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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 압전 센서의 상태를 원격으로 모니터링하는 장치
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 보안 장치 및 개체 신호 사고 결과의 위험으로 인해 측정 채널, 무엇보다도 센서가 이 시설에서 존재하는 가장 어려운 조건에서 작동되기 때문에 측정 채널의 신뢰성에 대한 요구 사항을 높일 필요가 있습니다. 주기적(보통 XNUMX년에 한 번) 검증보다 더 자주 측정 수단으로 속성을 제어할 필요가 있습니다. 센서는 손이 닿기 어려운 장소(예: 장치 케이스 아래)에 설치되는 경우가 많기 때문에 원격으로 제어해야 합니다. 설명된 장치에서 구현되고 이를 가능하게 하는 제어 방법[1]은 센서의 압전 변환기가 가역적이라는 사실에 기반하고 있으며, 이는 기계적으로 작용할 때 전기적 신호를 생성하고 전기적 충격을 받을 때 기계적 변형을 경험합니다. 전압이 가해집니다. 두 경우 모두 충격에 대한 응답 수준은 압전 계수라고 하는 동일한 계수에 의해 결정됩니다. 기계 시스템으로서 센서의 관성은 자유 진동의 주파수에 의해 결정되며, 이는 주로 센서 자체의 특성에 의존하지만, 또한 센서와 접촉하는 물체 부분의 기계적 특성에도 의존합니다. 설치 공진(UR)의 주파수라고 합니다. 전기적 관성은 기계적 관성과 관련이 없으며 케이블이 있는 센서의 커패시턴스와 부하의 활성 저항의 곱에 의해 첫 번째 근사값에서 결정됩니다. 센서에 의해 측정된 진동의 주파수 스펙트럼은 항상 SD의 주파수 아래에 있으며(그렇지 않으면 측정 결과가 신뢰할 수 없음) 일반적으로 해당 값의 0,2에서 0,3...XNUMX 사이의 영역을 차지합니다. 설명 된 제어 장치에 연결하기 위해 센서는 작동하는 장비에서 분리됩니다. 일정한 전압이 인가되어 커패시턴스를 충전하고 압전 소자를 변형시킵니다. 이 작업의 지속 시간은 모든 일시적인 기계적 및 전기적 프로세스가 끝날 시간이 있어야 합니다. 그 후 전압 소스가 센서에서 분리되고 센서 커패시턴스의 거의 완전한 방전에 충분한 시간(보통 수십 마이크로초) 동안 작은 활성 저항이 후자의 단자에 연결됩니다. 압전 소자의 기계적 변형은 동일한 속도로 변경될 수 없으며, 초기 상태로의 복귀는 주파수 SD로 감쇠된 진동의 형태로 발생합니다. 압전 소자는 이러한 진동을 전기 신호로 변환하고, 이는 예를 들어 저장 오실로스코프에 의해 기록됩니다. 센서가 정상 상태임을 나타내는 신호는 반복 모니터링 중에 신호의 모양과 레벨이 변하지 않는다는 것입니다. 제어 장치의 주요 노드는 폐쇄 및 등록 간격의 지속 시간을 설정하는 두 개의 단일 진동기와 두 개의 스위치입니다. 안정적인 폐쇄 지속 시간과 함께 펄스의 감쇠에 의한 진동의 여기는 도량형 작업에 필요한 전기 신호의 레벨과 모양의 우수한 반복성을 달성하는 것을 가능하게 합니다. 설명 된 버전의 장치는 다소 복잡합니다. 스토리지 오실로스코프는 고가의 상대적으로 희귀한 장치이기 때문에 제어 프로세스가 주기적으로 이루어지므로 기존의 오실로스코프를 사용할 수 있습니다. SD의 주파수를 결정할 때 더 큰 신뢰성을 위해 고주파 간섭을 억제하는 필터가 도입되었습니다. 자율 저전압 전원 공급 장치와 LED 표시기가 있는 UR 주파수 측정기가 있습니다.
장치의 구성표가 그림 1에 나와 있습니다. 1.1. DD1.2 및 DD1.2 요소의 멀티바이브레이터는 직사각형 펄스를 생성합니다. 요소 DD1.3의 출력에서 지속 시간 t의 펄스가 스위치 DA1의 제어 입력에 공급됩니다. 작동하는 동안 R14R15HL3 회로(그림 12의 곡선 U3)를 통해 커넥터 X2에 연결된 센서 입력에 닫힌 스위치를 통해 +XNUMXV의 충전 전압이 공급됩니다.
센서의 커패시턴스는 이 전압까지 충전됩니다. HL3 LED는 센서 회로의 단락을 신호하도록 설계되었습니다. 고려된 것과 반대되는 펄스는 요소 DD1.1의 출력에서 미분(C2R6) 및 적분(C4R11) 회로를 통해 요소 DD1.3의 입력으로 나옵니다. 출력에서 낮은 논리 레벨 펄스가 형성되며 충전 펄스 사이의 일시 중지에 위치하지만 지속 시간 t2가 일시 중지보다 짧습니다. C6R18 미분 회로를 통해 이 펄스의 하강 에지는 DA6 타이머에서 단일 진동기를 트리거하며, 펄스의 지속 시간은 R21C7 회로의 매개변수(그림 3의 간격 t2)에 의해 DA2 미세 회로의 낮은 (회로에 따라) 스위치의 제어 입력. 이 경우 센서 출력(커넥터 X3의 핀 1)은 스위치와 저항 R12를 통해 공통 와이어에 연결되어 센서 커패시턴스를 방전합니다. 센서 양단의 전압(그림 2의 곡선 U)은 XNUMX으로 감소합니다. 타이머 펄스의 하강 에지는 DD6.1 및 DD6.3 요소에서 단일 진동기를 시작하여 미분 회로 C4R13을 통해 이제 본질적으로 진동하는 지속 시간 t31의 펄스(C53R6.2R2 회로의 매개변수에 의해 결정됨)를 생성합니다. 연산 증폭기 DA5의 증폭기 입력에, 저항 R16를 통해 스위치 SA4이 커패시터 C25("표시" 모드) 또는 저항 R3("진단" 모드)에 연결되는 출력 . 첫 번째 경우에는 평활화 필터가 형성되고 두 번째 경우에는 주파수 독립 분압기가 형성됩니다. 다음으로 신호는 오실로스코프 또는 기타 레코더가 연결된 X8 커넥터로 이동합니다. 동기 펄스는 간격 t27의 시작과 시간에 맞춰 동일한 커넥터로 출력됩니다. 장치의 나머지 노드는 UR 주파수 측정기를 형성합니다. 증폭기 DA3 및 전압 비교기 DA5의 도움으로 센서 신호는 표준 진폭의 일련의 펄스로 변환됩니다. 게인(10 또는 20)은 스위치 SA2에 의해 선택되며 상태는 LED HL1 및 HL2로 표시됩니다. 1ms 동안 비교기의 출력에서 펄스를 계산하면 SD의 주파수 값이 킬로헤르츠로 표시됩니다. 그러나이 방법은 현대 압전 센서의 자연 진동이 훨씬 빨리 감쇠하기 때문에 받아 들일 수없는 것으로 판명되었습니다. 따라서 총 지속 시간이 1ms인 더 짧은 간격으로 펄스를 계산해야 했습니다. 실험에 따르면 500μs의 두 간격이면 충분합니다. 계정은 다음과 같이 진행됩니다. SB2 "Set. 0" 버튼을 누른 후, DD2.1 카운터는 HL4 "Ready" LED로 표시된 카운팅 준비 상태로 설정되고 카운터 DD4 및 DD5는 1으로 설정됩니다. SB1.1 "시작" 버튼을 길게 누르면 스위치 DA1.2이 열리고 요소 DD1.2의 출력에서 클록 펄스가 열린 스위치 DA2.1를 통해 카운터 DD3.2로 전달됩니다. 요소 DD2 신호의 두 입력은 카운터의 출력 4와 6.2에서 나오고 세 번째 입력은 요소 DD3.3의 출력에서 나옵니다. 결과적으로 DD1 요소의 출력에서 하이 레벨은 여섯 번째 및 일곱 번째 충전 펄스(SB8 버튼을 누른 순간부터 계산) 이후의 작동 주기 동안에만 존재합니다. 여덟 번째 펄스는 인버터 DD2.1을 통해 스위치 DA3.1를 닫는 카운터 DD1.2의 출력 2.1에서 하이 레벨을 설정합니다. 카운터 DD4의 입력에 대한 펄스의 흐름이 멈추고 HL1 LED가 꺼집니다. 이제 SBXNUMX 버튼을 놓을 수 있습니다. 요소 DD3.3의 출력은 비교기 DA1.4의 출력과 카운터 DD5의 입력 사이에 연결된 스위치 DA4의 제어 입력에 연결됩니다. 카운터 DD4 및 DD5의 상태 표시는 LED HL5-HL24의 8일 라인 1개를 사용하여 일반적이지 않습니다. 이것은 전류 소비를 줄이기 위해 수행되었습니다. 어떤 경우에도 이러한 모든 LED의 총 소비는 3mA를 초과하지 않습니다. 불행히도, 더 경제적인 LCD는 작동 온도 범위가 충분하지 않기 때문에 적합하지 않습니다. 누화를 줄이기 위해 도입된 다이오드 VDXNUMX-VDXNUMX. 장치의 모든 커패시터는 세라믹이며 C7 및 C13에는 작은 TKE가 있어야 하며 운모와 같이 다를 수 있습니다. 내열성(예: C2-31)도 저항 R21 및 R31이어야 합니다. 스위치 - 슬라이딩 소형 B1561. 그러나 SA3 대신 PS580N과 같이 접점을 전환하는 버튼을 사용하는 것이 좋습니다. 버튼을 놓았을 때 접점의 위치는 그림 1의 다이어그램에 표시된 것과 일치해야 합니다. 하나. 커넥터 X1의 유형은 가장 자주 확인해야 하는 센서에 따라 다릅니다. 저자는 블록 플러그 RS-4TV를 사용했는데, 그 이유는 국내 산업용 진동 센서의 대부분이 케이블 소켓 RS-4TV가 있는 압전 가속도계 ABC 및 ANS이며 접점의 목적은 그림 1의 다이어그램에 표시된 것과 일치하기 때문입니다. 2. 이 경우 착탈식 연결부에서 내진동이 필요하지 않으므로 플러그 본체의 수나사를 조심스럽게 제거하는 것이 좋습니다. 그러면 센서 연결 및 분리 프로세스가 용이하고 속도가 빨라집니다. 다른 유형의 센서는 적절한 어댑터를 통해 장치에 연결할 수 있습니다. 커넥터 X2는 예를 들어 ONTS-VG-3-16/XNUMX-p일 수 있습니다. 연결된 케이블의 신호선은 차폐되어야 하며 클럭 신호선은 차폐가 필요하지 않습니다.
이 장치는 AA 크기의 12~0522개의 갈바니 전지로 구성된 배터리로 전원이 공급되며, 이 배터리의 전압은 그림 2에 표시된 회로에 따라 연결된 TMR3 변환기[1]를 사용하여 양극 안정화 +/-7,5V로 변환됩니다. 130. GB145 배터리 전압이 XNUMXV일 때 소모되는 전류는 "진단" 및 "표시" 모드에서 각각 XNUMX 및 XNUMXmA입니다. 이 장치는 두 개의 보드에 조립되며, 하나는 다른 보드 위에 있고 리본 케이블로 연결됩니다. 컨트롤과 LED는 상판에 실장되고 나머지 요소들은 별도의 코너 패널에 위치한 커넥터를 제외하고 하판에 실장된다. 본체가 준비되었습니다. 대부분의 능동 소자는 외부 보정이 없는 논리 게이트 및 연산 증폭기이므로 올바르게 배선된 장치를 설정하는 데 많은 노력이 필요하지 않습니다. 요소 DD1.1, DD1.2의 멀티바이브레이터가 30 ± 5Hz의 반복률로 대칭 직사각형 펄스를 생성하는지 확인한 후 요소 DD1.3의 출력에서 펄스의 위치와 모양을 확인해야 합니다 .
4 빔 오실로스코프가없는 경우 가장 간단한 가산기를 사용할 수 있으며 그 회로는 그림 XNUMX에 나와 있습니다. 넷.
출력에서 신호의 오실로그램은 그림 5과 같은 형식이어야 합니다. 여기서 t1과 t2는 그림 2와 같은 간격이다. 6. 저항 R11 및 R2을 선택하여 충전 펄스가 종료된 후 0,3 ... 1ms 후에 간격 t5가 시작되는지 확인합니다. 지속 시간은 10 ... 6ms여야 하며 정확한 값은 중요하지 않습니다. DA20 타이머에 의해 생성된 펄스는 30 ... 6.2 μs 범위의 지속 시간을 가져야 합니다. 그러나 DD53 요소의 출력에서 펄스 지속 시간은 가능한 최대 정확도로 500μs와 동일한 트리밍 저항 RXNUMX으로 설정해야 합니다. 이것은 SD 주파수의 측정 오차에 직접적인 영향을 미칩니다.
추가 조정을 위해 압전 센서(가속도계)가 필요하며, 바람직하게는 초당 미터당 밀리볼트 정도의 변환 계수와 10kHz 이상의 자유 발진 주파수(SD 주파수보다 높음)가 필요합니다. 센서를 커넥터 X1에 연결하면 커넥터 X2에 연결된 오실로스코프의 컨트롤이 그림 6과 같이 화면에서 안정적인 이미지를 얻을 수 있습니다. 8-6. 센서 상태에 대한 신호의 의존성을 보여주는 오실로그램을 보여줍니다. 느슨함(그림 7); 사용 설명서(그림 8)에 따라 엄격하게 설치됩니다. 설치되었지만 제어 구조에 느슨하게 고정되어 있습니다(그림 50). 수직 및 수평 축을 따라 오실로그램의 스케일은 각각 50mV/div입니다. 및 XNUMX µs/div. 여기 진동의 반복성은 여기를 1,5배 반복하여 오실로그램의 특징점 위치를 측정한 결과를 특징으로 합니다. 스프레드는 9%를 초과하지 않았으며 실제로 사용된 S8-XNUMX 스토리지 오실로스코프의 오류와 일치했습니다. 연산 증폭기 DA3의 출력에서 신호 왜곡이 없는지 확인하는 것이 바람직합니다. 실제로, 다른 유형의 센서의 감쇠 진동 범위는 약간 다르며 수백 밀리볼트를 초과하지 않습니다. 비교기 DA5에서 슈미트 트리거의 작동을 확인할 때 입력에서 신호의 주기 수와 출력에서 펄스를 비교해야 합니다. 트리거 임계값은 저항 R19 및 R23을 선택하여 설정합니다. 특히 장기 및 논스톱 작동 대상에서 작동하도록 설계된 센서의 첫 번째 제어는 설치 직후에 수행하는 것이 바람직합니다. 이 경우 모든 요구 사항(허용되는 안착 표면의 편평하지 않음 및 거칠기, 나사의 조임 토크, 오염 없음 등)이 충족되는지 여부가 즉시 명확해집니다. 위반은 SD의 주파수를 너무 많이 감소시켜 센서 신호가 진동의 특성을 올바르게 반영하지 못할 수 있습니다. 결과적으로 물체의 비상 정지에 대한 잘못된 명령을 생성할 수 있습니다. 얻은 결과(SD의 주파수 및 스위치 SA2의 위치 계산)가 기록되며, 이는 후속 제어 주기 동안 센서 상태를 평가하기 위한 기초 역할을 합니다. 관찰된 편차는 센서 상태에 대한 보다 자세한 연구와 수리 또는 교체 필요성에 대한 결정의 기초가 됩니다. 전술한 내용은 제어가 정지된 장치에서 수행됨을 의미합니다. 온도는 반드시 일정하지 않으며 사용되는 효과는 변화에 민감합니다. 위에서 언급했듯이 진동 여기 과정의 두 단계에서 충격에 대한 반응은 압전 계수 값에 의해 결정됩니다. 증가하는 온도와 함께. 이 경우 전기 신호의 진폭은 압전 계수의 제곱에 비례하고 온도 의존성은 그에 따라 더 강합니다. 실험에 따르면 최대 250°C의 온도에서 제어하는 동안 최대 작동 온도가 120°C인 센서의 신호는 ±6% 이내의 불안정성을 보였습니다. 따라서 모든 제어 주기에서 온도 확산이 20°C를 초과하지 않는 것이 바람직합니다. 이와 관련하여 센서의 온도를 측정 할 수있는 장치와 함께 장치를 작동하는 것이 좋습니다. 조작 장치에서 제어를 수행할 가능성은 여러 상황에 따라 다릅니다. 물체가 정상적으로 작동하는 동안 센서에 의해 기록된 진동 레벨이 센서의 한계에 가까우면 진동 스펙트럼의 상한이 SD의 주파수 또는 최종적으로 온도에 근접한다고 즉시 말할 수 있습니다. 센서가 최대 허용치에 가까워 제어가 불가능합니다. 계획된 장치 종료 중에 수행해야하지만이 경우에도 장치를 사용하면 시간이 절약되고 기계적 작업이 제거됩니다. 위에 나열된 상황이 명확하지 않은 경우, 시작 전과 시설 운영 중에 제어를 수행해야 합니다. 결과를 비교하여 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다. 설명된 장치의 내장 표시기만을 사용한 제어는 가능성의 일부만 구현한다는 점을 명심해야 합니다. 센서의 자연 진동의 스펙트럼 또는 기타 특성을 분석하면 센서의 상태를 보다 정확하게 평가할 수 있을 뿐만 아니라 센서가 설치된 물체의 노드 상태에 대한 추가 정보를 얻을 수 있습니다. 사실 정상 작동 중에 얻은 센서 신호 스펙트럼의 상한선은 대부분 1000Hz를 초과하지 않으며 때로는 더 낮습니다. 물체의 작은 결함은 진동 스펙트럼의 특성에 거의 영향을 미치지 않습니다. 그리고 제어하는 동안 스펙트럼은 비교할 수 없을 정도로 넓기 때문에 그것을 분석하면 물체의 상황에 작은 변화도 감지할 수 있습니다. 스펙트럼 분석기는 오실로스코프 대신(또는 함께) X2 커넥터에 연결되고 SA3 스위치는 "진단" 위치로 설정됩니다. 이 장치를 사용하면 압전 모듈의 변경으로 인한 센서 변환 계수의 변경 사실을 감지할 수 있을 뿐만 아니라 새 값을 계산할 수도 있습니다. 가장 간단한 기술은 이중 제어 중에 신호를 비교하는 것입니다. 첫째, 센서 설치 직후, 최근 검증 데이터가 유효한 때, 그리고 나서 센서 매개변수의 변화를 예상할 수 있는 시간 이후입니다. 두 레코드 모두에서 동일한 방식으로 N 진동 주기를 선택해야 합니다. 각 주기에서 신호 범위(최대값과 최소값의 차이)를 결정하고 얻은 값을 합산합니다. 초기 제어 시 합 V1을 구하고 반복 제어 - V2 중 반복 제어 시의 변환 계수는 다음과 같습니다.
여기서 S1은 검증 중에 얻은 변환 계수의 값[3]입니다. 다음 표준 검증까지 측정 결과 분석에 사용할 수 있습니다. 장치의 또 다른 응용 프로그램은 매개 변수의 조립 및 조절 단계에서 압전 센서의 제조에서 찾을 수 있습니다. 오실로스코프 화면에서는 스위퍼로 필터를 조정할 때와 같이 진행 중인 작업에 대한 센서의 응답을 명확하게 관찰할 수 있습니다. 이 경우 공진주파수 뿐만 아니라 변환계수 값에 대한 정보도 어느 정도 얻을 수 있다. 진동 센서 외에도 압전 압력 맥동 센서를 제어하는 것이 경우에 따라 가능하지만 제어는 "양호한" 원칙에 따라 정성적일 뿐이라고 덧붙입니다. 문학 1. Subbotin M. 압전 가속도계의 공진 진동의 전기 여기 방법 및 그 구현 장치. RF 특허 번호 2150708. - Bulletin of Inventions, 2000, No. 16.
저자: M. Subbotin, 모스크바; 발행: radioradar.net
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