Датчики вибрации

VIBRATION SENSORS

Ivan Lyakhovskiy

Student, Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, Russia, Krasnoyarsk

Vyacheslav Zyikov

Student, Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, Russia, Krasnoyarsk

Vitaliy Kolmakov

Candidate of Technical Sciences, associate professor, Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, Russia, Krasnoyarsk

Аннотация. Изучена классификации вибрационных датчиков с целью внедрения их в структуру Российских железных дорог. Предложен вид датчиков для внедрения их на электроподвижной состав.

Abstract. The classification of vibration sensors has been Studied in order to introduce them into the structure of Russian Railways. The type of sensors for their introduction on the electric rolling stock is offered.

Ключевые слова: Транспорт, датчики вибрации, вибропреобразователь, колебания, частота.

Keywords: Transport, vibration sensors, vibration transducers, vibrations, frequency.

Анализ вибраций, возникающих в результате движения подвижного состава, очень важен, так как железная дорога является основной транспортной системой, охватывающей большую часть территории нашей страны и стран ближнего зарубежья. С каждым днем растут объемы и количество перевозимых по железной дороге грузов. Одновременно с этим, растут нагрузки, как на составы, так и на верхние строения пути. Поэтому важно и необходимо учитывать вибрационные воздействия, как при эксплуатации железных дорог, так и при их проектировании, и строительстве. Требуется учитывать не только степень вибрационного воздействия при растущем уровне нагрузок, но учитывать и географическое положение конкретного участка железнодорожной магистрали.

Датчик вибрации(виброметр) – прибор, позволяющий определять параметры вибрационных явлений. Наиболее часто виброметры используются для определения:

1. Виброскорости
2. Виброускорения
3. Виброперемещения

Проще говоря, если вибрирующий объект считать простым осциллятором, то виброметр позволяет получить сведения как о базовых параметрах его колебаний (частота и амплитуда), так и, в некоторых случаях, получить спектральную характеристику колебательного процесса.

Рисунок 1. Схема датчика вибрации

Общая схема датчика вибрации содержит два основных блока (Рисунок 1): вибропреобразователь (1) и электронный блок обработки (2). Функциональное назначение первого блока – преобразование механических вибраций в электрический сигнал. Механизмов преобразования несколько:

• Пьезоэлектрический
• Оптический
• Вихретоковый
• Индукционный

Механизм преобразования в значительной мере определяет как характеристики прибора, так и его стоимость.

Второй блок – электронный блок обработки – служит для «расшифровки» полученного сигнала. Как правило, на входе таких блоков стоит аналогово-цифровой преобразователь, и основная часть операций над сигналом производится уже в цифровом виде, что расширяет функциональные возможности процесса пост-обработки, улучшает помехоустойчивость и позволяет осуществлять вывод информации по внешнему интерфейсу.

Для получения комплексной характеристики вибрационного процесса в состав измерительной системы может быть добавлен спектроанализатор. Если спектроанализатор многоканальный – он может служить основой распределённой системы вибрационной диагностики, содержащей более одного вибродатчика.

В настоящее время большинство виброметров относится к одному из двух типов:

1. Оптический виброметр
2. Пьезоэлектрический виброметр

В основу работы оптического виброметра подобно ультразвуковым датчикам перемещения положен эффект Доплера. Прибор обычно содержит лазерный источник излучения, приёмную оптическую схему, а также электронную схему обработки (Рисунок 2). При отражении излучения от неподвижного объекта длина волны принятого луча не отличается от истинной длины волны лазера. Если объект перемещается вдоль оси излучения, происходит сдвиг длины волны отражённого излучения на некоторую величину (эффект Доплера), значение и знак которой несут информацию о скорости и направлении движения объекта, а используемая в составе приёмного оптического модуля интерферометрическая схема позволяет определить эту величину. Таким образом, колебания отражающей поверхности модулируют частотный сдвиг, и электронная обработка этого сигнала модуляции позволяет получить параметры вибрационных колебаний.

Рисунок 2. Схема оптического виброметра

Несмотря на то, что в состав оптических виброметров входит источник лазерного излучения, такие приборы достаточно безопасны, поскольку за счёт высокой чувствительности приёмной оптической системы для проведения измерений достаточной оказывается весьма незначительная оптическая мощность.

Основное достоинств оптических виброметров является то, что диагностика с их помощью может проводиться бесконтактно, при их использовании в стационарном измерительном комплексе требуется лишь однократная фокусировка на измеряемой поверхности. Кроме того, устройства этого типа обладают высокой точностью и быстродействием, поскольку лишены подвижных элементов. К недостаткам можно отнести высокую цену.

Внутри корпуса виброметра содержится инертное тело, подвешенное на упругих элементах, содержащих пьезоэлектрический материал (Рисунок 3). Если корпус прибора прикреплён к вибрирующей поверхности, упругие элементы зарегистрируют колебания инертного тела, которое не прикреплено непосредственно к корпусу, а потому стремится сохранять своё первоначальное положение.

Рисунок 3. Схема пьезоэлектрического виброметра

Электрический сигнал с пьезокристалла, подаётся на аналогово-цифровой преобразователь, и его обработка осуществляется в цифровом виде. Как и в случае с оптическим виброметром, основным назначением приёмного чувствительного блока является преобразование вибрации в электрический сигнал, а характер его дальнейшей обработки определяется параметрами цифровой электронной схемы.

Основным недостатком этого класса приборов является необходимость соприкосновения чувствительной части с измеряемым объектом, что не всегда уместно в условиях производства. Кроме того, пьезоэлектрические приборы имеют более узкий диапазон воспринимаемых частот, поскольку имеют механический тракт передачи вибрации, где максимальная частота определяется инертностью компонентов.

К достоинствам пьезоэлектрических виброметров можно отнести их невысокую стоимость, а также  простое устройство, что обеспечивает устойчивость к внешним воздействиям.