Виброчастотные датчики. Теория и практика

Эткин
Леонид Гдальевич
(1929 — 1996)

Ìîñêâà

Èçäàòåëüñòâî ÌÃÒÓ èìåíè Í.Ý.  Áàóìàíà

2004

Ë.Ã. Ýòêèí

Âèáðî÷àñòîòíûå

äàò÷èêè

Òåîðèÿ è ïðàêòèêà

УДК 531
ББК 30.10
Э89

Рецензенты:
канд. техн. наук Б.К. Сакварелидзе (главный метролог НИИ прикладной механики им. академика В.И. Кузнецова);
д-р техн. наук, проф. В.А. Матвеев (руководитель Научно-учебного
комплекса информатики и систем управления МГТУ им. Н.Э. Баумана);
д-р техн. наук, проф. О.С. Нарайкин (зав. кафедрой «Прикладная
механика» МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Эткин Л.Г.
Э89
Виброчастотные датчики. Теория и практика. – М.: Изд-во
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 408 с.: ил.
ISBN 5-7038-2329-3

Монография является первой изданной в России книгой, в которой приведен опыт разработки виброчастотных датчиков с механическими
резонаторами за последние 40 лет. В ней отражена история развития виброчастотного метода измерений, представлены области применения виброчастотных датчиков. Основное внимание уделено анализу динамики автогенераторной системы виброчастотных датчиков, имеющих нелинейную
природу. Подробно изложены метрологические аспекты виброчастотных
датчиков и методические вопросы учета и компенсации погрешностей датчиков от стадии проектирования и процесса их изготовления до аттестации
готовых изделий, а также условий эксплуатации.
В книгу вошло множество оригинальных сведений, полученных при
разработке и исследовании виброчастотных датчиков и до настоящего времени не опубликованных.
Для широкого круга специалистов, интересующихся измерительной
техникой и метрологией, техническими приложениями теории колебаний,
а также для студентов, аспирантов технических вузов и научных работников.

УДК 531
ББК 30.10

c° Л.Г. Эткин, 2004
ISBN 5-7038-2329-3
c° Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004

К 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана
и 125-летию кафедры «Прикладная
механика»

ПРЕДИСЛОВИЕ

Вторая половина 20-го столетия ознаменовалась бурным развитием науки и техники, в частности технических приложений
теории колебаний. Одним из новых научных направлений, созданных и развитых в России выпускником МВТУ им. Н.Э. Баумана
доктором технических наук, профессором Леонидом Гдальевичем
Эткиным, является виброчастотный метод измерения механических величин.
Окончив МВТУ в 1953 г., Л.Г. Эткин начал работать в промышленности в Научно-исследовательском и конструкторском институте испытательных машин, приборов и средств измерения массы
(НИКИМП), а с 1969 г. — в Научно-исследовательском институте
прикладной механики (НИИПМ) им. академика В.И. Кузнецова.
На протяжении более сорока лет благодаря усилиям, творчеству и
энергии Л.Г. Эткина было разработано множество измерительных
преобразователей, использующих виброчастотный метод. Важной
особенностью новых предложенных измерительных устройств
является то, что упругий и чувствительный элементы датчиков изготавливались как единое целое, из одной заготовки, обладающей
однородными физико-механическими характеристиками, распределенными по всему объему металла. Создание новых устройств
потребовало привлечения большого числа специалистов из разных

5

областей науки и техники. Леонид Гдальевич обладал способностью объединять усилия многих людей для достижения поставленной цели.
Многогранность творчества Л.Г. Эткина проявлялась на протяжении всей его научной деятельности. Он был участником создания в МВТУ им. Н.Э. Баумана первой в России машины резонансного типа для испытаний материалов на усталость. Эткиным Л.Г.
в НИИПМе была создана экспериментально-исследовательская
база, которая в 1970—80-х годах являлась лучшей среди всех приборостроительных фирм СССР и находилась на уровне (а по некоторым параметрам даже выше) аналогичных баз ведущих фирм
Запада. Под его руководством в НИИПМе были разработаны уникальные виброизолированные фундаменты для проведения высокоточных измерений. Работа над измерительными устройствами в области навигационной гироскопии позволила ему создать
транспортные промышленные роботы с оригинальной автономной
системой управления. Эткиным и его коллегами в НИИПМе были выполнены не имеющие аналогов исследования по конструкционной стабильности прецизионных приборов, в рамках которых широко использовался и виброчастотный метод измерения.
За многочисленные изобретения в различных областях науки и
техники, большинство из которых нашли реальное применение,
Л.Г. Эткин был удостоен почетного звания «Заслуженный изобретатель РСФСР».
Монография отражает целую эпоху развития измерительной
техники в России и за рубежом. Разработка измерительных устройств на основе виброчастотного метода была обусловлена потребностью новых отраслей промышленности в проведении высокоточных, надежных и длительных измерений механических
величин в трудных условиях, со значительными динамическими
перегрузками в различных средах (агрессивные среды, взрывоопасные) и т. п. Для решения таких задач виброчастотный метод
измерения подходил наилучшим образом. Универсальность этого
метода измерения позволяла создать широкую номенклатуру измерительных устройств от датчиков общего назначения до образцовых динамометров первого разряда.

6

В книге приводится большое количество фотографий и расчетных схем реальных виброчастотных датчиков.
Монография состоит из десяти глав. В первой представлены
история создания и основные примеры областей применения датчиков на основе частотного метода измерения. Вторая глава посвящена построению расчетных моделей и математических зависимостей, позволяющих понять принцип работы виброчастотных
датчиков при проведении измерений. В третьей рассмотрена работа виброчастотного датчика как автономной нелинейной динамической системы. Эта глава — основная в методическом смысле,
в ней поясняется сущность физических процессов, являющихся
базой виброчастотного метода измерений. Особое значение имеет
четвертая глава, где рассматривается теория погрешностей, имеющая специфические особенности для виброчастотных датчиков.
Пятая, шестая и седьмая главы содержат большой фактический
материал, представляющий широкий спектр различных областей
промышленности, где использование виброчастотных датчиков
является единственно возможным или их применение дает значительные преимущества. В восьмой и девятой главах показаны
особенности технологии изготовления и эксплуатации виброчастотных датчиков. В них содержится специфическая информация,
которая обычно хранится внутри научных лабораторий, передается «из уст в уста» и не публикуется в силу особого трудно формализуемого характера знаний, умений, приемов, используемых
для достижения практических результатов. В последней, десятой
главе в сжатой форме дана информация о том, каким образом на
практике обеспечивается требуемая точность и повторяемость результатов измерений. Прилагаемый список литературы отражает
практически весь спектр публикаций по данному научному направлению, в нем также приведены основные труды Л.Г. Эткина и его
сотрудников, хотя многое из его наследия остается «за кадром» в
научно-технических отчетах.
Книга является единственной в своем роде и позволяет читателю представить все особенности теории и практического использования виброчастотных датчиков. Она адресована прежде всего

7

инженерам-разработчикам измерительной техники, а также представляет интерес для студентов, аспирантов и преподавателей высшей школы, интересующихся приложениями теории колебаний.
При подготовке текста монографии использовались работы
Л.Г. Эткина, выполненные совместно с его многочисленными учениками,
в
частности
с
М.Ф.
Беляевым,
Д.Д.
Доржиевым,
Ю.С. Плискиным, Г.А. Синельниковым-Мурылевым, Д.В. Раммом, В.М. Разумихиным, В.Н. Удалой, А.А. Хризолитовым,
В.Я. Яновским, В.С. Кацем, В.Р. Санто и другими.
Переработка имеющихся материалов в виде статей, отчетов,
диссертаций, защищенных под руководством Л.Г. Эткина, с учетом накопившегося опыта в данной области и оформление рукописи для издания выполнены д-ром техн. наук, проф. МГТУ
им. Н.Э. Баумана А.М. Гуськовым, ст. науч. сотр. НИКИМПа
В.С. Кацем, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. Института машиноведения РАН им. А.А. Благонравова Д.Л. Эткиным. Техническая
подготовка текста проведена канд. техн. наук Ю.В. Григорьевым.
Особую благодарность выражаем В.Я. Яновскому за предоставленные материалы, которые были использованы при написании
книги, и канд. техн. наук Б.К. Сакварелидзе за ценные замечания,
высказанные по прочтению рукописи.

А.М. Гуськов, В.С. Кац, Д.Л. Эткин
Москва, 2004 г.

Г л а в а 1

ДАТЧИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ

В процессе развития и модернизации современной техники
и технологий непрерывно возрастает число и разнообразие измеряемых параметров. От точности и надежности поступающих с информационных систем данных зависит качество и безопасность производственных процессов, энергетических установок, транспортных средств и т. д. В последнее время активное использование цифровых вычислительных машин в информационноизмерительных системах и комплексах повысило интерес к датчикам механических величин с частотным выходным сигналом,
что обусловлено преимуществами, которыми обладает частотный сигнал при передаче по каналам телеметрии и преобразовании
в информацию об измеряемом параметре.

1.1. Частотный метод преобразования сигнала
в измерительных устройствах

Измерение механических величин осуществляют, как правило,
датчиками различных типов, которые преобразуют механические
величины в электрический выходной сигнал. Сoотношения между
выходным и входным сигналами определяются однозначно, с известной степенью точности, при определенных параметрах окружающей среды, условиях и методах проведения измерений.

9

Классификация датчиков и их сравнительная оценка представляют значительные трудности. Описанию различных датчиков и
методам их расчета посвящено большое количество работ. Однако
до настоящего времени нет единой классификации датчиков и единого критерия для их оценки. Это объясняется тем, что есть множество признаков, по которым можно классифицировать датчики [1]:
физические явления, лежащие в основе преобразования измеряемой величины в выходной параметр (таких явлений в настоящее
время насчитывается около двадцати пяти); вид выходного сигнала (аналоговый, дискретный); потребление энергии (в генераторных датчиках выходной сигнал образуется в результате изменения
измеряемой величины на входе датчика без дополнительного притока энергии от постороннего источника, а в параметрических датчиках изменение измеряемой величины на входе датчика приводит
к изменению той или иной величины на входе без генерирования
сигнала); конструктивное оформление и т. д.
Основной характеристикой измерительной аппаратуры является точность измерения, которая определяется точностью преобразования измеряемой величины в выходной электрический
сигнал, каналами связи и согласующими устройствами, а также
регистрирующей аппаратурой. Если в случае измерения статических величин точность измерительной аппаратуры определяется
относительно просто — путем сравнения с эталонными величинами, то в случае измерения меняющихся во времени величин задача
существенно усложняется, так как в настоящее время нет эталонов
динамической силы, давления и т. п. Оценка точности измерительной аппаратуры проводится косвенными методами [2]. В ряде
работ предлагается оценивать измерительные системы методами
теории информации или теории случайных процессов [3 – 6].
Рассмотрим некоторые типы датчиков, используемых в измерительной технике. Одним из основных параметров, характеризующих датчик, является вид выходного сигнала. Выходной сигнал
датчика, как и любой электрический сигнал, характеризуется тремя основными параметрами: амплитудой A, частотой изменения ω
и фазой ϕ. В различных датчиках измеряемая величина, поступая на вход датчика, меняет один из указанных параметров. При

10

этом воздействие измеряемой величины на остальные два параметра нежелательно, так как это затрудняет измерения. Поэтому
при разработке датчиков влияние этого воздействия стремятся свести к минимуму. Различают амплитудные, частотные и фазные
измерительные системы. Наибольшее распространение получили
частотные и амплитудные измерительные системы. Фазные системы являются, в некотором смысле, промежуточными системами,
так как в них величина фазы измеряется обычно частотным методом. Они нашли ограниченное применение в измерительной технике. Известны измерители крутящего момента на вращающихся
валах, основанные на фазном методе измерения [7]. Данный метод измерения использован также в некоторых типах расходомеров, предназначенных для измерения расхода жидкости или газа в
трубопроводах [8].
Наибольшее распространение в технике получили датчики с
амплитудным выходным сигналом. Объясняется это во многом
историческими причинами, так как аппаратура для измерения амплитуды электрических сигналов различного рода (стрелочные
приборы, автоматические мосты, потенциометры, осциллографы
и т. п.) известна давно и выпускается промышленностью. Датчики
с амплитудным выходным сигналом, как правило, просты по своей
конструкции.
В датчиках с амплитудным выходным сигналом измеряемый
параметр однозначно определяется амплитудой электрического
сигнала. В испытательной технике при работе с датчиками, имеющими амплитудный выходной сигнал, используется, как правило,
регистрирующая аппаратура, работающая по методу отклонения с
использованием электронно-лучевых и светолучевых осциллографов или механических самописцев. Так как большинство датчиков
с амплитудным выходным сигналом характеризуется малым уровнем выходного сигнала, его приходится предварительно усиливать.
Колебания коэффициента усиления усилителей и изменение
параметров линии связи приводят к дополнительным погрешностям измерения. Поэтому к измерительным трактам предъявляют
повышенные требования по стабильности их элементов и малому
влиянию на них внешних дестабилизирующих факторов.

11