RU156046U1

RU156046U1 - Анализатор спектра сигнала вибрации

Info

Publication number: RU156046U1
Application number: RU2014150694/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Никитович Зинченко; Виктор Михайлович Нечаев; Николай Александрович Каширин; Владимир Николаевич Шелехов; Татьяна Валерьевна Щёголева; Александр Вячеславович Мыльников
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством"
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2015-10-27

Abstract

1. Анализатор спектра сигнала малой вибрации для системы мониторинга технического состояния объектов, содержащий высокочувствительный акселерометр, установленный в заданном участке объекта, с аналоговым выходом, подключенным к входу АЦП, выход которого подключен к входу ЭВМ, отличающийся тем, что в качестве акселерометра использован малогабаритный однокоординатный акселерометр, допускающий его установку на тонких оболочках и в малых объемах объекта.2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что в заданном участке объекта установлена группа из n акселерометров, оси чувствительности которых привязаны к заданным осям системы координат, а остальные электронные блоки для каждого из n акселерометров остаются без изменения, образуя тем самым n независимых каналов, причем n=1 для однокоординатного анализатора, n=2 для двухкоординатного анализатора, n=3 для трехкоординатного анализатора.3. Анализатор по п. 2, отличающийся тем, что акселерометры установлены в разных точках одного и того же участка объекта.4. Анализатор по п. 2, отличающийся тем, что акселерометры размещены в разных заданных участках объекта.

Description

Полезная модель относится к области пьезотехники, в частности создания, на основе пьезокерамических акселерометров, приборов для мониторинга технического состояния объектов, и может быть использована при определении ускорений малогабаритных объектов, с ограниченными объемами для размещения акселерометров, а также объектов, представляющих собой тонкие оболочки, чувствительные к присоединенным к ним массам.

В рамках данной заявки под объектами понимаются сооружения, здания, мосты, тоннели метро, грунты, различные механизмы и т.д.

Под акселерометрами понимаются сейсмодатчики (сейсмоприемники), датчики вибраций, удара и т.д., т.е. устройства, преобразующие ускорение в пропорциональный ему электрический сигнал на их аналоговом выходе. При этом в рамках данной заявки, предполагается, что вся аппаратура для регистрации и анализа этого сигнала, размещена вне акселерометра, в удобном для ее размещения, месте, и соединена с ним контактными кабелями, не влияющими на свойства акселерометра. Чувствительные элементы акселерометра могут работать на разных физических принципах, в частности на пьезоэффекте. В рамках данной заявки рассматриваются именно пьезоэлектрические акселерометры.

Под чувствительностью акселерометров понимается минимальное ускорение, которое может быть с его помощью обнаружено, т.е. сигнал порядка уровня собственных электрических шумов (в единицах ускорения В/м/с² или В/g).

В настоящее время существует большое количество акселерометров различного назначения, например, описанные в [1]. Однако следует отметить, что этот круг значительно сужается, если необходимо измерить параметры слабых вибраций, например, параметры вибраций пола зданий, амплитуда которых не превышает единиц и, даже, долей мкм, а частота находится в полосе от долей Гц до сотен Гц.

Использование акселерометров для измерения параметров, возникающих при результирующих малых ускорениях (менее 10^-4 g, приводит к еще большему сужению этого круга.

Известно устройство, предназначенное для анализа параметров малых вибраций для системы мониторинга технического состояния объектов, содержащее трехкоординатный высокочувствительный акселерометр A1633 [2], установленный в заданном участке объекта, с аналоговым выходом, подключенным к регистрирующей аппаратуре.

Недостатками такого устройства являются следующие:

1. Двухполярное питание, усложняющее возможность использования бортового питания, как правило, однополярного.

2. Сравнительно большие габариты и масса, и трехкоординатная конструкция как одно целое, сужающие возможности размещения акселерометра в малых объемах объекта и раздельного размещения однокоординатных его составляющих в разных точках этих объемов, а так же его размещение на тонких оболочках объекта.

3. При наблюдении аналогового сигнала наблюдают суперпозицию всех регистрируемых сигналов (шума, паразитных резонансных сигналов, тестирующих сигналов и т.д.), разделить которые весьма затруднительно, за исключением случая явного доминирования одного из сигналов над всей суперпозицией сигналов. Использование внешних дополнительных фильтров решает задачу лишь частично, значительно усложняя процесс наблюдения сигналов и конструкцию устройства.

Наиболее близким к заявляемой модели является анализатор спектра сигнала вибрации (шумомер ZET 110 в режиме анализатора спектра) [3], для системы мониторинга технического состояния объектов, содержащее высокочувствительный акселерометр (например A1633), установленный в заданном участке объекта, с аналоговым выходом, подключенным к входу АЦП (вход шумометра ZET 110), выход которого подключен к входу ЭВМ (подключение ZET110 к ЭВМ по шине USB 2.0).

В этом случае достигается эффективное быстрое преобразование Фурье аналогового сигнала в его спектр.

Анализ спектральной характеристики сигнала, как правило, более эффективен, чем анализ его аналогового прообраза:

1. Уровень естественного шума снижается, «размазываясь» по всему рабочему диапазону частот.

2. Регулярные синусоидальные сигналы в виде «гребенки» сохраняют свою индивидуальную амплитуду, в виде амплитуды зубьев «гребенки», каждый из которых соответствует конкретному синусоидальному сигналу.

Это приводит к повышению чувствительности устройства.

Его недостатками являются:

1. Необходимость в использовании двухполярного питания (для высокочувствительных акселерометров типа A1633).

2. Сравнительно большие габариты и масса, и трехкоординатная конструкция, выполненная как одно целое.

Эти недостатки снижают возможности анализатора спектра вибрации в части его использования на тонких оболочках и в малых объемах.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является достижение технического результата в виде повышения функциональных возможностей анализатора спектра сигнала вибрации, в части возможностей его использования на тонких оболочках и в малых объемах объекта, а так же в части возможностей размещения однокоординатных составляющих акселерометров, оси чувствительности которых привязаны к заданным осям координат, в разных точках малого объема объекта, при сохранении эффективности анализатора.

Поставленная задача решается в конструкции анализатора спектра малой вибрации для системы мониторинга технического состояния объектов, содержащего высокочувствительный акселерометр, установленный в заданном участке объекта, с аналоговым выходом, подключенным к выходу ЭВМ. Причем в качестве акселерометра использован малогабаритный однокоординатный акселерометр, допускающий его установку на тонких оболочках и в малых объемах объекта, причем в заданном участке объекта может быть установлена группа из n малогабаритных акселерометров, оси чувствительности которых привязаны к заданным осям координат, а остальные электронные блоки для каждого из n акселерометров остаются без изменения, образуя тем самым n независимых каналов, причем n=1 для однокоординатного анализатора, n=2 для двухкоординатного анализатора, n=3 для трехкоординатного анализатора, причем акселерометры могут быть установлены в разных точках одного и того же участка объекта, причем акселерометры могут быть размещены в разных заданных участках объекта.

Таким образом, отличительными признаками полезной модели является то, что анализатор спектра сигнала малой вибрации для системы мониторинга технического состояния объектов, содержащий высокочувствительный акселерометр, установленный в заданном участке объекта, с аналоговым выходом, подключенным к входу АЦП, выход которого подключен к входу ЭВМ, отличающийся тем, что в качестве акселерометра использован малогабаритный однокоординатный акселерометр, допускающий его установку на тонких оболочках и в малых объемах объекта;

в заданном участке объекта установлена группа из n акселерометров, оси чувствительности которых привязаны к заданным осям системы координат, а остальные электронные блоки для каждого из n акселерометров остаются без изменения, образуя тем самым n независимых каналов, причем n=1 для

однокоординатного анализатора, n=2 для двухкоординатного анализатора, n=3 для трехкоординатного анализатора;

акселерометры установлены в разных точках одного и того же участка объекта;

акселерометры размещены в разных заданных участках объекта.

Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата в виде повышения функциональных возможностей анализатора спектра сигнала вибрации, в части возможностей его использования на тонких оболочках и в малых объемах объекта, а так же в части возможностей размещения однокоординатных составляющих акселерометров, оси чувствительности которых привязаны к заданным осям координат, в разных точках малого объема объекта, при сохранении эффективности анализатора.

Это достигнуто за счет использования в качестве высокочувствительного акселерометра малогабаритного сейсмодатчика СД-2Э [4], обладающего практически теми же основными характеристиками, что и сейсмоприемник А1633 (чувствительность порядка 10^-5 B/g, диапазон рабочих частот 0,1÷400 Гц и др.), с той разницей, что его габариты не превышают 30×20×12 мм в отличие от 65×65×65 мм для А1633, вес не превышает 10 г, в отличие от 350 г для А1633, внешнее питание однополярное +6÷24 В, в отличие от двухполярного +5÷15 В для А1633. При этом их выходные параметры одинаковые. На фиг. 1 приведены СД-2Э (1) и А1633 (2). Очевидно, что даже собранные в группу из 3 шт., образуя тем самым трехкоординатный сейсмодатчик, СД-2Э создадут конструкцию с существенно меньшими массогабаритными показателями, чем А1633.

Эти обстоятельства позволили размещать однокоординатные акселерометры в диапазоне объемов объекта значительно расширенном в части нижнего значения (малых объектов). Будучи размещенными поодиночке в разных точках объекта они могут позволить вести мониторинг эквивалентно использованию для него трехкоординатных датчиков. Эти обстоятельства так же касаются и тонких оболочек объекта.

Блок-схема анализатора спектра сигнала вибрации (она же позволяет наблюдать и сам сигнал с аналогового выхода акселерометра) приведена на фиг. 2. Она одинакова как для известного технического решения, так и для заявляемой модели. Разница состоит в том, что в ней в качестве акселерометра используется малогабаритный однокоординатный высокочувствительный акселерометр типа СД-2Э соединенный со входом АЦП электрически и с минимально возможной эффективной массой этого соединения, минимально влияющей на результат измерения ускорения. Это достигнуто за счет участка тонких гибких проводников в месте электрического соединения. Эти факторы позволяют разместить акселерометр в малых объемах и на тонких оболочках объекта, «разнести» в сущности однокоординатные составляющие трехкоординатного акселерометра по разным точкам объекта и т.д. В качестве АЦП был использован прибор фирмы Velleman PCSV250, а в качестве ЭВМ - ноутбук EVON600c фирмы COMPAQ.

В целом, это лабораторный макет анализатора спектра вибраций. Принцип его работы следующий. На исследуемом участке объекта с помощью виброзамазки устанавливается СД-2Э. Аналоговый сигнал с его выхода подается на вход АЦП, а сигнал с выхода АЦП подается на вход ЭВМ. При этом ЭВМ работает по программе, позволяющей наблюдать как сам аналоговый сигнал, так и его спектр (для их графического представления используется принтер).

С помощью этого лабораторного макета были получены следующие результаты:

1. В лабораторных условиях наблюдались вибрации лабораторного стола, на котором были установлены СД-2Э и А1633. Поскольку использовали АЦП с двумя независимыми входами, то и наблюдаемые с помощью ЭВМ сигналы могли быть записаны одновременно с обоих датчиков.

На фиг. 3 приведены осциллограммы сигналов на выходе СД-2Э (кривая 1) и А1633 (кривая 2), в которых практически не заметны какие-либо доминирующие. При этом не заметен дополнительно созданный с помощью вибростенда слабый тестовый сигнал вибрации с частотой около 200 Гц.

На фиг.4 (СД-2Э) и фиг. 5 (A1633) приведены спектрограммы этих же сигналов. Видны очевидные доминирующие сигналы, включая тестирующий сигнал 200 Гц, (масштаб по оси Y - логарифмический).

Сравнение сигналов и их спектров от СД-2Э и A1633 показывает очевидное их сходство, что говорит об идентичности их параметров. Малое отличие их друг от друга вызвано тем, что СД-2Э и A1633 размещены хоть и вблизи, но в разных точках лабораторного стола. Они являются отображением реальных вибраций лабораторного стола в точках размещения акселерометров, но спектры сигналов более информативны, чем сами сигналы.

2. На предприятии для размещения сложной аппаратуры, не допускающей вибрации места ее установки с амплитудой не более 2 мкм на частотах 0,2÷5 Гц и не более 0,3 мкм на частотах до 20 Гц, было выделено помещение. С помощью описанного лабораторного макета эти измерения стали возможны. Проведенный мониторинг позволил установить участки пола, на которых размещение такой аппаратуры оказалось возможным. При этом СД-2Э располагался в разных положениях, а в виду своей малогабаритности, практически в одной точке, реализуя трехкоординатный акселерометр. Наличие в помещении различных установок, мебели и прочих, перестановка которых отразится на результатах мониторинга, потребовали малых габаритов акселерометра, что в свою очередь, ограничило применимость акселерометров типа A1633 и потребовало использовать акселерометры типа СД-2Э.

Литература:

1. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник, том II, М, «Радиотехника», 2000 г.

2. www.geophone.narod.ru/Geophones A16XX&A05XX.

3. www.zetlab.ru/Анализаторы спектра/ZET 110.

4. www.elpapiezo.ru/Пьезоэлектрические устройства/Малогабаритный сейсмодатчик СД-2Э.

Claims

1. Анализатор спектра сигнала малой вибрации для системы мониторинга технического состояния объектов, содержащий высокочувствительный акселерометр, установленный в заданном участке объекта, с аналоговым выходом, подключенным к входу АЦП, выход которого подключен к входу ЭВМ, отличающийся тем, что в качестве акселерометра использован малогабаритный однокоординатный акселерометр, допускающий его установку на тонких оболочках и в малых объемах объекта.

2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что в заданном участке объекта установлена группа из n акселерометров, оси чувствительности которых привязаны к заданным осям системы координат, а остальные электронные блоки для каждого из n акселерометров остаются без изменения, образуя тем самым n независимых каналов, причем n=1 для однокоординатного анализатора, n=2 для двухкоординатного анализатора, n=3 для трехкоординатного анализатора.

3. Анализатор по п. 2, отличающийся тем, что акселерометры установлены в разных точках одного и того же участка объекта.

4. Анализатор по п. 2, отличающийся тем, что акселерометры размещены в разных заданных участках объекта.