динамических характеристик механических конструкций, которые предполагают как теоретическую, так и практическую оценку значений частот собственных колебаний исследуемых механических систем. Однако эти способы не дают необходимого результата применительно к тензометрическим преобразователям давления, так как не указывается способ возбуждения собственных колебаний конструкции преобразователя, а также не учитывается ее электромеханический характер. Кроме того, данные способы не предлагают использование внешнего воздействия с контролируемыми параметрами, что не дает возможности исключить влияние спектра входного воздействия или частотных характеристик преобразователей входного сигнала на выходной сигнал исследуемой системы, по которому в данном случае определяют ее динамические характеристики.
Особенностью определения динамических характеристик тензометрического преобразователя давления является электромеханический характер исследуемой системы и, следовательно, возможность использования собственного выходного сигнала преобразователя для оценки его частотных характеристик. Таким образом, специально подобранное внешнее механическое воздействие будет возбуждать собственные колебания конструкции преобразователя, частоты которых должны будут присутствовать в спектре его выходного сигнала.
Известны способы определения динамических характеристик различных механических конструкций и устройств, основанных на возбуждении в системе собственных колебаний с последующей регистрацией и анализом отклика системы.
Определение динамических характеристик моментомеров (RU 2180101 С2, G01L 25/00, заявл. 07.03.2000, опубл. 27.02.2002) проводят путем приложения импульсного механического воздействия к нагружающему моментомер элементу - вращающемуся валу путем его нагрузки и последующей мгновенной разгрузки посредством разрушения разрушаемого элемента и одновременной регистрации реакции моментомера. Для этого разгоняют вал до заданной скорости, а нагружение вала осуществляют путем приложения к нему силы натяжения намотанной на установленный на валу шкив гибкой связи.
В способе экспериментального определения амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик качаний ротора синхронного генератора в рабочем режиме (RU 2233455 С2, G01R 31/34, Н02K 15/00, Н02K 19/16, заявл. 15.03.2002, опубл. 27.07.2004) амплитуду и фазу качания вращающегося ротора определяют хронометрическим способом. Устанавливают генератор тестовых воздействий на фиксированный период знакопеременных тестовых напряжений, подключают генератор тестовых воздействий к обмотке возбуждения ротора генератора, измеряют последовательность интервалов времени между двумя ближайшими моментами регистрации, определяют при этом периоде тестовых воздействий амплитуду и сдвиг фазы основной гармоники качаний ротора относительно фазы основной гармоники тестового воздействия на его фиксированном периоде по определенным формулам. С применением полученных результатов расчета амплитуды и фазы угла качания ротора рассчитывают частотные характеристики синхронного генератора.
Известен также способ определения собственных частот бака (RU 2367920 C1, G01M 7/00, заявл. 09.01.2008, опубл. 20.09.2009), который включает в себя предварительное определение нижних собственных частот сильфона и корпуса бака, вибрационное нагружение исследуемого бака по методу качающейся частоты и широкополосной случайной вибрации, определение в исследуемом диапазоне максимальной нерезонансной частоты, проводение ударного нагружения бака импульсом с длительностью, эквивалентной этой частоте. В результате по анализу амплитудно-частотных характеристик, спектральной плотности виброускорений и ударного спектра ускорений делают заключение о значениях собственных частот бака и об их изменении при нагружении.
Помимо указанных известен способ измерения динамических характеристик компенсационного акселерометра (SU 1839835 А1, G01P 21/00, заявл. 15.04.1981, опубл. 10.08.2005), сущность которого заключается в следующем. С источника калиброванных по амплитуде и частоте электрических сигналов через гальваническую развязку в датчик силы чувствительного элемента подают сигналы. По отношению амплитуд выходных сигналов датчика смещения чувствительного элемента и формирователя сигнала аналоговой обратной связи к амплитуде этого сигнала определяют динамические характеристики акселерометра.
Предложенные способы применяются для определения динамических характеристик систем различного функционального назначения и отличаются типом выбранного метода возбуждения собственных колебаний, а также способами обработки сигналов. Общим для этих способов является то, что они не предлагают способ учета спектра используемого внешнего воздействия, то есть не исключается влияние этого спектра на выходной сигнал исследуемой системы. В предложенных способах, как правило, под определением динамических характеристик подразумевается определение значений собственных частот без определения их амплитудного соотношения в выходном сигнале. Кроме того, не учитывается, что датчики, используемые для регистрации колебаний, обладают определенными частотными характеристиками и также могут влиять на результат исследования.
Наиболее близким к заявляемому решению является способ определения динамических характеристик механической системы (RU 2292026 С1, G01M 17/00, заявл. 30.05.2005, опубл. 20.01.2007), который заключается в том, что в системе возбуждают свободные затухающие колебания, регистрируют отклик системы, строят амплитудно-временную зависимость отклика системы, по которой определяют собственные частоты системы. Собственные частоты системы определяют по пикам построенного амплитудного спектра Фурье отклика системы. Недостатком способа является то, что он не учитывает спектр возбуждающего воздействия, частотные характеристики устройств, через которые проходит возбуждающий импульс, а также не позволяет определить взаимное соотношение между собой спектральных компонент в выходном сигнале.
В основу данного изобретения положена техническая задача, заключающаяся в определении динамических характеристик тензометрического преобразователя давления, повышении точности экспериментального определения частот собственных колебаний конструкции преобразователя, расширении области применения акустоэлектрических пьезокерамических преобразователей.
Для решения поставленной технической задачи предложены два варианта определения динамических характеристик тензометрического преобразователя давления.
Указанная задача достигается тем, что по первому варианту возбуждают собственные колебания конструкции преобразователя, записывают сигналы на входе и выходе системы, записанные сигналы обрабатывают, определяется их спектральный состав и эта информация используется для оценки частотной характеристики тензометрического преобразователя давления по формулам. Возбуждение собственных колебаний конструкции тензометрического преобразователя производится путем воздействия на его чувствительную мембрану ультразвуковым импульсом давления, получаемым при помощи преобразования контролируемого электрического сигнала акустоэлектрическим пьезокерамическим преобразователем.
Известно, что выходной сигнал системы может быть представлен как свертка входного сигнала и импульсной характеристики системы. В частотной области это соотношение преобразуется в произведение Фурье-образов:
где Y(f), H(f), X(f) - Фурье-образы выходного сигнала, импульсной характеристики системы и входного сигнала соответственно.
Из выражения (1) выводится следующее соотношение:
где Gxx(f) и Gyy(f) - спектральные плотности входного и выходного сигнала соответственно, Н(f) - искомая частотная характеристика.
В данном случае в качестве входного сигнала системы выступает контролируемый электрический сигнал, в качестве выходного сигнала системы - сигнал с тензометрического моста преобразователя давления. Таким образом, по формуле (2) можно определить частотную характеристику системы.
Указанная задача достигается также тем, что возбуждают собственные колебания конструкции преобразователя, регистрируют отклик системы в выходном сигнале преобразователя, строят амплитудно-временную зависимость отклика, по которой определяют собственные частоты преобразователя, согласно изобретению для возбуждения собственных колебаний конструкции используют ультразвуковой импульс, получаемый при помощи преобразования контролируемого электрического сигнала акустоэлектрическим пьезокерамическим преобразователем, причем поочередно используют два пьезокерамических преобразователя разной конструкции. Действуют ультразвуковым импульсом давления, полученным при помощи преобразования контролируемого электрического сигнала первым акустоэлектрическим пьезокерамическим преобразователем, на второй пьезокерамический преобразователь, который в данном случае служит приемником сигнала, и регистрируют его отклик. Собственные частоты определяют по максимумам частотной характеристики тензометрического преобразователя давления, полученной при помощи решения системы уравнений.
Таким образом, в случае, когда входной электрический сигнал не действует непосредственно на исследуемую конструкцию, а преобразуется некоторым устройством, частотными свойствами которого нельзя пренебречь, частотные характеристики элементов возникающей каскадной системы необходимо представить в следующем виде:
где H(f) - частотная характеристика преобразователя сигнала (в частности, акустоэлектрического пьезокерамического преобразователя (ультразвукового излучателя)), W(f) - искомая частотная характеристика тензометрического преобразователя давления.
В этом случае используют два ультразвуковых пьезокерамических излучателя разной формы, передаточные функции которых отличаются. При поочередном проведении измерений выходного сигнала с разными типами излучателей получаются два независимых уравнения:
и
где H1(f), H2(f) - частотные характеристики акустоэлектрических пьезокерамических преобразователей (ультразвуковых излучателей), G1xx(f), G1yy(f), G2xx(f), G2yy(f) - спектральные плотности входного и выходного сигналов при одном и при другом излучателе.
Так как пьезокерамический излучатель может быть использован также в качестве приемника сигнала, то можно получить еще одно уравнение:
Пренебрегая частотными характеристиками среды и предполагая условия получения уравнений (4), (5) и (6) одинаковыми, можно записать систему трех уравнений с тремя неизвестными, решая которую получают оценку частотной характеристики преобразователя:
Для получения более надежных оценок частотной характеристики результаты усредняют по ансамблю независимых измерений.
Для получения максимально достоверных результатов определения динамической характеристики преобразователя давления в качестве входного электрического сигнала необходимо выбирать сигнал, максимально приближенный к дельта-импульсу. В частности, таким сигналом может стать прямоугольный импульс, длительность которого определяется исследуемым диапазоном частот, то есть не превышает значение величины, обратной к значению максимальной частоты рассматриваемого диапазона.
Изобретение поясняется следующими чертежами, где:
На фиг.1 приведен вид заданного входного электрического сигнала системы (t - время);
на фиг.2 приведен спектр заданного входного сигнала;
на фиг.3 приведен зарегистрированный отклик системы в выходном сигнале преобразователя давления;
на фиг.4 приведен усредненный спектр Фурье отклика системы;
на фиг.5 приведена частотная характеристика преобразователя давления, полученная при помощи решения уравнения (2), в котором не учтено влияние свойств ультразвукового излучателя;
на фиг.6 приведена частотная характеристика преобразователя давления типа А, полученная при помощи решения системы уравнений (4)-(6), в которой учтено влияние свойств ультразвукового излучателя;
на фиг.7 приведена частотная характеристика преобразователя давления типа В, полученная при помощи решения системы уравнений (4)-(6);
на фиг.8 приведены наложенные друг на друга частотные характеристики преобразователей давления типа А и В, полученные при помощи решения системы уравнений (4)-(6).
Способ осуществляется следующим образом.
При помощи генератора электрического сигнала заданной формы подают на электроды акустоэлектрического пьезокерамического преобразователя входной сигнал системы, например прямоугольный импульс (фиг.1), спектр которого известен (фиг.2). Электрический сигнал преобразуется в ультразвуковой импульс, который действует на мембрану преобразователя давления и возбуждает собственные колебания его конструкции. Записывают выходной сигнал преобразователя, выделяют в нем отклик (фиг.3) на действие импульса и определяют его амплитудный спектр (фиг.4) одним из методов спектрального анализа, например с помощью преобразования Фурье. По спектрам входного и выходного сигналам системы определяют частотную характеристику преобразователя давления (фиг.5).
Для того чтобы учесть частотные свойства ультразвукового излучателя, используют два акустоэлектрических пьезокерамических преобразователя различной конструкции. Данный способ реализуется следующим образом.
Сначала входной электрический сигнал системы подают на электроды первого акустоэлектрического пьезокерамического преобразователя. Записывают выходной сигнал преобразователя давления, выделяют в нем отклик на действие импульса и определяют его амплитудный спектр. Далее входной электрический сигнал системы подают на электроды второго акустоэлектрического пьезокерамического преобразователя и также получают спектр отклика исследуемого преобразователя давления. Затем один из ультразвуковых излучателей помещают на место преобразователя давления так, что излучатель становится приемником сигнала, действуют на него ультразвуковым импульсом, регистрируют его отклик и вычисляют спектр отклика. Таким образом, используя полученные данные, решают систему уравнений (4)-(6) и получают частотную характеристику преобразователя давления (фиг.6-8).
Возможность промышленной реализации изобретения иллюстрируется следующим примером.
Пример
На фиг.3 приведен отклик тензометрического преобразователя давления на действие ультразвукового импульса, регистрируемый в выходном сигнале преобразователя.
Ультразвуковой импульс, действующий на мембрану, получали путем преобразования акустоэлектрическим пьезокерамическим преобразователем прямоугольного электрического импульса длительностью примерно 10 мкс (фиг.1). Период следования импульсов выбирали, исходя из двух условий: необходимость затухания отклика датчика до начала следующего импульса и возможность регистрации отклика записывающей аппаратурой. Длительность отклика составила не более 5 мс (фиг.3).
При помощи осциллографа записывали входной и выходной сигналы системы, которые обрабатывали на ЭВМ при помощи быстрого преобразования Фурье. Подстановкой полученных спектров в уравнение (2) определили частотную характеристику тензометрического преобразователя давления (фиг.5).
Для того чтобы учесть неизвестные свойства ультразвукового излучателя, которые могут вносить искажения в результат, использовали два акустоэлектрических пьезокерамических преобразователя, один из которых был использован в качестве приемника сигнала для получения уравнения (6). В результате получили частотные характеристики преобразователей давления с учетом влияния излучателя (фиг.6 и 7). Таким образом были получены частотные характеристики двух преобразователей различной конструкции (типа А и В). На фиг.8 они для сравнения приведены на одном рисунке. Графики частотных характеристик, представленные на рисунках, имеют четко выраженные максимумы, положение которых может быть численно определено. При этом для разных конструкций преобразователей получается свой спектр, что хорошо согласуется с теоретическими предположениями и дает возможность идентифицировать датчики в соответствии с их динамическими характеристиками.
Предлагаемый способ определения динамических характеристик тензометрического преобразователя давления может применяться при изготовлении датчиков давления для повышения их качества на этапе производства, а также при разработке методов диагностики состояния датчиков давления, основанных на анализе их частотных характеристик.
1. Способ определения динамических характеристик тензометрического преобразователя давления, заключающийся в том, что возбуждают собственные колебания конструкции преобразователя, регистрируют отклик системы в выходном сигнале преобразователя, строят амплитудно-временную зависимость отклика, по которой определяют собственные частоты преобразователя, отличающийся тем, что для возбуждения собственных колебаний конструкции используют ультразвуковой импульс, полученный преобразованием контролируемого электрического сигнала акустоэлектрическим пьезокерамическим преобразователем, а собственные частоты определяют по максимумам частотной характеристики тензометрического преобразователя давления, полученной при помощи решения уравнения:
где Gxx(f) - спектральная плотность входного процесса,
Gyy(f) - спектральная плотность выходного процесса,
H(f) - искомая частотная характеристика тензометрического преобразователя давления.
2. Способ определения динамических характеристик тензометрического преобразователя давления, заключающийся в том, что возбуждают собственные колебания конструкции преобразователя, регистрируют отклик системы в выходном сигнале преобразователя, строят амплитудно-временную зависимость отклика, по которой определяют собственные частоты преобразователя, отличающийся тем, что для возбуждения собственных колебаний конструкции используют ультразвуковой импульс, полученный преобразованием контролируемого электрического сигнала акустоэлектрическим пьезокерамическим преобразователем с использованием поочередно двух пьезокерамических преобразователей, а собственные частоты определяют по максимумам частотной характеристики тензометрического преобразователя давления, полученной при помощи решения системы уравнений:
где W(f) - искомая частотная характеристика тензометрического преобразователя давления,
H1(f), Н2(f) - частотные характеристики акустоэлектрических пьезокерамических преобразователей,
G1xx(f), G2xx(f), G3хх(f) - спектральные плотности соответствующего входного процесса,
G1yy(f), G2yy(f), G3yy(f) - спектральные плотности соответствующего выходного процесса.
3. Способ определения динамических характеристик тензометрического преобразователя давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве входного контролируемого электрического сигнала используют прямоугольный электрический импульс, длительность которого подбирают исходя из исследуемого диапазона частот.
