Forståelse af piezoelektriske accelerometre
A piezoelektrisk accelerometer er en vibrationer en sensor, der udnytter den piezoelektriske effekt – den egenskab, hvorved visse krystaller genererer en elektrisk ladning, når de udsættes for mekanisk belastning – til at omdanne mekanisk acceleration til et elektrisk signal, der er proportionalt med vibrationsamplituden. Når sensoren accelererer, komprimerer eller forskydes et piezoelektrisk element af en indbygget seismisk masse, og den deraf følgende ladning eller spænding bearbejdes og udsendes som et målesignal. Takket være et bredt frekvensområde (ca. 0,5 Hz til 50+ kHz), høj følsomhed, robusthed og et selvgenererende sensorelement, der ikke kræver ekstern strøm, er det piezoelektriske accelerometer den mest udbredte vibrationssensor i industrien og grundlaget for moderne Vibrationsanalyse og tilstandsovervågning.
1. Den piezoelektriske effekt
Fysisk princip
- Visse krystaller (kvarts, turmalin) og keramik (PZT, bariumtitanat) er piezoelektriske
- Mekanisk belastning skaber en elektrisk ladning på krystalets overflader.
- Ladningen er proportional med den påførte kraft.
- Effekten er reversibel — når der tilføres spænding, deformeres elementet.
- Den er selvforsynende, så der kræves ingen strøm til selve opladningen.
Inde i accelerometeret
Kæden fra bevægelse til signal er kort og direkte:
- Vibrationerne får sensorens fod og hus til at ryste.
- Den indre seismiske masse udsættes for en kraft, F = m × a.
- Den kraft belaster den piezoelektriske krystal.
- Krystallen genererer en ladning, der er proportional med kraften og dermed med acceleration.
- Ladningen opsamles på elektroderne og omdannes til et målbart signal.
Da udgangssignalet følger acceleration, kan det samme signal integreres elektronisk for at hastighed til fejlanalyse ved mellemfrekvenser eller bruges direkte til arbejde med højfrekvenser.
2. Typer efter indvendig udformning
Den måde, krystallen belastes af den seismiske masse på, bestemmer sensorens egenskaber.
- Komprimeringstype: den mest almindelige konstruktion, hvor krystallen er klemt fast mellem massen og bunden. Den er robust og har et bredt temperaturområde, hvilket gør den velegnet til barske miljøer — men den kan være mere følsom over for belastning af bunden og termiske svingninger.
- Shear type: krystallen udsættes for forskydning som følge af massens bevægelse. Denne geometri sikrer fremragende isolering mod basisspænding, bedre lavfrekvensrespons og lav følsomhed over for temperaturudsving, hvilket er grunden til, at skjæraccelerometer er det bedste valg til krævende måleopgaver.
- Bøjetype: Krystallen fungerer ved bøjning, hvilket giver en meget høj følsomhed, men den er mindre robust og mindre udbredt i industriel sammenhæng.
3. Typer efter elektronik
Den anden inddeling drejer sig om, hvorvidt signalbehandlingselektronikken er placeret inde i sensoren eller uden for den.
- Opladningstilstand: Resultatet er en rå ladning i pikocoulomb, hvilket kræver en ekstern ladningsforstærker. Udgangen med høj impedans er følsom over for kabelbevægelser og triboelektrisk støj, men da de ikke indeholder nogen indbygget elektronik, tåler disse sensorer ekstreme temperaturer (op til ca. 650 °C), hvilket gør dem uundværlige til specialiserede anvendelser ved meget høje temperaturer.
- IEPE / ICP (spændingsmodus): Den indbyggede elektronik omdanner ladningen til en spænding med lav impedans. Den IEPE grænseflade — også beskrevet som en spændingsbaseret accelerometer — er branchestandarden, der tilbyder enkel to-leder-tilslutning og fremragende støjmodstandsdygtighed. Den dækker langt over 95 % af alle industrielle anvendelser.
4. Ydelsesspecifikationer
Følsomhed
Følsomhed er udgangssignalet pr. enhed acceleration — typisk 10–100 mV/g for IEPE-sensorer eller 1–100 pC/g for ladningsmodus. Højere følsomhed giver finere opløsning, men et lavere maksimalt måleområde, så værdien vælges, så den passer til de forventede vibrationsniveauer; Beregner til vibrationssensorens følsomhed hjælper med at omregne mellem en udgangsspænding og den tilsvarende acceleration.
Frekvensområde
- Lav frekvens: en nedre grænse på ca. 0,5–5 Hz, der fastsættes af elektronikken.
- Høj frekvens: en øvre grænse på 5–50 kHz, bestemt af den monterede resonans.
- Usable range: generelt op til cirka en tredjedel af resonansen frekvens, hvor responsen forbliver uændret.
- Monteringseffekt: Monteringsmetoden begrænser i høj grad det opnåelige højfrekvensrespons.
Amplitudebåndbredde og dynamisk område
- Almindeligt brug: ±50 g til ±500 g.
- Høj følsomhed: ±5 g til ±50 g.
- Stødfølere: ±500 g til ±10.000 g.
Signalet må aldrig overskride sensorens rækkevidde, da det ellers vil blive afskåret og kan beskadige elementet; en bred dynamisk område gør det muligt for én sensor at registrere både svage retningslyde og kraftige vibrationer fra kørehastigheden i samme måling.
5. Udvælgelseskriterier
At vælge den rigtige sensor til opgaven er kernen i et godt målesystem.
- Generel overvågning af maskiner: et 100 mV/g IEPE-accelerometer med et måleområde på ±50 g, en frekvensrespons på 1 Hz–10 kHz, en temperaturklasse til industriel brug (−40 til +120 °C) og en hermetisk forsegling.
- Påvisning af lejefejl: et bredere frekvensområde (op til over 20 kHz) for at indfange lejefejlfrekvenser, moderat følsomhed (10–50 mV/g), stort dynamisk område og boltmontering for optimal højfrekvent kobling — den rette kombination til at registrere begyndende lejefejl.
- Anvendelser ved høje temperaturer: IEPE til høje temperaturer (op til ca. 175 °C) eller ladetilstand (op til ca. 650 °C), med specialmontering og -kabelføring, hvor man accepterer en vis kompromis i ydeevnen til gengæld for temperaturtolerancen.
6. Montering og installation
Monteringsfladen er en del af målesystemet: Den bestemmer den monterede resonans og dermed højfrekvensgrænsen. Fra bedst til dårligst:
- Stud mount: den bedste kobling, flad op til 10+ kHz.
- Klæbemiddel: god, flad op til ca. 7–8 kHz.
- Magnetisk: acceptabel, flad op til ca. 2–3 kHz.
- Sonde / håndholdt: mangelfuld — begrænset til lave frekvenser og kvalitative målinger.
For at opnå pålidelige højfrekvente data skal overfladen være ren og plan, bolten skal være spændt korrekt, eventuelle klæbelag skal være tynde og jævne, den magnetiske base skal sidde helt fast, og kablet skal være fastgjort for at forhindre, at det trækkes ud. Beregner til monteringsresonans vurderer, hvor den anvendelige frekvensbåndbredde for hver metode slutter; for fastmonterede sensorer gælder principperne for korrekt Montering af sensor er kodet i ISO 5348.
I felten udgør disse sensorer den primære del af enhver bærbar analysator. Et tokanalsinstrument som f.eks. Balanset-1A anvender IEPE-accelerometre til at registrere den synkroniserede amplitude og fase, der kræves til analyse i et og to plan afbalancering og til rutinemæssig diagnosticering af maskinens egne lejer ved driftshastighed. Sammen med nærhedssensoren og hastighedstransducer, er det piezoelektriske accelerometer et af de tre vigtigste vibrationsmåleinstrumenter transducers — og langt den mest alsidige, hvilket er grunden til, at den fortsat udgør rygraden i industriel vibrationsovervågning, diagnosticering og afbalancering over hele verden.
