Разбиране на акселерометрите в режим на напрежение
A акселерометър в режим на напрежение е пиезоелектричен акселерометър с вградена електроника за обработка на сигнала, която преобразува електрическия заряд с високо съпротивление от пиезоелектричния кристал в изходно напрежение с ниско съпротивление. Терминът по същество е синоним на IEPE акселерометър (Integrated Electronics Piezo-Electric) и с ICP® (Integrated Circuit Piezoelectric, търговска марка на PCB Piezotronics). Означението „напрежен режим“ просто подчертава, че сензорът измерва напрежение (обикновено миливолта на грам), а не заряд (пикокулони на грам), което го отличава от по-старите модели с заряден режим. Като се има предвид, че напрежен режим, IEPE и ICP всъщност описват едно и също нещо преобразувател улеснява значително работата с продуктовите спецификации и техническата документация.
Устройствата, работещи в режим на напрежение, се превърнаха в преобладаващ стандарт в промишлеността вибрация измерване — в над 95 % от приложенията — благодарение на тяхната простота (не се изисква външен усилвател), лесното им използване (обикновено двужично свързване) и ниската им цена. Те са основните сензори, които стоят зад повечето съвременни мониторинг на вибрациите и диагностика.
1. Как работи вградената електроника
Отличителната характеристика е микроелектронен усилвател, вграден в корпуса на сензора, разположен непосредствено след пиезоелектрическия елемент:
- Преобразуване на заряд в напрежение: Транзисторът FET или малък интегрален усилвател преобразува заряда с високо съпротивление на кристала в напрежение с ниско съпротивление още в източника, преди сигналът да започне да се предава по кабела.
- Мощност при постоянен ток: усилвателят се захранва с постоянен ток, подаван от измервателния уред — същите два проводника пренасят както входящото постояннотоково захранване, така и изходящия променливотоков сигнал.
- Отклонение и сигнал заедно: на ускорение сигналът се наслагва като променливо напрежение върху постоянното напрежение на поляризация на този единствен изход.
Тъй като преобразуването на импеданса се извършва вътре в сензора, дългият и чуплив кабел за пренос на заряд, който беше проблем при по-ранните модели, е премахнат — а с него и по-голямата част от шума и чувствителността към манипулации, които го съпътстваха.
2. Формат на изхода и изисквания към захранването
Изходен формат
- Чувствителност: обикновено 10–1000 mV/g.
- Обща стойност: 100 mV/g е стандартът в бранша.
- Тип на сигнала: Променливото напрежение е пропорционално на ускорението.
- Изходно съпротивление: ниско, обикновено под 100 ома.
Изисквания за захранване
- Постоянен ток: Обикновено 2–20 mA, като стандартната стойност е 4 mA.
- Захранващо напрежение: 18-30 VDC.
- Напрежение на изправяне: На изхода се поддържа напрежение от 8 до 12 VDC.
- Двупроводна схема: захранването и сигналът се пренасят по един коаксиален кабел.
3. Предимства
Простота на системата
- Няма външен усилвател на заряда е задължително.
- Сензорът се свързва директно с уреда.
- По-ниски общи разходи за системата.
- По-малко компоненти, а оттам и по-малко места, където може да възникне повреда.
Капацитет на кабела
- Ниското изходно съпротивление позволява използването на дълги кабелни трасета — до около 300 м.
- Може да се използва стандартен, евтин коаксиален кабел.
- Добра устойчивост на електромагнитните смущения, възникващи по трасето.
- Гъвкав и лесен монтаж.
Лесно използване
- Лесна работа по принципа „включи и работи“.
- Минимална настройка.
- Стандартизиран интерфейс, поддържан от голям брой системи.
- Широка съвместимост с различни уреди и устройства за събиране на данни.
4. Сравнение с акселерометри с заряден режим
Изборът между схеми, работещи в режим на напрежение, и такива, работещи в режим на заряд, зависи от условията на експлоатация.
| Аспект | Режим на напрежение (IEPE/ICP) | Режим на зареждане |
|---|---|---|
| Сложност на системата | Просто — без външен усилвател | Изисква външен усилвател на заряд |
| Цена | Долна | По-високо |
| Кабел | Дълги разстояния, стандартен коаксиален кабел, добра устойчивост на смущения | Къс, специален кабел с ниско ниво на шум |
| Максимална температура | До ~175 °C (максимална температура за електронните компоненти) | До ~650°C |
| Специфични условия | Ограничено | Устойчив на радиация (ядрен); без активна електроника, която може да се повреди |
Накратко, режимът на напрежение обхваща над 95 % от промишлените приложения, докато режимът на заряд е запазен за нишови случаи, при които работната температура надвишава около 175 °C или има йонизиращо лъчение, което би унищожило вградената електроника.
5. Общи технически характеристики
Настройки за чувствителност
- 10 mV/g: високи вибрации и удари (в диапазон от около ±500 g).
- 50 mV/g: за общо предназначение (диапазон около ±100 г).
- 100 mV/g: стандарт в бранша (диапазон от около ±50 г).
- 500-1000 mV/g: прецизна работа с ниски вибрации (в диапазон от около ±5–10 g).
Точната стойност зависи от очакваните амплитуди; превръщането между изходно напрежение и физическо ускорение за дадено устройство е точно това, което калкулатор за чувствителността на вибрационния сензор за какво служи и това е пряко свързано с посочените характеристики на сензора чувствителност.
Честотна характеристика
- Долна граница на честотния диапазон: приблизително 0,5–5 Hz в точката на −3 dB (с променливотоково свързване).
- Горна честотна граница: се повишава към резонансната честота, която варира между 10 и 70 kHz в зависимост от размера на сензора.
- Използваема лента: до около една пета (20%) от монтираната резонансна честота за точност на амплитудата в рамките на няколко процента (съгласно ISO 5348); една трета от резонанса е само груба граница за скрининг, с приблизително 10–12% грешка в амплитудата.
Допустима температура
- Стандарт: от -50 до +120 °C.
- Разширено: от -50 до +150 °C.
- Висока температура: от -50 до +175 °C.
- При температура над 175 °C е необходим сензор с режим на заряд.
6. Варианти, опаковки и равнозначни термини
Варианти на дизайна
- IEPE в режим на компресия (най-разпространеният, икономичен).
- Режим на срязване IEPE (висококачествен, с по-добра устойчивост на напрежението на базата и термичните преходни състояния).
- Диференциален изход (подобрено потискане на общите състояния).
- Варианти с ниско ниво на шум (изключително ниско ниво на шум за прецизни измервания).
Видове пакети
- Промишлен (херметично затворен и устойчив).
- Миниатюрен (за места с ограничено пространство).
- Триаксиален (три перпендикулярни оси в едно тяло).
- Субминиатюрен (под 10 грама, за леки конструкции).
Сродни термини, с които ще се сблъскате
- Режим на напрежението: общият дескриптор.
- IEPE: Интегрирана електроника Пиезоелектричество — стандартният общ термин.
- ICP®: Интегрална схема с пиезоелектрически елементи — търговска марка на PCB Piezotronics.
- CCLD: Устройство за подаване на постоянен ток — терминология на Brüel & Kjær.
- Deltatron®: търговска марка на Brüel & Kjær.
- Всичко изброено по-горе: по същество същата технология — пиезоелектрически елемент и вградена електроника, захранвани с постоянен ток.
7. Най-добри практики в тази област
За ежедневната работа с въртящи се машини разумният избор по подразбиране е херметично запечатан сензор от индустриален клас с чувствителност 100 mV/g; изберете температурен диапазон, подходящ за мястото на монтаж, и запечатан корпус за замърсени или влажни среди. Начинът на монтаж е от изключително значение, тъй като от него зависи горната граница на използваемата честота:
- Монтаж на шпилки за измервания с най-висока честота и най-голяма повторяемост.
- Лепило за полупостоянни инсталации.
- Магнитна основа за бързо проучване на маршрути — удобно, но това намалява резонанса и съответно използваемата честотна лента.
- Правилно монтаж на сензора на ISO 5348 е от решаващо значение; можете да прецените как даден метод на монтаж променя нарастващ резонанс с Калкулатор за резонанс при монтаж на акселерометър.
Поддържайте сензора в калибрирано състояние — ежегодно при критично важни машини — проверявайте кабелите, уверявайте се, че монтажът е правилен, и извършвайте бърза проверка на функциите преди всяко важно измерване; периодично калибриране е това, което прави показанията проследими. Имайте предвид, че не всеки преносим уред е IEPE индикатор: the Balanset-1A, например, се доставя с два аналогови MEMS акселерометри вместо IEPE/ICP устройства и съвместимостта със сензори IEPE/ICP на трети страни не е публикувана възможност на този уред — проверете при производителя, преди да планирате такава интеграция.
Акселерометрите с напрежен режим (IEPE/ICP) са основните сензори в съвременния промишлен мониторинг на вибрациите, като съчетават високата производителност на пиезоелектрическото преобразуване с вградена електроника, което осигурява простота и надеждност. Тяхното преобладаване отразява оптималния баланс между производителност, цена и лекота на употреба в по-голямата част от приложенията за мониторинг на състоянието и диагностика на въртящи се машини.
