Трехкомпонентный вибропреобразователь

(5)5 6 НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ И АВТО РСКО Благо ОПР одози ью по нтн ого выход адрату иброметрии вибродозиОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР)(57) Изобретение относится к вибметрическому контролю и имеет целвышение точности трехкомпонепреобразователя за счет полученияного сигнала, пропорционального к Изобретение относится к ви может быть использовано вметрах,Известно устройство для измерения из- менения ускорения, содержащее корпус и установленную в нем на упругих элементах инерционную массу, глухие мембраны, установленные в корпусе параллельно упругим элементам и сбразующие с упругими элементами или инерционной массой замкнутые полости, заполненные жидкостью и соединенные между собой дросселирующим каналом а измерительные преобразователи расположены на одной или на каждой из дополнительных мембран со стороны удаленной от инерцио нного элемента,Недостатком аналога является низкая точность измерения вибрации, обусловленная наличием порога чувствительности. перемещения инерционного элемента, Вибропреобразователь содержит корпус и размещенные в нем инерционный элемент в виде шара, установленные во взаимно перпендикулярных плоскостях три группы предварительно натянутых упругйх элемен- та и три пары электромеханических преобразователей, причем каждая группа упругих элементов представляет собой две параллельные круглые мембраны, на которых размещены электромеханические преобразователи, соединенные попарно параллельно. Кроме того, пары электромеханических преобразователей, размещенных на трех координатных осях, соединены между собой последовательно. 1 з.п, ф-лы, 10 ил. Наиболее близким по технической сущ- , ности и достигаемому результату к заявленному устройству является устройство -- ф трехкомпонентный вибрапреобразователь, содержащий корпус и размещеные в нем О инерционный элемент в виде шара, устаовленные во взаимно перпендикулярных пло-у скостях три группь спредварительо натянутых упругих элеменгаи три пары электромеханических преобразователей, а ф каждая группа упругих элементов йредставляет собой дае параллельные круглые меьгбраны. ЫНедостатком прототипа являетсяниз- кая точность измерения-вйбраци при вибродозиметрическом контроле. обусловленная необходимостью применения электронных блоков фильтров и квадраторов, ограничивающих динамический диапазон и1781554 оставитель А.Ноехред М.Моргент о Редакт орректор Л.Филь убчен Заказ 4268 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 гарина, 10 изводственно-издательский комбинат "Пате горо10 20 25 30 40 50 вносящих погрешности в оценку вибрационного воздействия на человека,Цель изобретения - повышение точности вибродозиметрического контроля путем получения выходного сигнала, пропорционального квадрату перемещения инерционного элемента,Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве - трехкомпонентном вибропреобразователе, содержащем корпус и размещенные в нем инерционный элементв виде шара, установленные во взаимно перпендикулярных плоскостях три групйы предварительно натянутых упругих элемента и три пары электромеханических преобразователей, а каждая группа упругих элементов представляет собой две параллельные круглые мембраны, электромеханические преобразователи, размещенные на соответствующих координатных осях, соединены попарно параллельно,Кроме того, указанная цель достигается тем, что пары электромеханическихпреобразователей, размещенных на трех координатных осях соединены между собой последовательно.На фиг. 1 представлена упрощенная конструкция однокомпонентного вибропреобразователя; на фиг, 2 - однокомпонентный вибропреобразователь с емкостным электромеханическим преобразователем; на фиг. 3 - трехкомпонентный вибропреобразователь с тензодатчиками; на фиг, 4 - то же, разрез по диагонали; на фиг, 5 - то же, разрез, с емкостными электромеханическими преобразователями; на фиг, 6 - вибродозиметр с конденсатором; на фиг. 7 - то же, с светодиодом; на фиг. 8 - то же, с повышенной чувствительностью; на фиг. 9 - то же, для пространственных колебаний; на фиг, 10. - высокоточный вибродозиметр.Заявленный вибропреобразователь состоит из корпуса 1 и размещенных в нем инерционного элемента 2, взаимодействующего с корпусом 1 посредством упругого элемента 3, и электромеханических преобразователей в виде тензорезисторов 4, 5, которые электрически соединены между собой параллельно с возможностью изменения сигнала пропорцИонально квадрату перемещения инерционного элемента в направлении, вызывающем деформацию данного упругого элемента, причем жесткость другого элемента определена равенством резонансных частот колебаний биообьекта и инерционного элемента 2 в направлении деформации упругого элемента, если электромеханические и реобразователи расположены по разные сторонь 1 от упругого элемента испьтывающего изгиб, то именно они соединены параллельно, корпус 1 может быть заполнен демпфирующей жидкостью 6, например, силиконовым маслом (фиг. 2).Вибропреобразователь может быть выполнен в виде корпуса 1 с расположенными в нем инерционным элементом 2, посредством двух других элементов,в виде круглых мембран 7, 8, взаимодействующих с корпусом 1, на одной или на обеих мембранах могут быть расположены электромеханические преобразователи, например, мембранные тензодатчики, т,к, тангенциальная и радиальная деформации имеют разный знак, то параллельно могут быть соединены тензорезисторы одного мембранного тензодатчика или друг с другом радиальные и (или) тангенциальные, расположенные на разных мембранах, Полость вибропреобразователя может быть заполнена демпфирующей жидкостью 6,например, силиконовым маслом. Суммарная жесткость мембран 7, 8 (фиг. 2) или упругого элемента 3 (фиг, 1) должна определяться равенством резонансных частот колебаний биообъекта и инерционного элемента 2, а демпфирование, обеспечиваемое трением демпфирующей жидкости 6 или воздуха, в случае ее отсутствия, проходящих из одной камеры, образованной мембраной 7 и цилиндрическим инерционным элементом 2, в другую, образованную мембраной 8 и инерционным элементом 2, через зазор между цилиндрической стенкой корпуса 1 и инерционным элементом 2, должно обеспечивать крутизну спада амплитудно-частотной характеристики оибропреобразователя, соответствующей крутизне спада амплитудно- частотной характеристики биообьекта.Вибропреобразователь может быть снабжен крышками 9, 10 из изоляционного материала с расположенными на внутренней поверхности электропроводящими электродами 11, 12,При измерении дозы пространственных вибраций (фиг. 3 - 5) вибропреобразователь выполнен трехкомпонентным; содержит корпус 1 и размещенные в нем инерционный элемент 2, выполненйый в виде шара, и установленные во взаимно перпендикулярных плоскостях три пары предварительно натянутых упругих элемента, выполненных в виде круглых мембран 7, 8, 13, 14 и три пары электромеханических преобразователей 15, 16, 17, расположенных со стороны круглых мембран 7, 8, 13, 14 с противоположных сторон касания их с инерционным элементом 2. Корпус снабжен крышками 18-21,образующими вместе с мембранами 7, 8, 13, 14 замкнутые полости, каждые две5 10 15 20 25 30 40 45 50 образованные мембранами и крышками полости, расположенные диаметрально противоположно относительно инерционного элемента, соединены между собой дросселирующими каналами 22 с регулировочными винтами 23, Под крышками 18 - 21 расположены кольца 24-27 с наружной стороны которых выполнены кольцевые проточки 28 - 31 и сквозные отверстия 32-35. Образованные полости и соединяющие их каналы 22 могут быть заполнены жидкостью, например, силиконовым маслом;Мембраны 7, 8, 13, 14 могут быть выполнены с утолщениями в зоне контакта, Электромеханические преобразователи 15, 16, 17 электрически соединены между собой параллельно с возможностью изменения параметров снимаемого сигнала пропорционально квадрату перемещения упругих элементов. В случае применения обычных тензорезисторов параллельно соединяются электромеханические преобразователи,расположенные на мембранах, размещенных диаметрально противоположно относительно инерционного элемента 2, В случае применения мембранных тензодатчиков, параллельно соединяются тензорезисторы, изменяющие тангенциальную и радиальную составляющие, расположенные на одной мембране, или попарно тензорезисторы, изглеряющие тангенциальную и (или) радиальную сосэ являющие; размещенные на расположенных диаметральна противоположных инерционному элементу 2 мембранах. Причем жесткость мембран определяется равенством резонансных частот колебаний инерционного элемента 1 и биообъекта в направлении,перпендикулярном плоскости каждой пары мембран одного из каждых трех ортогональных направлений.Для определения суммарной дозы пространственной вибрации параллельно соединенные между собой тензорезисторы, каждого из ортогональных направлений соединяют последовательно. Демпфирование; определяемое сечением каналов в самом узком месте, выбирается соответствующим демпфированию колебаний биообьектом в каждом из соответствующих ортогональных направлений,Электромеханические преобразователи (фиг. 5) могут быть выполнены емкостными, в этом случае корпус 1 и крышки 15-20 выполнены из диэлектрического материала. В крышках 18-20 установлены металлические электродьг 36, 37. Инерционный элемент 2 может быть электрически изолирован от металлических глембран 7, 8, 13, 14. Наиболее перспективно использование предложенного технического решения в вибродозиметрах и это позволяет создать дешевые и портативные индивидуальные вибродозиметры, Однокомпонентный вибродозиметр с использованием вибропреобразователя, представленного на фиг. 1,может быть выполнен в виде подключенного к источнику питания (на фиг, 6 не показан) делителя напряжения, состоящего из последовательно соединенного резистора 38 и параллельно соединенных между собой тензорезисторов 4, 5, точка соединения которых через усилитель 39 или непосредственно соединена с затвором полевого транзистора 40, сток и исток которого через резистор 41 или непосредственно соединен с предварительно заряженным до фиксированного напряжения конденсатором 42, В случае использования трсхкомпонентного вибропреобразователя (фиг. 3) возможно как раздельное измерение дозы вибрации по каждой из трех ортогональных составля-, ющих, осуществляемое с использованием трех схем, приведенных на фиг. 5, подключенных к общему источнику питания, либо определение общей дозы вибрации, воздействующей на человека, с использованием . последовательно соединенных трех пар параллельно соединенных тензорезисторов каждого из.ортогональных направлений, включенных в делитель вместо тензорезисторов 4, 5 (на фиг, 5 не показано),В качестве конденсатора большой емкости при проведении измерений дозы вибрации в течение длительного времени целесообразно использовать ионикс.Другим вариантом выполнения дозиметра является схема на фиг, 7. Параллельно соединенные между собой тензорезисторы 4, 5 в случае использования. однокомпонентного вибропреобразователя (рис. 1) или тензорезисторы, измеряющие тангенциальную и радиальную состав; яющие,расположенные на одной мембране трехкомпонентного вибропреобразователя (фиг, 3), соединенные параллельно в случае необходимости раздельного измерения дозы вибрации в каждом из ортогональных направлений, включаются в мостовую схему, состоящую из резисторов 43, 44, 45, в одну из диагоналей которого включен источ-никпитания; например батарея или аккумулятор, а в другую - через сопротивление 46 или непосредственно - светодиод 47 или другой преобразователь тока в излучение, расположенный у фотоматериала, напри-, мер фотопластины или фотопленки 48, параллельно источнику питания может быть включен светодиод 49, последовательно соЯ 4 Я 5 Я ЬЯ 2 Я +Я 5 2 2 Я 0 50 55 единенный с сопротивлением 50, расположенный у той же фотопластинки или фотопленки и оптически изолированный от светодиода 47.Длл повышения чувствительности вместо резистора 44 могут быть включены параллельно соединенные между собой тензорезисторы, измеряющие тангенциальную и радиальную составляющие, расположенные диаметрально противоположно первой мембране (фиг, 8), Для одновременного измерения дозы вибрации по всем трем из составляющих к источнику питания могут быть подключены три такие схемы, подключенные к каждой паре ортогонально расположенных мембран (на фиг, 8 не показано),Для повышения точности работы дозиметра целесообразно между источником питания и диагональю моста установить стабилизатор напряжения. Длл повышения чувствительности устройства в диагональ моста может быть включен операционный усилитель 51 к выходу которого подсоединены сопротивление 46 со светодиодом 47, расположенным у фотопластины или фотопленки 48 (фиг, 8),Для измерения суммарной дозы воздействующей на человека последовательно соединяются все три параллельно соединенные тангенциальные и радиальные составляющие мембранных тензодатчиков, установленных в ортогональных направлениях (фиг, 9). Длл повышения чувствительности вместо резистора 44 включены последовательно соединенные три пары тангенциальных и радиальных тензодатчиков,расположенных на мембранах, установленных диаметрально противоположно основным, Для непосредственной индикации дозы вместо светодиода 47 с сопротивлением 46 может быть включен счетчик электроэнергии, выполненный, например, на основе ртутно-капиллярного кулометра,подключая к нему световой или звуковой сигнализатор,можно обеспечить сигнализацию достижения предельно допустимой дозы вибрации.Описанные выше дозиметры являются простыми, дешевыми и низкоточными приборами.На фиг, 10 приведена схема высокоточного дозиметра, построенного с использованием предложенного виброп реобразователя. Дозиметр содержит последовательно соединенные опорный генератор 52, смеси- тель 53, фильтр 54 верхних частот, формирователь 55, делитель 56, счетчик 57 с дешифрато ром 58 и индикатор 59. Ко второ 5 10 15 20 25 30 35 40 му входу смесителя 53 подключен ЯС-аввтогенератор 60, управляющая цепочка, которого содержит резистор 61 и конденсатор 62. Резисторы или конденсатор 62 выполнены в виде параллельно соединенных тензорезисторов (фиг, 3) или конденсаторов (фиг, 6), Для измерения суммарной дозы вибрации резистор 61 или конденсатор 62 выполняютсл в виде трех последовательно соединенных пар тензорезисторов или конденсаторов.Заявленный вибропреобразователь работает следующим образом.При колебаниях корпуса 1 вибропреобразователя будет происходить перемещение инерционного элемента 2 за счет деформации упругого элемента 3, при этом в случае наличил на упругом элементе 3, выполненном в виде балочки, работающей на изгиб (фиг. 1), тензорезисторов 4, 5, расположенных по разные стороны балочки, приращения деформации каждого из них имеют разные знаки и их сопротивление изменится и будет Я = Яо+ ЛЯ и Я 5 = Яо - -ЛР, где Я 4 и Я 5 - сопротивления верхнего и нижнего тензарезисторов, а ЛЯ их изменение в процессе колебаний при деформации балочки в одну сторону.Параллельное соединение этих сопротивлений Яобщ равно В результате общее изменение сопротивления пропорционально квадрату деформации упругого элемента, т,е, другими словами сигнал на выходе вибропреобразователя будет пропорционален квадрату смещения инерционного элемента 2.Если жесткость упругого элемента 3 будет равна 1 гп, где 1 - собственная частота2колебаний биообъекта, гп - масса инерционного элемента, а демпфирование в системе выбрано равным демпфированию, присущему биообаекту, то амплитуда колебаний инерционного элемента 2, а следовательно и электрический сигнал на входе преобразователя будет пропорционален колебаниям биообьекта,При использовании цилиндрического инерционного элемента 2 (фиг, 2), взаимодействующего с корпусом 1 посредством упругого элемента, в виде двух мембран 7, 8, демпфирование осуществляется за счет движения жидкости 6 или воздуха в зазоре между корпусом 1 и инерционным элементом 2 или через специальный канал (на фиг, 2 не показан), соединяющий полости образованные крышками 9, 10 и мембранами 7, 8. Электромеханические преобразователи могут быть выполнены емкостными и образованы мембранами 7, 8 и электропроводящими электродами 11, 12. При этом мембраны 7, 8 соединены между собой и электроды 11, 12 соединены между собой образуют два параллельно соединенных конденсатора, изменение емкости которого обратно пропорционально квадрату перемещения инерционного элемента 2. Это позволит при применении предложенного вибропреобразователя в дозиметрах избавиться от блоков частотного взвешивания и возведения в квадрат, что повысит точность их работы, При измерении пространствен.ных колебаний воздействующих на биообьект может быть применен трехкомпонентный вибропреобразователь (фиг. 3-5).При колебаниях корпуса 1 вибропреобразователя инерционный элемент 2 будет воздействовать на каждую пару параллель, ных мембран 7, О, 13, 14 с силамй пропорциональными составляющими ускорения корпуса 1, вызывая их деформацию пропорциональную составляющим ускорения.Смещение инерционного элемента 2 в каждом иэ ортогональных направлений будет определяться жесткостью пар упругих элементов 7, 8, 13, 14. Собственная частота колебаний в каждом из направлений ложет быть одинаковой в случае измерения вибраций,взаимодействующих на руки,или различной для измерения вибрации, воздействующей на тело человека. В последнем случае жесткость мембран 7, 8, расположенных горизонтально, должна быть выше чем жесткость остальных четырех мембран 13, 14 и определяется с таким расчетом, чтобы собственная частота колебаний биообъекта в каждом из направлений совпадала с собственной частотой колебаний инерционного элемента 2 в данном направлении, а демпфирование в каждом из направлений может быть установлено равным или различным в соответствии с необходимым спадом амплитудно-частотной характеристики, присущей биообъекту эа счет регулировочных винтов 23. В результате этого сигнал, вырабатываемый каждой па-.рой злектромеханических преобразователей (как это показано выше), будет пропорционален колебаниям биообъекта, т.е. другими словами его чувствительности к вибрации.Параллельно соединенные между собой электромеханические преобразователи каждого из ортогональных направлений могут быть соединены последовательно. В этом случае суммарное изменение сопротивления будет пропорционально чувствительности биообъекта к квадрату мгновенного значения вектора виброускорения, воздействующего на него.5 В случае использования электромеханических преобразователей емкостного тии па (фиг. 5) изменение емкости каждого издиаметрально противоположных преобразователей в зависимости от перемещения 10 инерционной массы будет определяться выражением; ЕЯ,С 1 =-, - + -, С, =,15где Лх - изменение расстояния между обкладками конденсатора,д - расстояние между обкладками,Я - площадь электродов,20 я - диэлектрическая постоянная воздуха или жидкости между электродами, а суммарное изменечие емкости параллельносоединенных конденсаторов, образованных мембранами и электропроводными25 электродами: 30Вибродозиметр по схеме на фиг. 6 работает следующим образом.При отсутствии вибрации или вибрацииниже порога чувствительности к ней человека потенциал, снимаемый с точки соединения тензорезисторов 4, 5 и резистора 39 ниже порога открывания полевого транзистора 40 и предварительно заряженный.конденсатор 42 (или Ионикс) сохраняет свой заряд. При превышении вибрацией заданного порога, полевой транзистор 40 уменьшает свое сопротивление пропорционально квадрату смещения инерционного элемента 2, колебания которого пропорциональны колебаниям биообъекта (в данном случае человека), Поэтому разряд конденсатора 42 (или Ионикса) через резистор 41 и сопротивление канала полевого транзистора 40 будет пропорционален квадрату мгновенного значения, частотно-взвешенного в соответствии с чувствительностью человека к вибрации, то есть разряд конденсатора .42, пропорционален дозе вибрации. Измеряя с помощью вольтметра с высоким входным сопротивлением потенциал на конденсаторе 42 после окончания работы, по разнрсти между величиной напряжения предварительно заряженного конденсатора и остаточным зарядом определяем дозу вибрации. Перед повторным измерением5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 необходимо вновь зарядить конденсатор до заданного фиксированного напряжения.Аналогично схема работает и в случае измерения вибрации трехкомпонентным вибропреобразавателем.Вибродозиметр, выполненный по схеме на фиг. 7, работает следующим образом.При возведении на вибропреобраэователь вибрации, происходит разбаланс моста, образованного тензорезисторами 4, 5 и резисторами 43, 44, 45 и запитанного в одной диагонали от источника питания,При этом в другой диагонали моста появляется напряжение, пропорциональное квадрату мгновенного значения частотно- взвешенного в соответствиис чувствительностью человека к вибрации, которое через Операционный усилитель 51 (фиг, 8) или непосредственно (фиг, 7) подается на светодиод 47, расположенный у фотопластинки или фотопленки 48. Яркость свечения светодиода пропорциональна напряжению в диагонали моста, а засвечивание фотопленки или фотопластинки - интегралу яркости свечения,После проявления фотоматериала с помощью денситометра определяется его оптическая плотность, которая пропорциональна дозе вибрации, и в дозиметр закладывается,свежая пленка, Для устранения влияния нестабильности источника питания на результат измерения целесообразно и роизводить засвечивание другого куска фотоматериала светодиодом 49, интенсивность свечения которого пропорциональна напряжению источника питания; По отношению этих величин доза вибрации находится точнее.При измерении суммарной дозы пространственной вибрации (фиг. 9) схема работает аналогично описанной выше фиг, 8). Отличие заключается в том, что почернение фотоматериала пропорционально интегралу от суммы квадратов смещения инерционного элемента 2 в каждом из трех ортогональнцх направлений.При включении вместо светодиода 47 и сопротивления 46 счетчика электроэнергии . возможно непосредственное наблюдение величины дозы вибрации на его шкале и сигнализации достижения дозой вибрации предельного значения.Высокоточный цифровой дозиметр (фиг, 10) работает следующим образом.Параллельно соединенные тензорезисторц (фиг. 1) или емкости (фиг, 2) в случае раздельного измерения дозы по каждому из ортогональных направлений, или последовательно соединенные пары параллельно соединенных тензорезисторов (фиг, 3) иликонденсаторов (фиг, 5), в случае измерения суммарной дозы вибрации, включены в автогенератор 60, Частота генератора пропорциоВо ЛВ нальна --- в случае раздельного2 2 йо измерения дозы по каждому из ортогональных3 Лйх+ ЬВ+ ЛБ, направлений илиРо -о при измерении суммарной дозы, На смеси- тель с генератора 52 поступает частота, проВо 3 йо парциональная - в первом случае, и2 2 во втором. Фильтр 54 верхних частот не пропускает сигналы с частотой выше частого 3 Йо ты, пропорциональной - или , В ре 2 2 зультате на выходе фильтра 54 присутствуют частоты, пропорциональные квадрату приращения сопротивления или емкости или сумма квадратов приращения сопротивления или емкости по трем ортогональным направлениям, Сигнал поступает на формирователь 55, где из него формируются прямоугольные импульсы, количество которых после деления на заданное число в делителе 56 подсчитывается счетчиком 57 с демпфратором 58Это количество импульсов, пропорциональное дозе вибрации отражается на индикаторе 59.Использование заявленного вибропреобразователя позволяет повысить точность измерения вибрации, воздействующей на биообъекты, за счет обеспечения пропорциональности зависимости снимаемого с него сигнала от чувствительности биообъекта. Кроме того применение указанного преобразователя в вибродоэиметрах .позволяет упростить их конструкцию за счет исключения блоков частотного взвешивания, квадратов и сумматоров, Это достигается за счет того, что частотное взвешивание осуществляется в самом вибропреобраэователе, за счет выбора собственной частоты колебаний инерционного элемента и демпфирования соответствующих колебаниям биообъекта, параллельного соединения электромеханических преобразователей, за счет чего осуществляется возведение их приращений в квадрат и последовательного соединения, за счет чего осуществляется суммирование пространственных составляющих, Формула изобретения 1, Трехкомпонентный вибропреобразователь по авт. св, М. 881536, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности вибродоэиметрического контроля путем получения выходного сигнала, пропорционального квадрату перемещенил инерционного элемента, электромеханические преобразователи, размещенные на соответствующих координатных ослх, соединены попарно параллельно,2. Вибропреобразователь по и, 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что пары электромеханических преобразователей, размещенных на трех координатных осях, соединены меж ду собой последовательно,