Razumijevanje seizmičkih senzora
A seizmički senzor — također pozvan senzor seizmičkog pomaka ili inercijalni pretvarač — je vibration sensor that uses an internal seismic mass (a “proof mass”) suspended on springs or compliant flexures as an inertial reference, allowing it to measure the absolute motion of the sensor base. When the housing vibrates, the relative motion between the suspended mass and the housing is converted into an electrical signal that represents the vibration. Depending on where the measurement frequency lies relative to the mass-spring system’s prirodne frekvencije, the sensor works in one of two regimes: above resonance the mass tends to stay still in space and the relative motion follows the housing displacement (the classic seismometer and velocity-pickup regime), while below resonance the small residual deflection of the mass is proportional to the housing acceleration (the accelerometer regime). The defining feature is that the reference is carried inside senzora, tako da nije potreban fiksni eksterni datum.
Naziv “seizmički” dolazi od instrumentacije za zemljotrese: suspenzivna masa seizmografa ostaje relativno mirana dok se tlo pomjera ispod nje. U praćenju mašina, oba senzori brzine and akcelerometri su seizmički senzori u tom smislu, mada se pojam najčešće povezuje sa klasičnim pretvaračem brzine.
1. Princip rada
Sistem masa-opruga-prigušivač
Svaki seizmički senzor je, po srcu, mali mehanički oscilator sa četiri funkcionalna dijela:
- Seismic mass: masa za kalibraciju suspenzija unutar kućišta senzora.
- Spring: mehanička opruga ili tanke fleksije koje podupiru masu.
- Damping: zrak, magnetsko (vihorna struja) ili fluidno prigušenje koje kontrolira rezonancu.
- Transduction: element koji relativno kretanje mase prema kućištu pretvara u napon.
Regioni Frekvencijskog Odgovora
How the sensor behaves depends entirely on where the excitation frequency falls relative to its own natural frequency — and the two main sensor families deliberately work on opposite sides of the resonance:
- Below natural frequency (accelerometer regime): mass and housing move essentially together, and the small residual deflection of the mass is proportional to the housing acceleration. Piezoelectric and MEMS accelerometers work here, below their high mounted resonance.
- Na prirodnoj frekvenciji: the system resonates — output is amplified but distorted and unreliable, so measurement near resonance is avoided.
- Above natural frequency (seismometer regime): the mass effectively stays put while the housing vibrates around it, and the relative motion follows the housing displacement (or velocity). Displacement seismometers and moving-coil velocity pickups work here, above their low natural frequency.
- Usable ranges: a velocity pickup is conventionally used above roughly 2× its natural frequency, where its response has settled and is flat; an accelerometer is used well below its mounted resonance — typically up to about one-third of it for good accuracy.
2. Vrste Seizmičkog Davača
Davalci Brzine (Pokretni Kalem)
- Magnet je suspenzija na oprugama unutar fiksnog kalema (ili obrnuto).
- Relativna brzina između magneta i kalema generiše napon elektromagnetnom indukcijom.
- Prirodna frekvencija tipično 8–15 Hz.
- Upotrebljivo iznad približno 16–30 Hz.
- Mjeri brzinu direktno, ne trebajući integraciju signala.
Accelerometers
- Piezoelectric tipovi koriste piezo kristal da osete inercijsku silu mase.
- MEMS tipovi koriste kapacitivnu ili piezootpornu senzoriku na mikromašinskom elementu.
- Much higher (mounted) natural frequency, typically 10–30 kHz.
- Unlike velocity pickups, used below resonance: usable from about 1 Hz up to roughly one-third of the mounted resonance frequency.
- Meri ubrzanje, koje se može integrirati do brzine ili pomeraja.
3. Seizmički vs. Ne-seizmički senzori
Seizmička porodica se najbolje razume poređenjem sa senzorima koji se oslanjaju na spoljnu referencu.
Seizmički senzori (inercijalna referenca)
- Akcelometeri i transdjuseri brzine.
- Mere apsolutno kretanje u inercijskom prostoru.
- Montiraju se direktno na vibrirajuću strukturu.
- Nose svoju sopstvenu unutrašnju masu kao referencu.
- Najčešće korišćeni izbor za monitoring mašinskog stanja.
Ne-seizmički senzori (spoljne reference)
- Senzori blizine (vrtložni-strujni senzori).
- Mere relativno kretanje između dve površine.
- Zahtevaju nepokretnu tačku montaže sa koje se posmatra.
- Obično mere vibracije vratila u odnosu na ležaj.
- Standard za merenje vibracija vratila na mašinama sa kliznih ležaja.
4. Prednosti seizmičkog dizajna
Samoodrživana Referenca
- Nije potreban eksterni referentni okvir.
- Senzor se može montirati gotovo bilo gdje na vibracionoj strukturi.
- Izvještava pravo apsolutno gibanje u inercijskom prostoru.
Versatility
- Jedan tip senzora obuhvaća veliki broj primjena.
- Pogodno je za privremene mjerenja i trajne instalacije.
- Lako je prenosivo sa stroja na stroj.
Upravo je ova svestranost razlog što prenosivi instrumenti se na njih oslanjaju. Dvokanalnog Balanset-1A, na primjer, uzima očitanja sa akselometrima stegnutim na kućištima ležaja — seizmički senzori koji se sami referenciraju i ne trebaju nepokretan referentni sistem, tako da inženjer može brzo prelaziti između točaka mjerenja i strojeva tijekom balansiranja na mjestu.
5. Limitations
Ograničenja Frekvencijskog Odziva
- Velocity pickups cannot measure reliably below roughly 2× their natural frequency; moving-coil types in particular respond poorly below 15–20 Hz. There is an inherent trade-off: a lower natural frequency gives better low-frequency reach but demands a larger, heavier sensor.
- Accelerometers lose accuracy as the measurement frequency approaches their mounted resonance; the practical upper limit (typically about one-third of the mounted resonance) depends strongly on the mounting method (see ISO 5348).
- At the very low end, accelerometer response is limited by the sensing element and amplifier electronics rather than the seismic suspension — typically down to about 0.5–1 Hz for standard industrial units.
Mjeri Gibanje Kućišta
- Senzor izvještava o gibanju kućišta ležaja, ne o osovini izravno.
- Vibracija kućišta nije ista kao vibracija osovine — filtrirana je krutošću ležaja i okružnom strukturom.
- Gdje su prava orbitalna gibanja osovine važna, umjesto toga trebaju se koristiti senzori blizine.
6. Primjene
Praćenje Stanja Strojeva
- Mjerenja vibracija kućišta ležaja.
- Praćenje ukupne vibracije.
- Bearing-defect detection.
- Dijagnostika opšte rotacijske mehanike.
Vibrations Strukture
- Ankete vibracija zgrada i temelja.
- Seizmičko nadgledanje zemljotresa.
- Vibracije koje se šire iz mehanike na osnovu zemljine strukture.
Modal Analysis
- Mjerenje odziva strukture na kalibrovani udar.
- Determining prirodne frekvencije and mode shapes.
- Building the funkcije frekventnog odziva used in modal analysis.
Seismic transducers, using an internal suspended mass as an inertial reference, form the foundation of vibration measurement on rotating machinery. Grasping the seismic principle — how a suspended mass enables absolute-motion measurement, and why velocity pickups work above their natural frequency while accelerometers work below their mounted resonance — explains both the strengths and the limits of these twin workhorses of every industrial vibration-analysis programme.
