Разработка модификации вибропреобразователя АР1022-01 для измерения виброускорений на двигателях РД191 производства АО «НПО «Энергомаш»

В статье представлена работа инженеров ООО «ГлобалТест» над вибропреобразователями АР1022-01, предназначенными для ракетных двигателей. В основу настоящей разработки положены результаты исследований по созданию пьезоакселерометров типа АР.

В этой статье будет описано выполнение ОКР для разработки вибропреобразователей АР1022-01 с температурным режимом работы от –184 до +150 °C.

В соответствии с требованиями, датчик должен обеспечивать генераторный режим работы с использованием пьезоэлектрического чувствительного элемента. В настоящее время пьезоэлектрические акселерометры являются оптимальными датчиками для измерений механических ударов и колебаний. Это обусловлено их свойствами, такими как:
- широкий рабочий частотный диапазон;
- линейная характеристика в широком динамическом диапазоне;
- выходной электрический сигнал, пропорциональный ускорению механических колебаний, можно преобразовать электронным путем в сигнал, пропорциональный виброскорости или виброперемещению;
- высокая стойкость в отношении воздействия окружающей среды и сохранения высокой точности в неблагоприятных эксплуатационных условиях;
- активный преобразователь, не нуждающийся в применении источника питания;
- конструкция без движущихся деталей, гарантирующая исключительную долговечность;
- малогабаритная, компактная конструкция, обладающая большим значением отношения чувствительности к собственной массе.

В основу настоящей разработки положены результаты исследований по созданию пьезоакселерометров ти­па АР, широко применяемых при динамических испытаниях изделий [1].

Одним из основных требований является значительное снижение чувствительности датчика к воздействию предельных пониженных температур и, как следствие, паразитных скачков на диаграмме измерений (рис. 1). Однозначного объяснения природы возникновения этого процесса на данный момент не найдено. Предполагается, что этот эффект возникает в результате действия целого комплекса причин. Одной из них являются фазовые искажения, вносимые акселерометром, в случае когда время задержки между воздействующим на не­го механическим колебанием и снимаемым с его выхода электрическим сигналом не имеет фиксированного значения на всех частотах, а произвольно изменяется с изменением частоты [2]. Вследствие нелинейности характеристики предусилителя низкочастотные составляющие исследуемого процесса претерпевают опережение фа­зы относительно его основной составляющей, в результате че­го электрический сигнал искажается и дает ошибочное представление о форме импульса.

Рис. 1. Форма сигнала высокоинтенсивного ударного импульса

Как показывает практика проведения испытаний, при высокоинтенсивных вибрационных и ударных нагрузках происходит практически мгновенное достижение максимального значения амплитуды ударного ускорения с практически вертикальным нарастанием переднего фронта τфр порядка десятка микросекунд, с наличием интенсивных высокочастотных наложенных колебаний на основную форму импульса (рис. 1). Основываясь на анализе многочисленных исследований и экспериментальных данных [1], можно сделать вывод, что еще одной, наиболее значимой причиной возникновения эффекта смещения ну­ля является перенапряжение пьезоматериала чувствительного элемента в результате воздействия суперпозиции возмущающих факторов в ви­де измеряемого импульсного ускорения высокого уровня и наложенных на не­го затухающих высокочастотных колебаний. Отметим, что пиковое значение ускорения таких импульсов с наложенными колебаниями может достигать десятков тысяч g с длительностью порядка десятков микросекунд и превышать верхний предел рабочего динамического диапазона акселерометра, что, как правило, не обнаруживается при использовании фильтров в усилительном тракте. Предположив, что пьезоэлементы акселерометра имеют несовершенную упругость, делаем вывод, что при быстром уменьшении действующей на них силы не все молекулярные домены материала вернутся в исходное состояние, в котором они находились до приложения упомянутой си­лы. Следовательно, да­же после уменьшения силы до ну­ля пьезоэлементы акселерометра отдают электрический заряд, уменьшающийся медленно с постоянной времени, соответствующей нижнему пределу частоты используемого вместе с акселерометром предусилителя. Соответствующее явление является случайным процессом и может иметь положительный или отрицательный знак. Время, на протяжении которого происходит установление начального уровня, может более чем в 1000 раз превышать длительность исследуемого импульса [3].

С учетом сказанного в целях защиты чувствительного элемента от высокочастотной составляющей ударного импульса большой амплитуды, в разрабатываемом датчике введено механическое демпфирование чувствительного элемента. Использование демпфера между чувствительным элементом и корпусом акселерометра способствует:
- фильтрации наложенных высокочастотных колебаний;
- снижению деформационной чувствительности;
- повышению рабочего диапазона частот.

Выбор варианта закрепления и материала пьезоэлемента

Значительно меньше подвержены явлению смещения ну­ля акселерометры с кристаллическими пьезоэлементами, а также акселерометры, выполненные по сдвиговой конструктивной схеме [4]. Это объясняется повышенной стабильностью пьезосвойств природных кристаллических структур, таких как кварц, ниобат лития и другие, по отношению к пьезокерамическим материалам из сегнетокерамических порошков. Однако пьезоэлементы из кристаллических пьезоматериалов значительно уступают синтезированным материалам по такому параметру, как энергетический КПД (ηэ). Для сравнения вычислим ηэ для кварца и пьезокерамики ЦТС-19:   , где ηэ – энергетический КПД, %; d – пьезомодуль; Е1 – модуль продольной упругости материала пьезоэлемента; εдп – диэлектрическая проницаемость материала пьезоэлемента.

Для кварца:
d11 = 2,3 • 10-12 Кл/Н;
Е1 = 80 • 109 Н/м;
εдп = 4,05 • 10-11 Ф/м.

Для ЦТС-19:
d33 = 360 • 10-12 Кл/Н;
Е1 = 57 • 109 Н/м;
εдп = 1580 • 10-11 Ф/м.

ηэ = 1 % – для кварца;
ηэ = 46 % – для пьезокерамики ЦТС-19.

Видно, что пьезокерамика превращает в электрическую почти 50 % подводимой к ней механической энергии, в то время как кварц – 1 %. На основании вышеизложенного в качестве материала чувствительного элемента выбрана пьезокерамика ЦТС-19 и сдвиговая схема работы.

Согласно требованиям, разрабатываемый датчик должен состоять из трех независимых измерительных каналов, каждый из которых содержит пьезокерамический чувствительный элемент сдвигового ти­па. Конструкция датчика представлена на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция датчика

Чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлемента и инерционного элемента, закреплен в корпусе датчика. Необходимое усилие поджатия обеспечивается технологически при запрессовке пьезокерамики в корпус датчика и путем подбора упругих свойств эластичного клеевого шва. Снятие сигнала происходит с помощью трехжильного антивибрационного кабеля марки АВКТМ-3 длиной, согласно спецификации, из ря­да 0,15/0,25/0,3 м, который заканчивается стандартным соединителем РС4 ТВ. Корпус имеет кубическую форму с резьбовым хвостовиком М5-8g и длиной 5 мм в основании. Для установки датчика на объекте испытаний на корпусе предусмотрена проточка с размером под ключ 7 мм. Объем датчика составляет 0,8 см3, масса без учета кабеля и соединителя – 5 г.

Схема электрическая соединений датчика представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема электрическая соединений датчика

По итогам расчетов, приведенных вы­ше, бы­ли изготовлены опытные образцы вибропреобразователей АР1022-01. На них проводились предварительные испытания на ба­зе предприятия ООО «ГлобалТест» и межведомственные испытания на ба­зе АО «НПО «Энергомаш».

Проведение предварительных испытаний на пониженную температуру

Установить датчики в сосуд Дьюара согласно рис. 4. Проводить измерение электрического сопротивления изоляции и электрической емкости каждый час в течение 4 часов.

Рис. 4. Схема установки объектов испытаний в сосуд Дьюара

Внешний вид установки (сосуд Дьюара) и оборудования для испытания на предельную пониженную температуру представлены на рис. 5. Проверку коэффициента преобразования в сосуде Дьюара проводят по схеме, представленной на рис. 6.

Рис. 5. Внешний вид установки для испытания датчика на предельную пониженную температуру

Рис. 6. Блок-схема проверки датчика АР1022-01

Подключаем вибропреобразователь АР1057 к генератору, а вибропреобразователь АР1022-01 – к регистратору. Подаем ускорение 5 g на АР1057 на частоте 150 Гц. Проверяем коэффициент преобразования оси Z вибропреобразователя АР1022-01.

Установить вибропреобразователи в сосуд Дьюара. Проводить измерения коэффициента преобразования каждый час в течение 4 часов.

По результатам предварительных и межведомственных испытаний опытные образцы вибропреобразователей АР1022-01 подтвердили соответствие характеристик вибропреобразователя требованиям заказчика.

Заключение

Вибропреобразователь внесен в Государственный реестр СИ, регистрационный номер 88635-23.
Проведены работы по каталогизации и внесению в каталог ПС военного назначения.
По результатам выполнения ОКР РКД датчика присвоена литера «О1».
Вибропреобразователь АР1022-01 готов к поставке на двигатель РД 191.

Литература

1. Малинский В. Д., Бегларян В. Х., Дубицкий Л. Г. Испытания аппаратуры и средств измерений на воздействие внешних факторов: Справочник. М., 1993.
2. Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители. Справочник по теории и эксплуатации. Дания, 1987.
3. Пьезоакселерометры АП. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. АОТО7. ВНИИЭФ, 1988.
4. Новицкий П. В., Шмаков Э. М. Критерий оценки качества пьезоэлектрических датчиков акселерометров // Труды ЛПИ. Л., 1972.

Статья опубликована в журнале «ИСУП»

Статья на сайте журнала >>