درک مبدلهای لرزهای
A سنسور لرزشی — همچنین به عنوان سنسور لرزشسنجی یا مبدل اینرسی نامبرده میشود — یک لرزش حسگری که از یک جرم لرزهای داخلی (یک “جرم مرجع”) که روی فنرها یا المانهای انعطافپذیر معلق شده است بهعنوان مرجع اینرسی استفاده میکند و به آن امکان میدهد حرکت مطلق پایه حسگر را اندازهگیری کند. وقتی محفظه میلرزد، حرکت نسبی بین جرم معلق و محفظه به یک سیگنال الکتریکی تبدیل میشود که نمایانگر ارتعاش است. بسته به اینکه فرکانس اندازهگیری نسبت به فرکانس طبیعی، حسگر در یکی از دو ناحیه کاری عمل میکند: بالاتر از رزونانس، جرم تمایل دارد در فضا ساکن بماند و حرکت نسبی از جابهجایی محفظه تبعیت میکند (ناحیه کلاسیک لرزهسنج و پیکاپ سرعت)، در حالی که پایینتر از رزونانس، انحراف باقیمانده کوچک جرم با شتاب محفظه متناسب است (ناحیه شتابسنج). ویژگی تعریفکننده این است که مرجع بهصورت داخل توسط سنسور است، بنابراین هیچ مرجع ثابت خارجی مورد نیاز نیست.
نام «لرزشسنجی» از ابزارهاي زمینلرزهسنجي سرچشمه میگیرد: جرم معلق در یک لرزشسنج نسبتاً ثابت میماند درحالیکه زمین زیر آن تکان میخورد. در نظارت روی ماشینآلات، هر دو مبدلهای سرعت و شتابسنجها مبدلهای لرزشسنجی در این معنی هستند، اگرچه این اصطلاح اغلب با پیکآپ سرعت کلاسیک مرتبط است.
1. اصل کاری
سیستم جرم-فنر-میراگر
هر مبدل لرزشسنجی، در قلب خود، یک نوسانگر مکانیکی کوچک با چهار بخش کارکردی است:
- جرم زلزلهای: یک جرم اثباتکننده کالیبراسیونشده در داخل بدنه سنسور معلق است.
- فنر: فنرهای مکانیکی یا تابهای نازک که جرم را پشتیبانی میکنند.
- میرایی: میرایی هوا، مغناطیسی (جریانهای گردابی) یا سیال که تشدید را کنترل میکند.
- تبدیل: عنصری که حرکت نسبی جرم به بدنه را به ولتاژ تبدیل میکند.
نواحی پاسخ فرکانسی
رفتار حسگر کاملاً به این بستگی دارد که فرکانس تحریک نسبت به فرکانس طبیعی خودش در کجا قرار بگیرد — و دو خانواده اصلی حسگر عمداً در دو سوی مخالف رزونانس کار میکنند:
- پایینتر از فرکانس طبیعی (ناحیه شتابسنج): جرم و محفظه عملاً با هم حرکت میکنند و انحراف باقیمانده کوچک جرم با شتابمحفظه متناسب است. شتابسنجهای پیزوالکتریک و MEMS در این ناحیه، پایینتر از رزونانس نصبشده بالای خود، کار میکنند.
- در فرکانس طبیعی: سامانه به رزونانس میرسد — خروجی تقویت میشود اما اعوجاج دارد و غیرقابلاعتماد است، بنابراین از اندازهگیری در نزدیکی رزونانس اجتناب میشود.
- بالاتر از فرکانس طبیعی (ناحیه لرزهسنج): جرم عملاً در جای خود ثابت میماند، در حالی که محفظه پیرامون آن میلرزد، و حرکت نسبی از جابجایی محفظه (یا سرعت) تبعیت میکند. لرزهسنجهای جابهجایی و پیکاپهای سرعت سیمپیچی متحرک در این ناحیه، بالاتر از فرکانس طبیعی پایین خود، کار میکنند.
- دامنههای قابل استفاده: یک پیکاپ سرعت بهطور متعارف در بالاتر از حدود 2× فرکانس طبیعی خود استفاده میشود، جایی که پاسخ آن پایدار شده و تخت است؛ شتابسنج بسیار پایینتر از رزونانس نصبشدهاش به کار میرود — معمولاً تا حدود یکسوم آن برای دستیابی به دقت خوب.
2. انواع مبدل لرزشی
مبدلهای سرعت (سیمپیچ متحرک)
- آهنربای معلق بر روی فنرها درون یک سیمپیچ ثابت (یا برعکس) قرار دارد.
- سرعت نسبی بین آهنربا و سیمپیچ ولتاژی را از طریق القای الکترومغناطیسی تولید میکند.
- فرکانس طبیعی معمولاً 8–15 هرتز است.
- قابلاستفاده بالای حدود 16–30 هرتز است.
- سرعت را مستقیماً اندازه میگیرد، بدون نیاز به انتگرالگیری سیگنال.
شتابسنجها
- پیزوالکتریک انواع از بلور پیزو برای حس نیروی اینرسی جرم استفاده میکنند.
- انواع MEMS از حسکنندگی ظرفیتی یا پیزومقاومتی بر روی عنصری ریزماشینکاریشده استفاده میکنند.
- فرکانس طبیعی (نصبشده) بسیار بالاتر، معمولاً 10–30 kHz.
- برخلاف پیکاپهای سرعت، که در زیر رزونانس استفاده میشوند: از حدود 1 Hz تا تقریباً یکسوم فرکانس رزونانس نصبشده قابل استفادهاند.
- شتاب را اندازه میگیرد، که میتواند به سرعت یا جابهجایی انتگرالگیری شود.
3. حسکنندههای لرزشی در برابر حسکنندههای غیرلرزشی
خانواده لرزشی بهتر از طریق تقابل با حسکنندههایی که بر یک مرجع خارجی وابستهاند قابلدرک است.
حسگرهای لرزهای (مرجع اینرسی)
- شتابسنجها و مبدلهای ارتعاش سرعت.
- اندازهگیری حرکت مطلق در فضای اینرسی.
- نصب مستقیم بر روی سازه ارتعاشی.
- حمل جرمهای مرجع داخلی خود را دارند.
- رایجترین انتخاب برای نظارت بر ماشینآلات.
حسگرهای غیر لرزهای (مرجع خارجی)
- پروبهای مجاورتی (حسگرهای جریانهای گردابی).
- اندازهگیری حرکت نسبی بین دو سطح.
- نیاز به نقطه نصب ثابت برای مرجعدهی دارند.
- معمولاً حرکت شفت را نسبت به بلبرینگ اندازهگیری میکنند.
- استاندارد برای اندازهگیری ارتعاش شفت در ماشینهای دارای یاتاقانهای ژورنال.
4. مزایای طراحی سیزمیک
مرجع مستقل
- نیاز به چارچوب مرجع خارجی نیست.
- حسگر را میتوان تقریباً در هر جایی بر روی سازه ارتعاشی نصب کرد.
- حرکت مطلق واقعی را در فضای اینرسی ارائه میدهد.
تطبیق پذیری
- یک نوع حسگر بسیاری از کاربردها را پوشش میدهد.
- برای نقشهبرداری موقت و نصب دائم مناسب است.
- به راحتی قابل حمل از یک ماشین به ماشین دیگر.
این انعطافپذیری دلیل تکیه ابزارهای قابل حمل بر آن است. دوکاناله Balanset-1Aبرای مثال، قرائتهای خود را از شتابسنجهای گیرایی شده بر روی محفظههای بلبرینگ میگیرد — حسگرهای سیزمیک خودارجاعدهندهای که نیاز به مرجع ثابتی ندارند، بنابراین یک مهندس میتواند به سرعت بین نقاط اندازهگیری و ماشینها حرکت کند و در حین تعادل در محل کار.
۵. محدودیتها
محدودیتهای پاسخ فرکانسی
- پیکاپهای سرعت پایینتر از حدود 2× فرکانس طبیعی خود نمیتوانند بهطور قابلاعتماد اندازهگیری کنند؛ بهویژه انواع سیمپیچی متحرک در زیر 15–20 Hz پاسخ ضعیفی دارند. در اینجا یک مصالحه ذاتی وجود دارد: فرکانس طبیعی پایینتر، پوشش بهتر در فرکانسهای پایین را فراهم میکند اما به حسگری بزرگتر و سنگینتر نیاز دارد.
- شتابسنجها با نزدیک شدن فرکانس اندازهگیری به رزونانس نصبشدهشان دقت خود را از دست میدهند؛ حد بالای عملی (معمولاً حدود یکسوم رزونانس نصبشده) بهشدت به روش نصب بستگی دارد (رجوع کنید به ISO 5348).
- در انتهای بسیار پایین بازه فرکانسی، پاسخ شتابسنج بهجای تعلیق لرزهای، توسط المان حسگر و الکترونیک تقویتکننده محدود میشود — برای واحدهای صنعتی استاندارد معمولاً تا حدود 0.5–1 Hz.
حرکت محفظه را اندازهگیری میکند
- سنسور حرکت محفظه یاتاقان را نشان میدهد، نه شافت بهطور مستقیم.
- ارتعاش محفظه با ارتعاش شافت یکسان نیست — توسط سختی یاتاقان و ساختار اطراف فیلتر میشود.
- هنگامی که مدار واقعی شافت اهمیت دارد، بهجای آن سنسورهای نزدیکیسنج مورد نیاز است.
6. کاربردها
پایش وضعیت ماشینآلات
- اندازهگیریهای ارتعاش محفظه یاتاقان.
- روند ارتعاش کلی.
- نقص یاتاقان تشخیص.
- تشخیصهای عمومی ماشینریهای دوار.
ارتعاشات سازهای
- بررسیهای ارتعاش ساختمان و بنیاد.
- نظارت لرزهنگاری بر زلزالها.
- اندازهگیری ارتعاش ناشی از ماشینری که به زمین انتقال مییابد.
آنالیز مودال
- اندازهگیری پاسخ یک ساختار به ضربهای کالیبرهشده.
- تعیین فرکانسهای طبیعی و شکلهای حالت.
- ساخت توابع پاسخ فرکانسی استفاده شده در آنالیز مودال.
مبدلهای لرزهای که از یک جرم معلق داخلی بهعنوان مرجع اینرسی استفاده میکنند، پایه اندازهگیری ارتعاش در ماشینآلات دوار را تشکیل میدهند. درک اصل لرزهای — اینکه چگونه یک جرم معلق امکان اندازهگیری حرکت مطلق را فراهم میکند، و چرا پیکاپهای سرعت بالاتر از فرکانس طبیعی خود کار میکنند در حالی که شتابسنجها پایینتر از رزونانس نصبشدهشان کار میکنند — هم نقاط قوت و هم محدودیتهای این دو ابزار اصلی هر برنامه صنعتی تحلیل ارتعاش را توضیح میدهد.
