Piesoelektriliste kiirendusmõõturite mõistmine
A piesoelektriline kiirendusmõõtur on vibratsioon andur, mis kasutab ära piesoelektrilist efekti – omadust, mille tõttu teatud kristallid tekitavad mehaanilise koormuse korral elektrilist laengut –, et muundada mehaaniline kiirendus vibratsiooni amplituudiga proportsionaalseks elektriliseks signaaliks. Kui andur kiirendab, surub või nihutab sisemine seismiline mass piezoelektrilist elementi ning tekkiv laeng või pinge töödeldakse ja väljastatakse mõõtesignaalina. Tänu laiale sagedusvahemikule (ligikaudu 0,5 Hz kuni üle 50 kHz), suurele tundlikkusele, vastupidavusele ja isetoitega andurielemendile, mis ei vaja välist toidet, on piesoelektriline kiirendusmõõtur tööstuses kõige laialdasemalt kasutatav vibratsioonisensor ja moodsa vibratsioonianalüüs ja seisundi jälgimine.
1. Piezoelektriline efekt
Füüsikaline põhimõte
- Teatud kristallid (kvarts, turmaliin) ja keraamika (PZT, baariumtitanaat) on piesoelektrilised
- Mehaaniline koormus tekitab kristalli pinnale elektrilise laengu.
- Laeng on võrdeline rakendatud jõuga.
- See mõju on pöörduv – pinge rakendamisel element deformeerub.
- See tekitab laengu ise, seega ei ole laengu tekitamiseks vaja elektrienergiat.
Kiirendusmõõturi sees
Liikumisest signaalini kulgev ahel on lühike ja otsene:
- Vibratsioon paneb anduri aluse ja korpuse vibreerima.
- Sisemine seismiline mass on mõjutatud jõust F = m × a.
- See jõud avaldab survet piesoelektrilisele kristallile.
- Kristall tekitab laengu, mis on võrdeline jõuga ja seega ka kiirendusega.
- Laeng koguneb elektroodidele ja muundatakse mõõdetavaks signaaliks.
Kuna väljund jälgib kiirendust, saab sama signaali elektrooniliselt integreerida, et kiirus keskmise sagedusega rikkeanalüüsiks või kasutatakse otse kõrgsageduslikuks tööks.
2. Tüübid sisemise ehituse järgi
See, kuidas seismiline mass kristallile mõju avaldab, määrab anduri omadused.
- Survetüüp: kõige levinum konstruktsioon, kus kristall on surutud alusplaadi ja aluse vahele. See on vastupidav ja talub suurt temperatuurivahemikku, mistõttu sobib hästi rasketesse tingimustesse – kuid võib olla tundlikum aluse deformatsiooni ja temperatuurikõikumiste suhtes.
- Kääritüüp: kristallile avaldab mõju massi liikumine. Selline geomeetria tagab suurepärase alusdeformatsiooni isoleerimise, parema madalsagedusliku vastuse ja madala tundlikkuse temperatuuri muutuste suhtes, mistõttu nihekiirendusmõõtur on parim valik nõudlike mõõtmiste jaoks.
- Paindetüüp: Kristall toimib painde põhimõttel, mis võimaldab väga suurt tundlikkust, kuid see on vähem vastupidav ja tööstuslikus kasutuses haruldasem.
3. Tüübid elektroonika järgi
Teine liigitus põhineb sellel, kas signaali töötlemise elektroonika asub anduri sees või väljaspool seda.
- Laadimisrežiim: väljundiks on töötlemata laeng pikokulonites, mis nõuab välist laadimisvõimendi. Kõrge takistusega väljund on tundlik kaabli liikumise suhtes ja triboelektriline müra, kuid kuna neil puudub sisemine elektroonika, taluvad need andurid äärmuslikke temperatuure (kuni umbes 650 °C), mistõttu on need asendamatud spetsiaalsetes kõrge temperatuuriga rakendustes.
- IEPE / ICP (pinge režiim): sisseehitatud elektroonika muudab laengu madala takistusega pingeks. See IEPE liides — mida nimetatakse ka pinge-režiimis kiirendusandur — on tööstusstandard, mis pakub lihtsat kahejuhtmelist ühendust ja suurepärast müraimmuunsust. See sobib enam kui 95 % tööstuslikest rakendustest.
4. Tehnilised andmed
Tundlikkus
Tundlikkus on väljund kiirenduse ühiku kohta – IEPE-andurite puhul tavaliselt 10–100 mV/g või laengurežiimi puhul 1–100 pC/g. Suurem tundlikkus tagab parema eraldusvõime, kuid väiksema maksimaalse mõõtevahemiku, seega valitakse see näitaja vastavalt eeldatavatele vibratsioonitasemetele; vibratsioonisensori tundlikkuse kalkulaator aitab teisendada väljundpinge vastavaks kiirenduseks.
Sagedusvahemik
- Madal sagedus: elektroonika poolt määratud alumine piir umbes 0,5–5 Hz.
- Kõrge sagedus: ülempiir 5–50 kHz, mida määrab paigaldatud resonants.
- Kasutatav vahemik: tavaliselt kuni umbes kolmandik resonantsist sagedus, kus vastus jääb samaks.
- Paigaldamise mõju: kinnitusviis piirab oluliselt saavutatavat kõrgsagedusvastust.
Amplituudi vahemik ja dünaamiline ulatus
- Üldine kasutusala: ±50 g kuni ±500 g.
- Suur tundlikkus: ±5 g kuni ±50 g.
- Põrkeandurid: ±500 g kuni ±10 000 g.
Signaal ei tohi mingil juhul ületada anduri mõõteulatust, vastasel juhul tekib signaali kärpimine ja see võib andurit kahjustada; lai dünaamiline ulatus võimaldab ühel anduril sama mõõtmise käigus eristada nii nõrku suunatoone kui ka tugevaid sõidukiiruse vibratsioone.
5. Valikukriteeriumid
Anduri sobivus ülesandega on hea mõõtesüsteemi aluseks.
- Masinate üldine seire: 100 mV/g IEPE-kiirendusandur, mille mõõtevahemik on ±50 g, sagedusvahemik 1 Hz–10 kHz, töötemperatuurivahemik −40 kuni +120 °C ja hermeetiline tihendus.
- Laagrite defektide tuvastamine: laiem sagedusala (üle 20 kHz), et jäädvustada laagririkete sagedused, mõõdukas tundlikkus (10–50 mV/g), lai dünaamiline ulatus ja kinnituspoltide abil paigaldamine, mis tagab parima kõrgsagedusliku ühenduse – just õige kombinatsioon algava laagri defektid.
- Kõrgtemperatuursed rakendused: kõrgtemperatuuriline IEPE (kuni umbes 175 °C) või laadimisrežiim (kuni umbes 650 °C), spetsiaalse paigaldus- ja juhtmestikuga, kus temperatuuri taluvuse nimel tehakse mõningaid järeleandmisi jõudluses.
6. Paigaldamine ja seadistamine
Kinnitusliides on mõõtesüsteemi osa: see määrab kinnituse resonantsi ja seega ka kõrgsageduspiiri. Parimast halvimani:
- Tugipoldi kinnitus: parim ühendus, tasane kuni 10+ kHz.
- Liim: hea, tasane kuni umbes 7–8 kHz.
- Magnetiline: vastuvõetav, tasane kuni umbes 2–3 kHz.
- Andur / käeshoitav: puudulik — piirdub madalate sageduste ja kvalitatiivsete näitudega.
Usaldusväärsete kõrgsagedusandmete saamiseks peab pind olema puhas ja tasane, kinnituskruvi õigesti kinni keeratud, liimikiht õhuke ja ühtlane, magnetalus täielikult paigas ning kaabel kinnitatud, et vältida selle lahtitõmbamist. paigaldusresonantsi kalkulaator hinnangud selle kohta, kus iga meetodi kasutatav vahemik lõpeb; püsivalt paigaldatud andurite puhul kehtivad õige anduri paigaldamine on kodifitseeritud ISO 5348.
Välitingimustes moodustavad need andurid iga kaasaskantava analüsaatori esiosa. Kahekanaliline seade, nagu näiteks Balanset-1A kasutab IEPE-kiirendusmõõtureid, et registreerida ühe- ja kahe-tasapinnalise mõõtmise jaoks vajalikku sünkroniseeritud amplituudi ja faasi tasakaalustamine ning masina enda laagrite rutiinseks diagnostikaks töökäigul. Koos lähedusanduri ja kiiruseandur, on piesoelektriline kiirendusandur üks kolmest peamisest vibratsiooniandurist transducers — ning kaugelt kõige mitmekülgsem, mistõttu on see endiselt tööstusliku vibratsiooniseire, diagnostika ja tasakaalustamise alustala kogu maailmas.
