Доктор Олаф Киссинг, менеджер по продукции для промышленных датчиков Temposonics, объясняет важность испытаний на ударопрочность и вибростойкость для датчиков положения, используемых в промышленности.
Датчики в промышленных условиях обычно подвергаются ударным и вибрационным нагрузкам. Чтобы датчики выдерживали такие нагрузки без повреждений, проводятся ударные и вибрационные испытания, а в технических характеристиках указываются такие значения, как 150 г/11 мс и 30 г/10...2000 Гц. Чтобы объяснить эти значения, мы сначала проясним следующий вопрос:
Что такое шок?
Удар – это однократная кратковременная высокая ударная нагрузка. Такая нагрузка возникает, например, когда упавший со стола предмет ударяется об пол. Чем жестче объект и пол, тем сильнее удар, приложенный к объекту. Если предмет падает с высоты 75 см на ковер и замедляется в пределах 5 мм из-за ковра, нагрузка на предмет составляет 150 г. Нагрузка от удара кратна ускорению свободного падения g (g = 9,81 м/с²). Автомобиль, врезавшийся на скорости 137 км/ч в жесткую стену и зона деформации которого сжата на 50 см, также получит нагрузку 150 г. Человек не может выдержать нагрузку в 150 г невредимым. Для человеческого организма нагрузки в 15...20 г представляются безвредными (это относится к случаю, когда ускорение действует перпендикулярно оси тела).
Что такое шок-тест?
При ударных испытаниях образец подвергается определенному удару и проверяется, выдерживает ли образец этот удар без повреждений. В таком тесте используются разные типы ударов, которые различаются по форме, такие как полусинусоидальные, пилообразные и трапециевидные. Наиболее часто используемым типом удара является полусинусоидальный удар. Этот тип удара имитирует удар, возникающий при ускорении и торможении вибрирующих частей. В дополнение к ускорению при ударном испытании также указывается продолжительность импульса удара. На рис. 1 показаны два полусинусоидальных удара с одинаковым ускорением и разной длительностью импульса.
Такой датчик, как R-Series V, может без повреждений выдерживать ударную нагрузку с ускорением 150 g при длительности импульса 11 мс (красная сплошная кривая на рис. 1). Датчики также часто тестируют ударом 150 г/6 мс (синяя пунктирная кривая на рис. 1). Разница между этими двумя полусинусоидальными скачками становится ясной при взгляде на область под кривыми. Эта область представляет собой скорость в конце импульса ускорения (интегрирование ускорения дает скорость). Площадь под красной кривой больше в 11 мс / 6 мс = 1,83 по сравнению с площадью под синей кривой. При сравнении двух полусинусоидальных ударов по кинетической энергии энергия красной кривой выше, чем энергия синей кривой, в (11 мс/6 мс)2 = 1832 = 3,36, поскольку скорость входит в квадратичное в энергетическом рассмотрении (Энергия E = 0,5m*v2 при массе m и скорости v).
Что такое вибрация?
Вибрация, такая как тряска дерева для сбора плодов, является колебанием. Как показано на рис. 2, колебание описывается его амплитудой, а также частотой. В промышленных условиях вибрации возникают, например, на машинах с вращающимися элементами или на конвейерных лентах. Эти вибрации передаются компонентам, установленным на машине. При вибрации амплитуда нагрузки определяется как ускорение, а ускорение определяется как кратное ускорению силы тяжести g, как в случае удара.
Что такое испытание на вибрацию?
При вибрационных испытаниях к испытуемому образцу прикладывается заданное ускорение в диапазоне частот. Ускорение ниже, чем при ударном испытании, и составляет, например, 30 g. При нагрузке 30 г предмет падает с высоты 15 см на ковер, в результате чего падает 5 мм. Или машина на скорости 62 км/ч врезается в жесткую стену, из-за чего зона деформации сжимается на 50 см. Это ускорение прикладывается к испытуемому образцу на частотах, например, 10...2000 Гц. Этот частотный диапазон примерно сравним с диапазоном фортепиано от самой низкой до самой высокой ноты (частотный диапазон фортепиано с 88 клавишами составляет примерно 27…4000 Гц).
Для чего проводятся такие испытания?
Удары и вибрации возникают в промышленных условиях, будь то во время транспортировки или при использовании в машине. Однако эти нагрузки не должны повредить датчики — так же, как при тряске дерева, падают только плоды, а не ветки. Испытания на удар и вибрацию имитируют эти нагрузки в промышленных условиях, чтобы можно было заранее выявить и устранить слабые места. Датчики, такие как R-Series V, тестируются на удары и вибрацию в рамках процесса разработки, чтобы гарантировать, что датчики будут работать должным образом при использовании в таких условиях.
Если в точке использования известны удары и вибрация, можно выбрать датчики, отвечающие этим требованиям. Если используются датчики, обладающие высокой ударо- и виброустойчивостью, меры по демпфированию можно свести к минимуму или полностью исключить. Даже в случае непредвиденных ударных и вибрационных нагрузок датчик, такой как R-Series V, обеспечивает уверенность, поскольку датчик может выдерживать нагрузки даже в таких случаях благодаря своей устойчивости к ударам и вибрации.