Ортогонализация измерительного базиса трехосевых вибродатчиков методом последовательных приближений

Трехосевые датчики вибрации, применяемые при проведении виброиспытаний материалов и создании виброизмерительных систем, обладают поперечной чувствительностью, которая приводит к снижению точности измерений. В работе приводится решение проблемы устранения погрешности, вызываемой наличием поперечной чувствительности. Погрешность измерения вибрации зависит от многих факторов, в том числе от соотношения вибрационных составляющих по осям чувствительности, ширины спектра вибрации и наличия собственных резонансов вибродатчика по основным и поперечным направлениям. Показано, что ее можно практически полностью компенсировать представленным методом. Анализ составляющих векторов чувствительности по измерительным направлениям показал, что векторы поперечной чувствительности, отражающие паразитные составляющие, проникающие из других направлений, могут быть разложены на составляющие вдоль измерительных осей. Для ортогонализации векторов чувствительности при калибровке предлагаемым методом проводится поворот векторов чувствительности до совпадения с ортогональными направлениями. При этом получается измерительный базис с нулевыми поперечными чувствительностями, в результате чего проводится приведение матрицы чувствительностей к диагональной. Рассмотрены принципы и практический алгоритм калибровки трехосевых вибродатчиков с ортогонализацией по методу последовательных приближений. Приведены матрицы чувствительности на каждом этапе процесса калибровки и показано, как происходит снижение поперечной чувствительности. Представлены результаты разработки трехосевого вибродатчика совместно с электронным преобразователем, показывающие, что в результате калибровки по описанному алгоритму поперечные чувствительности снижены практически до нуля. Поскольку калибровка проводится без разборки вибродатчика, то она может проводиться не только при его изготовлении, но и в процессе поверки в период эксплуатации, что увеличивает его срок службы. Использование описанной методики не только улучшает метрологические параметры датчиков вибрации, но и позволяет существенно снизить требования к точности изготовления их измерительной системы, что снижает издержки и себестоимость производства. Представленный метод перспективен для создания новых высокоточных многоосевых датчиков вибрации и прецизионных измерительных систем на их основе.

1. Ганиев Р. Ф. Нелинейные резонансы и катастрофы. Надежность, безопасность и бесшумность. — М.: Регулярная и хаотическая динамика, 2013.

2. Ганиев Р. Ф, Ковальчук П. С. Динамика систем твердых и упругих тел: (Резонансные явления при нелинейных колебаниях). — М.: Машиностроение, 1980. — 208 с.

3. Ганиев Р. Ф., Балакшин О. Б., Кухаренко Б. Г. Бифуркация резонанса при флаттере лопаток ротора турбокомпрессора / Доклады Академии наук. 2012. Т. 444. № 1. С. 35 – 37.

4. Лепов В. В. Надежность и ресурс технических систем в экстремальных условиях эксплуатации / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 6. С. 36 – 39. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-6-36-39

5. Мовенко Д. А., Морозова Л. В., Шуртаков С. В. Исследование характера и причин разрушения карданного вала винтового двигателя / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 12. С. 43 – 50. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-12-43-50

6. Пустовой В. Н., Гришин С. А., Дука В. В., Федосов В. В. Установка для исследования кинетики развития трещины при испытаниях на циклический изгиб / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 7. С. 59 – 64. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-7-59-64

7. Махутов Н. А., Коссов В. С., Оганьян Э. С. и др. Прогнозирование контактно-усталостных повреждений рельсов расчетно-экспериментальными методами / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 4. С. 46 – 55. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-4-46-55

8. Zhdanov A. S., Morozov K. D. A new technology for improving vibration measurement accuracy with 3D piezoelectric transducers / Proceedings of the 10th International Congress on sound and vibration. — Stockholm, 2003. P. 943 – 950.

9. Жданов А. С. Повышение точности измерения пространственной вибрации трехкомпонентными пьезодатчиками на основе электронной ортогонализации векторов чувствительности / Вестник науч.-тех. развития. 2011. № 5. С. 13 – 19.

10. Triaxial Charge Accelerometer Types 4321 and 4321-V. Product data. https://www.bksv.com/-/media/literature/Product-Data/ bp2034.ashx (accessed 28.10.2022).

11. IEPE Triaxial Accelerometer. Kistler. Product catalogue. https://www.kistler.com/files/document/000-928e.pdf (accessed 28.10.2022).

12. Test and Measurement Sensor Catalog. Endevco. http:// endevco.com/contentStore/MktgContent/Endevco/uploads/ 2019/08/EDV- Catalog_Lowres.pdf (accessed 28.10.2022).

13. Жданов А. С. Влияние поперечной чувствительности пьезоакселерометров на точность измерения вибрации / Приборы. № 4(202). 2017. С. 1 – 6.

14. Жданов А. С. Помехоустойчивый трехкомпонентный пьезоакселерометр на основе монолитного пьезоэлемента / Приборы. 2014. № 7(169). С. 1 – 5.