RU2150708C1

RU2150708C1 - Method for electric excitation of resonance oscillations of piezoelectric acceleration meter and device which implements said method

Info

Publication number: RU2150708C1
Application number: RU99100835/28A
Authority: RU
Inventors: М.И. Субботин
Original assignee: Научно-производственное объединение измерительной техники
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 1999-01-21
Publication date: 2000-06-10

Abstract

FIELD: instruments, in particular, for measuring parameters of vibration measuring instruments. SUBSTANCE: method involves excitation of oscillations by connection of acceleration meter to direct voltage source with subsequent disconnection and short-term short-circuiting terminals of acceleration meter. Device has excitation voltage source, switch and terminals for connection of acceleration meter and detector, control signal generator, first and second open gates, and delay gate. Excitation source is designed as direct voltage source, which is connected to parallel circuit of first gate, terminal for connection of acceleration meter, and serial circuit of second gate and terminal for connection of detector, when switch is in first position. Direct voltage source is connected to control signal generator, which is connected to control input of first gate and, through delay gate, to control input of second gate, when switch is in second position. EFFECT: facilitated electric excitation of piezoelectric acceleration meter according to frequency of setting resonance, increased precision of detection of oscillations. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при контроле параметров средств измерения вибрации. The invention relates to measuring equipment and can be used to control the parameters of vibration measuring instruments.

Одним из важнейших параметров акселерометра является резонансная частота (более точный термин - частота установочного резонанса), которая определяет его рабочий диапазон частот. Поэтому она в обязательном порядке контролируется при периодической поверке акселерометра. Однако существуют ситуации, когда акселерометр невозможно демонтировать с объекта измерения для проведения контроля, и единственным решением задачи является дистанционное электрическое возбуждение колебаний с частотой установочного резонанса (далее - частота УР). One of the most important parameters of the accelerometer is the resonant frequency (a more accurate term is the frequency of the installation resonance), which determines its operating frequency range. Therefore, it is mandatory to monitor during periodic calibration of the accelerometer. However, there are situations when the accelerometer cannot be removed from the measurement object for monitoring, and the only solution to the problem is remote electrical excitation of oscillations with the frequency of the setting resonance (hereinafter - the frequency of the SD).

Известен способ электрического возбуждения колебаний пьезоэлектрического датчика, основанный на обратимости пьезоэффекта и заключающийся в подаче на датчик импульсов напряжения, каждый из которых вызывает затухающие колебания датчика с частотой УР. Они преобразуются снова в электрический сигнал, который подается на регистратор для последующего анализа [1]. Регистрацию начинают с задержкой, чтобы предохранить регистратор от перегрузки, так как напряжение с частотой УР наложено на возбуждающий импульс, напряжение которого на три порядка больше. There is a method of electrical excitation of oscillations of a piezoelectric sensor, based on the reversibility of the piezoelectric effect and consisting in applying voltage pulses to the sensor, each of which causes damped oscillations of the sensor with a frequency of SD. They are converted again into an electrical signal, which is fed to the recorder for subsequent analysis [1]. Registration begins with a delay in order to protect the recorder from overload, since the voltage with the frequency of the SD is superimposed on the exciting pulse, the voltage of which is three orders of magnitude higher.

Устройство, в котором реализован данный способ, содержит генератор однополярных электрических импульсов и детектор (т.е. регистратор), соединенные с проверяемым датчиком, причем между генератором и детектором включен ждущий мультивибратор [1]. The device in which this method is implemented includes a unipolar electric pulse generator and a detector (ie, a recorder) connected to the sensor being tested, and a waiting multivibrator is connected between the generator and the detector [1].

Мультивибратор запускается возбуждающим импульсом, а его сигнал блокирует вход детектора на время, большее длительности импульса. A multivibrator is triggered by an exciting pulse, and its signal blocks the detector input for a time longer than the pulse duration.

Недостатком этого способа и устройства является то, что время задержки регистрации должно быть больше не только длительности импульса возбуждения, но и длительности чисто электрического процесса разряда емкости датчика с кабелем до уровня, сопоставимого с уровнем возбужденных колебаний с частотой УР. Оба процесса спадают экспоненциально, но постоянная времени разряда емкости всегда больше времени затухания колебаний, поэтому уровень последних может к моменту открытия входа детектора стать ниже значения, обеспечивающего достоверность регистрации. The disadvantage of this method and device is that the registration delay time should be not only longer than the duration of the excitation pulse, but also the duration of the purely electric process of discharging the sensor capacitance with the cable to a level comparable to the level of excited oscillations with the frequency of the SD. Both processes fall off exponentially, but the constant of the discharge time of the capacitance is always greater than the decay time of the oscillations, therefore, the level of the latter can become lower than the value that ensures the registration accuracy by the time the detector input is opened.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому способу является способ, при котором на акселерометр подают пачку симметричных импульсов напряжения [2]. При таком возбуждении среднее значение возбуждающего напряжения равно нулю, вследствие чего сигнал акселерометра состоит лишь из колебаний с частотой УР. The closest in technical essence to the claimed method is a method in which a packet of symmetrical voltage pulses is fed to the accelerometer [2]. With this excitation, the average value of the exciting voltage is zero, as a result of which the accelerometer signal consists only of oscillations with the frequency of the SD.

Способ осуществлен в устройстве, содержащем генератор возбуждающего напряжения в форме пачки симметричных двуполярных импульсов напряжения и переключатель, подключающий акселерометр попеременно к генератору или регистратору [2]. При подаче пачки импульсов на акселерометр в последнем возбуждаются колебания с частотой УР, сигнал от которых после перевода переключателя во второе положение поступает на вход регистратора. Непременным условием функционирования устройства является подключение акселерометра к регистратору только после окончания пачки импульсов (иначе среднее значение напряжения, поступающего на регистратор, будет отлично от нуля), для чего устройство должно содержать не упомянутые в описании прототип формирователь сигнала управления переключателем, а также источник напряжения. The method is implemented in a device containing an exciting voltage generator in the form of a packet of symmetric bipolar voltage pulses and a switch connecting the accelerometer alternately to the generator or recorder [2]. When a burst of pulses is applied to the accelerometer, the latter excites oscillations with the frequency of the SD, the signal from which, after moving the switch to the second position, is fed to the recorder input. An indispensable condition for the functioning of the device is to connect the accelerometer to the recorder only after the end of the pulse train (otherwise, the average value of the voltage supplied to the recorder will be different from zero), for which the device must contain a prototype driver of the switch control signal, not mentioned in the description, as well as a voltage source.

Данный способ и реализующее его устройство позволяют за счет резкого повышения отношения полезного сигнала к помехе повысить точность регистрации колебаний с частотой УР. Однако они имеют и ряд недостатков. Для обеспечения равенства нулю среднего значения возбуждающего напряжения необходимо, чтобы степень асимметрии импульсов обеих полярностей была не выше, чем отношение уровней возбужденных колебаний и возбуждающего импульса, т.е. не более 10^-3, что трудно достижимо.This method and the device implementing it allow, due to a sharp increase in the ratio of the useful signal to interference, to increase the accuracy of registration of oscillations with the frequency of the SD. However, they have several disadvantages. To ensure that the average value of the exciting voltage is equal to zero, it is necessary that the degree of asymmetry of the pulses of both polarities be no higher than the ratio of the levels of the excited oscillations and the exciting pulse, i.e. no more than 10 ^-3 , which is difficult to achieve.

Кроме того, если частота в пачке импульсов будет заметно отличаться от частоты УР, они будут действовать не в такт и уровень полезного сигнала уменьшится. Таким образом, необходимо подбирать параметры возбуждающих импульсов для каждого типа контролируемых акселерометров, а при значительной степени влияния объекта на частоту УР - и индивидуально. In addition, if the frequency in the pulse train differs markedly from the frequency of the SD, they will act out of step and the level of the useful signal will decrease. Thus, it is necessary to select the parameters of the exciting pulses for each type of controlled accelerometers, and with a significant degree of influence of the object on the frequency of the SD - and individually.

Ожидаемым техническим результатом использования заявляемых технических решений является повышение точности контроля параметров пьезоэлектрического акселерометра и, как следствие, повышение точности измерения вибрации при длительной эксплуатации акселерометра без демонтажа с объекта измерения. Это достигается тем, что электрическое возбуждение колебаний акселерометра с частотой УР осуществляют подсоединением акселерометра к источнику постоянного напряжения с последующими отключением и кратковременным замыканием выводов акселерометра перед подключением к регистратору. The expected technical result of using the claimed technical solutions is to increase the accuracy of control of the parameters of the piezoelectric accelerometer and, as a result, increase the accuracy of vibration measurement during prolonged operation of the accelerometer without dismantling from the measurement object. This is achieved by the fact that the electrical excitation of the accelerometer oscillations with a frequency of UR is carried out by connecting the accelerometer to a constant voltage source with subsequent disconnection and short-circuiting of the terminals of the accelerometer before connecting to the registrar.

Кроме того, для достижения ожидаемого технического результата в устройство для электрического возбуждения колебаний пьезоэлектрического возбуждения колебаний пьезоэлектрического акселерометра с частотой УР, содержащее источник напряжения возбуждения, переключатель и разъемы для подключения акселерометра и регистратора, введены формирователь сигналов управления, первый и второй нормально-замкнутые ключи и элемент задержки, в качестве источника напряжения возбуждения используется источник постоянного напряжения, соединенный через переключатель в одном его положении с параллельно включенными первым ключом, разъемом для подключения акселерометра и цепью из последовательно соединенных второго ключа и разъема для подключения регистратора, а во втором положении переключателя - с формирователем сигналов управления, который соединен с управляющим входом первого ключа и через элемент задержки с управляющим входом второго ключа. In addition, in order to achieve the expected technical result, a control signal generator, first and second normally-closed keys, and are introduced into the device for electrical excitation of oscillations of a piezoelectric excitation of oscillations of a piezoelectric accelerometer with a frequency of UR, containing an excitation voltage source, a switch and connectors for connecting an accelerometer and a registrar delay element, a constant voltage source connected to h the switch in one position with the first key connected in parallel, the connector for connecting the accelerometer and the circuit from the second key and the connector for connecting the recorder in series, and in the second position of the switch with the control signal driver, which is connected to the control input of the first key and through the element delays with the control input of the second key.

Сущность заявляемых способа и устройства поясняется фиг. 1-3, на которых представлены:
на фиг. 1 - циклограмма заряда акселерометра при использовании заявляемого способа (пунктиром показано нерегистрируемое состояние;
на фиг. 2 - блок-схема заявляемого устройства, где обозначено: 1 - источник постоянного напряжения; 2 - переключатель; 3 - разъем для подключения акселерометра; 4 и 5 - нормально-разомкнутые ключи; 6 - разъем для подключения регистратора; 7 - формирователь сигналов управления ключами; 8 - элемент задержки;
на фиг. 3 - экспериментально полученная с помощью макета заявляемого устройства осцилллограмма затухающих колебаний акселерометра типа АНС 114 с частотой УР.The essence of the proposed method and device is illustrated in FIG. 1-3, on which are presented:
in FIG. 1 - cyclogram of the charge of the accelerometer when using the proposed method (the dashed line shows the unregistered state;
in FIG. 2 - a block diagram of the inventive device, where indicated: 1 - a constant voltage source; 2 - switch; 3 - connector for connecting the accelerometer; 4 and 5 - normally open keys; 6 - connector for connecting the recorder; 7 - shaper of key management signals; 8 - delay element;
in FIG. 3 - experimentally obtained using the layout of the inventive device, an oscillogram of damped oscillations of an accelerometer type ANS 114 with a frequency of UR.

Способ осуществляют следующим образом. Акселерометр подсоединяют к источнику постоянного напряжения (интервал I, фиг. 1). При этом пьезоэлемент акселерометра деформируется пропорционально приложенному напряжению. The method is as follows. The accelerometer is connected to a constant voltage source (interval I, Fig. 1). In this case, the piezoelectric element of the accelerometer is deformed in proportion to the applied voltage.

Затем акселерометр отключают от источника напряжения и выводы его замыкают (интервал II, фиг. 1). Заряд пьезоэлемента уменьшается до нуля практически мгновенно, а деформация его вследствие инерционности механической системы акселерометра убывает в виде затухающих колебаний с частотой УР. Наряду с ними при замыкании возникают также колебания более высоких частот, затухающие быстрее основных. Then the accelerometer is disconnected from the voltage source and its conclusions are closed (interval II, Fig. 1). The charge of the piezoelectric element decreases to zero almost instantly, and its deformation due to the inertia of the mechanical system of the accelerometer decreases in the form of damped oscillations with a frequency of SD. Along with them, during closure, oscillations of higher frequencies also occur, damping faster than the main ones.

После размыкания акселерометра на его выводах остается только переменный заряд, пропорциональный мгновенным значениям деформации пьезоэлемента (интервал III, фиг. 1). Таким образом, акселерометр подготовлен для подключения к регистратору, на который будет поступать полезный сигнал в виде затухающих колебаний с частотой УР (интервал IV, фиг. 1). After opening the accelerometer, only a variable charge remains at its terminals, proportional to the instantaneous values of the deformation of the piezoelectric element (interval III, Fig. 1). Thus, the accelerometer is prepared for connection to a recorder, which will receive a useful signal in the form of damped oscillations with a frequency of SD (interval IV, Fig. 1).

Требования к длительности интервала I, II, обеспечивающие реализацию способа, заключаются в следующем. Длительность интервала I должна быть такой, чтобы деформация пьезоэлемента установилась на постоянном уровне. Практически для этого достаточно 0,1 с при самом низком реальном значении частоты УР. Длительность интервала II должна быть достаточной для полного исчезновения первоначального заряда пьезоэлемента, но меньшей времени затухания возбужденных колебаний. Она может варьировать в пределах от единиц микросекунд до миллисекунд. The requirements for the duration of the interval I, II, ensuring the implementation of the method, are as follows. The duration of interval I should be such that the deformation of the piezoelectric element is established at a constant level. In practice, 0.1 s is enough for this with the lowest real value of the SD frequency. The duration of interval II should be sufficient for the complete disappearance of the initial charge of the piezoelectric element, but less than the decay time of the excited oscillations. It can vary from microseconds to milliseconds.

Длительность интервала III не является критичной и может определяться временем переключения цепей. The duration of interval III is not critical and can be determined by the switching time of the circuits.

Характерной особенностью заявляемого способа является то, что начальная амплитуда затухающих колебаний, вызванных замыканием пьезоэлемента, предварительно заряженного постоянным напряжением, больше, чем при возбуждении напряжением иной формы, поскольку энергия, запасенная в пьезоэлементе, в этом случае максимальна. Ее задание и поддержание стабильности сводится к таким же операциям над постоянным напряжением, которые осуществляются минимальными техническими средствами. Так как разряд пьезоэлемента длится доли микросекунд, а это заведомо короче самого малого возможного периода колебаний, их возбуждение происходит одинаково при любой частоте УР. По этим причинам заявляемый способ более технологичен, нежели известные. A characteristic feature of the proposed method is that the initial amplitude of the damped oscillations caused by the closure of the piezoelectric element, previously charged with a constant voltage, is greater than when excited by a voltage of a different form, since the energy stored in the piezoelectric element is maximum in this case. Her task and maintaining stability is reduced to the same operations on constant voltage, which are carried out by minimal technical means. Since the discharge of the piezoelectric element lasts for fractions of microseconds, and this is certainly shorter than the smallest possible oscillation period, their excitation occurs the same at any frequency of the SD. For these reasons, the inventive method is more technological than known.

Функционирование устройства для осуществления заявляемого способа происходит следующим образом. При установке переключателя 2 в положение "а" происходит зарядка акселерометра, подключенного к разъему 3, постоянным напряжением от источника 1. По истечении установленного времени зарядки и после перевода переключателя 2 в положение "б" акселерометр отключается от источника 1, а формирователь 7 вырабатывает сигнал управления ключом 4, в результате чего акселерометр закорачивается на время, заданное параметрами формирователя. С запаздыванием, определяемым элементом задержки 8, ключ 5 подключает акселерометр к разъему 6 для подключения регистратора. При выборе длительностей замыкания и задержки в соответствии с вышеприведенными рекомендациями на регистратор поступает сигнал, в котором отсутствуют напряжение разряда емкости акселерометра и колебания с частотой, большей частоты УР. The functioning of the device for implementing the proposed method is as follows. When setting switch 2 to position “a”, the accelerometer connected to connector 3 is charged with constant voltage from source 1. After the set charging time has passed and after switching switch 2 to position “b”, the accelerometer is disconnected from source 1, and driver 7 generates a signal key control 4, with the result that the accelerometer is shorted for the time specified by the parameters of the shaper. With the delay determined by the delay element 8, the key 5 connects the accelerometer to connector 6 for connecting the recorder. When choosing the duration of the circuit and the delay in accordance with the above recommendations, a signal is received at the recorder in which there is no discharge voltage of the accelerometer capacitance and oscillations with a frequency higher than the frequency of the SD.

Как видно из фиг. 3, заявляемые способ и устройство позволяют возбудить колебания с уровнем и чистотой, необходимыми для точного определения частоты УР. As can be seen from FIG. 3, the inventive method and device can excite oscillations with the level and purity necessary for accurate determination of the frequency of the SD.

Для возбуждения колебаний достаточно напряжения (10-15) В, которое не вызывает каких-либо изменений состояния пьезоэлемента. Если же материал последнего чувствителен к подобным воздействиям, целесообразно проводить операцию дважды, меняя полярность возбуждающего напряжения. To excite oscillations, a voltage of (10-15) V is sufficient, which does not cause any changes in the state of the piezoelectric element. If the material of the latter is sensitive to such influences, it is advisable to carry out the operation twice, changing the polarity of the exciting voltage.

Преимуществами заявляемых технических решений перед известными являются:
большая технологичность ввиду отсутствия необходимости изменения временных параметров возбуждающего напряжения при испытаниях акселерометров с другой частотой УР;
повышенная точность регистрации колебаний, обусловленная стабильностью условий возбуждения и отсутствием наводок и помех после начала регистрации.The advantages of the claimed technical solutions over the known are:
greater adaptability due to the absence of the need to change the temporal parameters of the exciting voltage when testing accelerometers with a different frequency of SD;
increased accuracy of registration of oscillations due to the stability of the excitation conditions and the absence of interference and interference after the start of registration.

Заявляемые способ и устройство позволяют повысить точность измерения вибрации при длительной эксплуатации акселерометра без возможности временного демонтажа его с объекта измерения. The inventive method and device can improve the accuracy of vibration measurement during long-term operation of the accelerometer without the possibility of temporary dismantling of it from the measurement object.

Источники информации
1. Авт. свид. СССР, N 535478, М. кл. G 01 L 27/00, 1976, бюллетень N 42.Sources of information
1. Auth. testimonial. USSR, N 535478, M. cl. G 01 L 27/00, 1976, Bulletin N 42.

2. Bruel & Kjaer. Sound & Vibration Catalogue 1997, p. 43 (прототип). 2. Bruel & Kjaer. Sound & Vibration Catalog 1997, p. 43 (prototype).

Claims

1. The method of electrical excitation of resonant oscillations of a piezoelectric accelerometer, characterized in that the excitation is carried out by connecting the accelerometer to a constant voltage source with subsequent disconnection and short-circuiting of the terminals of the accelerometer.

2. A device for electrical excitation of resonant oscillations of a piezoelectric accelerometer containing an excitation voltage source, a switch and connectors for connecting an accelerometer and a recorder, characterized in that a driver of control signals, first and second normally open keys and a delay element are introduced into it as a source excitation voltage, a constant voltage source is used, connected through a switch in one of its positions with the first switch connected in parallel m, a connector for connecting an accelerometer and a chain of sequentially connected second key and a connector for connecting a recorder, and in the second position of the switch - with a driver of a control signal, which is connected to the control input of the first key and through the delay element to the control input of the second key.