Разбиране на пиезоелектричните акселерометри
A пиезоелектричен акселерометър е вибрация датчик, който използва пиезоелектричния ефект — свойството, при което определени кристали генерират електрически заряд под механично натоварване — за преобразуване на механична ускорение в електрически сигнал, пропорционален на амплитудата на вибрацията. Когато сензорът се ускорява, вътрешна сеизмична маса компресира или срязва пиезоелектричен елемент, а получаващият се заряд или напрежение се обработва и извежда като измервателен сигнал. Благодарение на широкия честотен диапазон (приблизително от 0,5 Hz до над 50 kHz), висока чувствителност, издръжливост и самогенериращ се сензорен елемент, който не се нуждае от външно захранване, пиезоелектричният акселерометър е най-широко използваният сензор за вибрации в промишлеността и основата на съвременната анализ на вибрациите и мониторинг на състоянието.
1. Пиезоелектричният ефект
Физически принцип
- Някои кристали (кварц, турмалин) и керамика (PZT, бариев титанат) са пиезоелектрични
- Механичното напрежение генерира електрически заряд по повърхностите на кристала’.
- Зарядът е пропорционален на приложената сила.
- Ефектът е обратим — прилагането на напрежение предизвиква деформация на елемента.
- Той е самогенериращ се, поради което не е необходимо захранване за генериране на самия заряд.
Вътре в акселерометъра
Веригата от движение до сигнал е кратка и пряка:
- Вибрацията ускорява основата и корпуса на сензора.
- Вътрешната сеизмична маса изпитва сила F = m × a.
- Тази сила натоварва пиезоелектричния кристал.
- Кристалът генерира заряд, пропорционален на силата, и следователно — на ускорението.
- Зарядът се събира на електродите и се преобразува в измерим сигнал.
Тъй като изходният сигнал проследява ускорението, същият сигнал може да бъде електронно интегриран до скорост за анализ на повреди в средния честотен диапазон или да се използва директно за работа в високочестотния диапазон.
2. Видове по вътрешна конструкция
Начинът, по който кристалът се натоварва от сеизмичната маса, определя характера на сензора’.
- Компресионен тип: най-разпространената конструкция, при която кристалът е компресиран между масата и основата. Издръжлива, с широк температурен диапазон, тя е подходяща за тежки условия на работа — но може да бъде по-чувствителна към деформации на основата и температурни преходни процеси.
- Shear type: кристалът се срязва от движението на масата’. Тази геометрия осигурява отлична изолация от деформации на основата, по-добра нискочестотна характеристика и ниска чувствителност към температурни преходни процеси, поради което акселерометър за срязване е предпочитаният избор за взискателни измервания.
- Флексурален (огъващ) тип: кристалът работи на огъване, което осигурява много висока чувствителност, но е по-малко здрав и по-рядко се използва в промишлеността.
3. Видове по електроника
Втората класификация се отнася до това дали електрониката за обработка на сигнала се намира вътре в сензора или извън него.
- Заряден режим: изходният сигнал е необработен заряд в пикокулони, което изисква външен усилвател на заряда. Изходът с висок импеданс е чувствителен към движение на кабела и трибоелектрически шум, но без вградена електроника тези сензори издържат на екстремни температури (до около 650 °C), което ги прави незаменими за специализирани приложения с висока температура.
- IEPE / ICP (волтажен режим): вградената електроника преобразува заряда в напрежение с нисък импеданс. The IEPE интерфейс — описван също като акселерометър в режим на напрежение — е индустриалният стандарт, предлагащ просто двужично свързване и отлична защита от смущения. Обслужва над 95 % от промишлените приложения.
4. Експлоатационни спецификации
Чувствителност
Чувствителност е изходът на единица ускорение — обикновено 10–100 mV/g за IEPE сензори или 1–100 pC/g при заряден режим. По-висока чувствителност осигурява по-добра разделителна способност, но по-малък максимален обхват, затова стойността се избира в съответствие с очакваните нива на вибрации; the калкулатор за чувствителността на вибрационния сензор помага за преобразуване между изходното напрежение и съответното ускорение.
Честотен диапазон
- Ниска честота: долна граница от около 0,5–5 Hz, определена от електрониката.
- Висока честота: горна граница от 5–50 kHz, определена от монтираната резонанс.
- Usable range: за точност на амплитудата в рамките на няколко процента, до около една пета (20%) от монтирания резонанс честота, съгласно ISO 5348; една трета от резонанса е само груба граница за скрининг, като отчетената амплитуда вече е с около 10–12% по-висока.
- Влияние на начина на монтаж: начинът на монтаж силно ограничава постижимия отговор при високи честоти.
Амплитуден обхват и динамичен диапазон
- Универсални: ±50 g до ±500 g.
- Висока чувствителност: ±5 g до ±50 g.
- Ударни сензори: ±500 g до ±10 000 g.
Сигналът никога не трябва да надвишава обхвата на сензора, иначе ще се изкриви и може да повреди елемента; широк динамичен обхват позволява на един сензор да улавя едновременно слабите тонове на лагерите и силните вибрации на работната честота в едно и също измерване.
5. Критерии за избор
Съобразяването на сензора с конкретната задача е в основата на добрата измервателна конфигурация.
- Общо наблюдение на машини: IEPE акселерометър с чувствителност 100 mV/g, обхват ±50 g, честотна характеристика 1 Hz–10 kHz, промишлен температурен диапазон (−40 до +120 °C) и херметично уплътнение.
- Откриване на дефекти в лагери: по-висока честотна характеристика (до 20+ kHz) за улавяне на честоти на дефектите в лагерите, умерена чувствителност (10–50 mV/g), широк динамичен обхват и монтаж чрез шпилка за най-добра високочестотна връзка — правилната комбинация за улавяне на начални дефекти на лагерите.
- Приложения при висока температура: IEPE за висока температура (до около 175 °C) или режим на заряд (до около 650 °C), със специален монтаж и окабеляване, допускайки известен компромис в характеристиките в замяна на температурната устойчивост.
6. Монтаж и инсталиране
Монтажният интерфейс е неразделна част от измервателната система: той определя резонанса при монтаж и следователно горната честотна граница. От най-добро към най-лошо:
- Монтаж на шпилка: най-добра връзка, равна до 10+ kHz.
- Лепило: добра, равна до приблизително 7–8 kHz.
- Магнитни: приемлива, равна до около 2–3 kHz.
- Щуп / ръчно: лоша — ограничена до ниски честоти и качествени показания.
За надеждни високочестотни данни повърхността трябва да е чиста и равна, шпилката — правилно затегната, лепилният слой — тънък и равномерен, магнитната база — плътно наседнала, а кабелът — закрепен, за да не се дърпа. The калкулатор за резонанс на монтажа оценява до къде стига използваемата честотна лента на всеки метод; за постоянно монтирани сензори принципите на правилното монтаж на сензора са кодифицирани в ISO 5348.
На терен тези сензори са предният край на всеки преносим анализатор. Двуканален уред като Balanset-1A улавя същата синхронизирана амплитуда и фаза — като използва два аналогови MEMS акселерометъра, доставяни в комплекта, вместо IEPE пиезосензори — както е необходимо за едноплоскостно и двуплоскостно балансиране и за рутинна диагностика в собствените лагери на машината при работна скорост. Заедно с безконтактния сензор и преобразувател на скорост, пиезоелектричният акселерометър е един от трите основни вибрационни transducers — и безспорно най-универсалният, поради което той остава гръбнакът на промишленото наблюдение на вибрации, диагностиката и балансирането в световен мащаб.
