Определение амплитудной характеристики пьезоакселерометра

Лабораторная работа

«Исследования характеристик пьезоакселерометра»

Цель и содержание работы

Цель работы - изучение пьезоэлектрических акселерометров и особенностей их эксплуатации. В процессе выполнения лабораторной работы студенты знакомятся с методом определения амплитудных характеристик пьезоакселерометров и приобретают практические навыки в измерении параметров вибрации.

Описание установки

На рис. 1.1. приведена схема лабораторной установки.

Все эксперименты проводятся на камертонном вибростенде, снабженном оптической системой для прямого измерения амплитудного значения перемещения. Камертонный вибростенд возбуждается переменным током от лабораторного автотрансформатора, питающегося от сети 220В, 50Гц. Колебания «ножек» камертона вибростенда происходят по гармоническому закону:

где - амплитуда виброперемещения; - частота колебаний камертона, Гц.

Рис. 1.1 Схема установки

АТ - лабораторный автотрансформатор; КВ - катушка возбуждения;

УИАК - устройство измерения амплитуды колебаний; Д - исследуемый датчик; МЕ - магазин емкостей; ЭВ - электронный вольтметр.

Схема устройства измерения амплитуды колебаний ножки камертона, при помощи микроскопа, представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема устройства измерения амплитуды колебаний «ножки» камертона при помощи микроскопа

ИИ с БП - источник излучения с блоком питания;

КрОВ - крепление оптического волокна к ножке камертона;

СЛМ – система линз микроскопа;

М – микроскоп;

БЮМ – блок юстировки микроскопа.

Виброускорение поверхности J(t) определяется формулой:

где - вторая производная от функции по времени.

Амплитудное значение виброускорения равняется

В единицах ускорения свободного падения g амплитуда виброускорения равняется

[g]

Регулируя величину напряжения питания камертонного вибростенда, можно менять величину .

Для регулировки величины напряжения питания камертонного вибростенда необходимо включить лабораторный автотрансформатор переведя выключатель «Сеть» на панели автотрансформатора в положение «Вкл.» кликнув левой кнопкой мыши по выключателю, либо нажав клавишу «F10» на клавиатуре, затем выставить регулятор напряжения (Рис. 1.4) в соответствующее положение либо с помощью «мыши», зажав левую кнопку на ползунке, перетащив в нужное положение и отпустить левую кнопку, либо с помощью клавиатуры используя клавиши «Home» для увеличения и «End» для уменьшения.

Виброперемещение определяется на экспериментальной установке с помощью измерительного микроскопа. Принцип действия измерителя виброперемещения поясняет рис. 1.2. Световой поток с торца оптического волокна попадает в объектив микроскопа. В окуляре микроскопа при неподвижной поверхности камертона наблюдается красная риска (рис.1.5 а). Регуляторы «Ось Х» и «Ось Y» на блоке юстировки микроскопа (Рис. 1.6) перемещают эту риску по вертикальной и горизонтальной оси. При колебаниях «ножки» камертона изображение риски расплывается в полосу (рис. 1.5 б), ширина которой равна двойной амплитуде виброперемещения .

Измерение напряжения сигнала с датчика производится с помощью универсального цифрового прибора, для включения которого необходимо кликнуть левой кнопкой мыши по выключателю «Сеть вкл.» (на лицевой панели вольтметра) либо с помощью клавиши «F12» на клавиатуре. При пользовании этим прибором необходимо помнить, что он измеряет действующее значение переменного напряжения и, следовательно, амплитуда напряжения на выходе датчика равняется:

где - показания вольтметра.

Чувствительность пьезоакселерометра определяется по формуле

где - амплитудное значение выходного сигнала с датчика, [мВ];

- амплитуда виброускорения .

С учетом характеристик вольтметра, инструментального микроскопа и того обстоятельства, что частота колебаний камертона равна удвоенной частоте питающего напряжения:

; ;

где - размах колебаний ножки камертона [мкм].

Тогда чувствительность может быть определена по формуле

где U – показания вольтметра [мВ]; - размах колебаний камертона [мкм].

Для измерения напряжения сигнала с датчика необходимо перевести переключатель режима измерения вольтметра (рис. 1.5) в соответствующее положение. Для этого необходимо зажать левую кнопку мыши на переключателе, затем повернуть его в нужное положение и отпустить левую кнопку мыши, также можно использовать клавиши клавиатуры «Page Up» для поворота переключателя по часовой стрелке и «Page Down» для поворота переключателя против часовой стрелки. При измерении выбирать такой режим при котором бы отображалось максимальное количество значащих разрядов. Если максимальный предел измерения вольтметра меньше чем измеряемая величина, то на дисплее вольтметра отображается знак «E».

Результаты измерений могут обрабатываться с помощью программы Microsoft Excel. Для быстрой и удобной передачи данных в Microsoft Excel под градуировочной таблицей имеется кнопка «Перейти в Microsoft Excel»

Порядок выполнения работы

Лабораторная работа выполняется в следующем порядке:

Подготовительный этап

а) Включите источник излучения (при его включении вы увидите красную точку в торце световода) кликнув левой клавишей мыши по тумблеру, расположенному на панели источника излучения с БП, либо с помощью клавиатуры (F11);

б) Вращая регуляторы «Ось Х» и «Ось Y», находящимися на блоке юстировки микроскопа, выставьте красную точку в среднее положение (по оси Х это нулевое положение, по оси Y – середина шкалы);

в) Для включения автотрансформатора, установить переключатель в верхнее положение (F10);

г) Включите вольтметр (на индикаторе вы увидите два нуля);

д) На вольтметре выставьте предел измерения «100 mV~».

Определение амплитудной характеристики пьезоакселерометра

2.1. Снять зависимость выходного напряжения с пьезоакселерометра (датчика, закрепленного на ножке камертона сбоку) от вибросмещения ножки камертона и ёмкости нагрузки. Величины вибросмещений будем контролировать с помощью микроскопа. Для этого проведем следующую работу:

а) На магазине емкостей выставить ноль поворачивая ручки декадных переключателей с помощью мыши;

б) При помощи регулятора напряжения катушки возбуждения, находящегося на автотрансформаторе, установить размах виброперемещения в 200, 400, 600, 800 и 1000 мкм, каждый раз регистрируя значение выходного напряжения с датчика при помощи вольтметра;

в) Далее поочередно выставляем на магазине емкостей значения в 500, 1000, 2500 и 10000 пФ и повторяем предыдущий пункт;

Результаты измерений заносим в табл. 1;

г) Рассчитываем величины виброускорений по формуле:

где - размах виброперемещения в мкм. Эта формула справедлива при допущении, что частота колебаний вибростенда равна удвоенной частоте питающего напряжения, т.е. 100 Гц.

д) Рассчитываем чувствительность пьезоакселерометра по формуле

, где - выходное напряжение с акселерометра в i-той точке градуировки; - размах колебаний в i-той точке при различных значениях емкости нагрузки. Результаты расчетов заносим в табл.2

2.2. Построить графики амплитудных характеристик при различных значениях емкостной нагрузки.

2.3. Рассчитать чувствительность акселерометра при различных значениях емкости нагрузки. Данные занести в таблицу 2.

2.4. Рассчитать усредненное значение чувствительности для каждого значения емкости нагрузки при доверительной вероятности = 0,95.

2.5. Построить графики зависимости чувствительности пьезоакселерометра от емкостной нагрузки по данным табл.1 и зависимости чувствительности системы от емкостной нагрузки по данным табл.2.

Таблица 1

№№ п/п	, пФ	величины
		, мкм ,	J₁	J₂	J₃	J₄	J₅
	=0	, мВ	U₁	U₂	U₃	U₄	U₅
	=500	, мВ	U₁	U₂	U₃	U₄	U₅
	=2500	, мВ	U₁	U₂	U₃	U₄	U₅
	=10000	, мВ	U₁	U₂	U₃	U₄	U₅

Таблица 2

№№ п/п	, пФ	величины
		, мкм ,	J₁	J₂	J₃	J₄	J₅
	=0	,	S₁₁	S₂₁	S₃₁	S₄₁	S₅₁
	=500	,	S₁₂	S₂₂	S₃₂	S₄₂	S₅₂
	=2500	,	S₁₃	S₂₃	S₃₃	S₄₃	S₅₃
	=10000	,	S₁₄	S₂₄	S₃₄	S₄₄	S₅₄

Содержание отчета.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1) краткие теоретические сведения;

2) описание лабораторной установки;