Pietsosähköisten kiihtyvyysantureiden ymmärtäminen
A pietsosähköinen kiihtyvyysanturi on tärinä anturi, joka hyödyntää pietsosähköistä ilmiötä – ominaisuutta, jonka ansiosta tietyt kiteet tuottavat sähkövarauksen mekaanisen rasituksen vaikutuksesta – muuntaakseen mekaanisen kiihtyvyys tärinän amplitudiin suhteutettavaksi sähköiseksi signaaliksi. Kun anturi kiihtyy, sisäinen iskunvaimennusmassa puristaa tai vääntää pietsosähköistä elementtiä, ja syntyvä varaus tai jännite muokataan ja lähetetään ulos mittaussignaalina. Laajan taajuusalueen (noin 0,5 Hz – yli 50 kHz), suuren herkkyyden, kestävyyden ja ulkoista virtaa tarvitsemattoman itsestään virtaa tuottavan anturielementin ansiosta pietsosähköinen kiihtyvyysanturi on teollisuudessa yleisimmin käytetty tärinäanturi ja modernin värähtelyanalyysi ja kunnonvalvonta.
1. Pietsosähköinen ilmiö
Fyysinen periaate
- Tietyt kiteet (kvartsi, turmaliini) ja keraamit (PZT, bariumtitanaatti) ovat pietsosähköisiä
- Mekaaninen rasitus synnyttää sähkövarauksen kiteen pinnoille.
- Vara on verrannollinen kohdistettuun voimaan.
- Vaikutus on palautuva — jännitteen kytkeminen saa elementin muodon muuttumaan.
- Se tuottaa virran itse, joten varauksen tuottamiseen ei tarvita ulkoista virtalähdettä.
Kiihtyvyysanturin sisällä
Liikkeen ja signaalin välinen ketju on lyhyt ja suora:
- Tärinä saa anturin jalustan ja kotelon värähtelemään.
- Sisäiseen seismiseen massaan kohdistuu voima F = m × a.
- Tuo voima aiheuttaa jännitystä pietsosähköiseen kiteeseen.
- Kide tuottaa varauksen, joka on verrannollinen voimaan ja siten myös kiihtyvyyteen.
- Varausta kerätään elektrodeihin ja muunnetaan mitattavaksi signaaliksi.
Koska lähtösignaali seuraa kiihtyvyyttä, sama signaali voidaan integroida elektronisesti nopeus keskitaajuisten vikojen analysointiin tai suoraan korkeataajuuksisissa sovelluksissa.
2. Tyypit sisäisen rakenteen mukaan
Se, miten kide on kiinnitetty seismiseen massaan, määrittää anturin ominaisuudet.
- Pakkausmuoto: Yleisin rakenne, jossa kide on puristettu massan ja jalustan väliin. Kestävä ja laajalla lämpötila-alueella toimiva rakenne sopii vaativiin olosuhteisiin, mutta se voi olla herkempi jalustan rasitukselle ja lämpötilan vaihteluille.
- Shear type: kide leikkautuu massan liikkeen vaikutuksesta. Tämä rakenne tarjoaa erinomaisen pohjan venymän eristyksen, paremman matalataajuusvasteen ja alhaisen herkkyyden lämpötilan vaihteluille, minkä vuoksi leikkauskiihtyvyysanturi on ensiluokkainen valinta vaativiin mittauksiin.
- Taivutusmalli: Kide toimii taivutuksen avulla, mikä mahdollistaa erittäin suuren herkkyyden, mutta se on vähemmän kestävä ja harvinaisempi teollisessa käytössä.
3. Elektroniikan tyypit
Toinen luokittelu koskee sitä, sijaitseeko signaalinkäsittelyelektroniikka anturin sisällä vai sen ulkopuolella.
- Lataustila: tuloksena saadaan raaka varaus pikokulombeina, mikä edellyttää ulkoista latausvahvistin. Suurimpedanssinen lähtö reagoi herkästi kaapelin liikkeisiin ja tribosähköinen kohina, mutta koska niissä ei ole sisäisiä elektroniikkakomponentteja, nämä anturit kestävät äärimmäisiä lämpötiloja (jopa noin 650 °C), minkä vuoksi ne ovat korvaamattomia erityisissä korkean lämpötilan sovelluksissa.
- IEPE / ICP (jännitetila): sisäänrakennettu elektroniikka muuntaa varauksen matalan impedanssin jännitteeksi. IEPE rajapinta — jota kutsutaan myös jännitetilakäyttöinen kiihtyvyysanturi — on alan standardi, joka tarjoaa yksinkertaisen kaksijohtimisen liitännän ja erinomaisen häiriönsiedon. Se soveltuu yli 95 prosenttiin teollisista sovelluksista.
4. Suorituskykyvaatimukset
Herkkyys
Herkkyys on lähtösignaali kiihtyvyysyksikköä kohti — tyypillisesti 10–100 mV/g IEPE-antureilla tai 1–100 pC/g varausmoodissa. Suurempi herkkyys tarjoaa tarkemman erottelukyvyn, mutta pienemmän mittausalueen, joten arvo valitaan odotettujen tärinätasojen mukaan; tärinäanturin herkkyyslaskuri auttaa muuntamaan lähtöjännitteen vastaavaksi kiihtyvyydeksi.
Taajuusalue
- Matala taajuus: elektroniikan asettama alaraja, noin 0,5–5 Hz.
- Korkea taajuus: yläraja 5–50 kHz, jota säätelee asennettu resonanssi.
- Käyttökelpoinen alue: yleensä noin kolmasosaan resonanssista taajuus, jossa vaste pysyy tasaisena.
- Asennusvaikutus: kiinnitystapa rajoittaa merkittävästi saavutettavaa korkean taajuuden toistoa.
Amplitudialue ja dynaaminen alue
- Yleiskäyttö: ±50 g – ±500 g.
- Suuri herkkyys: ±5 g – ±50 g.
- Iskunvaimentimet: ±500 g – ±10 000 g.
Signaalin ei saa missään tapauksessa ylittää anturin mitta-aluetta, sillä muuten signaali leikkautuu ja voi vahingoittaa anturia; laaja dynaaminen alue mahdollistaa sen, että yksi anturi pystyy erottamaan sekä heikot suunnanmuutokset että voimakkaat ajonopeudesta johtuvat tärinät samassa mittauksessa.
5. Valintaperusteet
Anturin valinta käyttötarkoitukseen sopivaksi on hyvän mittausjärjestelmän ydin.
- Koneiden yleinen valvonta: 100 mV/g:n IEPE-kiihtyvyysanturi, jonka mittausalue on ±50 g, taajuusalue 1 Hz–10 kHz, teollisuuskäyttöön soveltuva lämpötila-alue (−40–+120 °C) ja hermeettinen tiivistys.
- Laakerivikojen havaitseminen: laajempi taajuusalue (yli 20 kHz) äänen tallentamiseksi laakerivikataajuudet, kohtuullinen herkkyys (10–50 mV/g), laaja dynaaminen alue ja pulttikiinnitys, joka takaa parhaan korkeataajuuksisen kytkennän — oikea yhdistelmä alkavien vikojen havaitsemiseen laakeriviat.
- Korkean lämpötilan sovellukset: korkean lämpötilan IEPE-anturi (noin 175 °C:seen asti) tai latausmoodi (noin 650 °C:seen asti), erityisellä kiinnityksellä ja kaapelointilla, jolloin suorituskyvyssä joudutaan tekemään joitakin kompromisseja lämpötilakestävyyden vuoksi.
6. Asennus ja kiinnitys
Kiinnitysliitäntä on osa mittausjärjestelmää: se määrittää kiinnitetyn resonanssin ja siten korkean taajuuden rajan. Parhaimmasta huonoimpaan:
- Nastakiinnitys: paras kytkentä, tasainen yli 10 kHz:n taajuuksille.
- Liima: hyvä, tasainen noin 7–8 kHz:iin asti.
- Magneettinen: hyväksyttävä, tasainen noin 2–3 kHz:iin asti.
- Anturi / kädessä pidettävä: heikko — rajoittuu mataliin taajuuksiin ja laadullisiin lukemiin.
Luotettavien korkeataajuustietojen saamiseksi pinnan on oltava puhdas ja tasainen, kiinnityspultin kiristysmomentti oikea, mahdollisen liimakerroksen ohut ja tasainen, magneettialustan täysin paikoillaan ja kaapelin kiinnitettynä, jotta se ei pääse irtoamaan. asennuksen resonanssilaskuri arvioi, missä kunkin menetelmän käyttöalue päättyy; kiinteästi asennettujen anturien osalta oikean anturin kiinnitys on kodifioitu ISO 5348.
Kenttäolosuhteissa nämä anturit muodostavat jokaisen kannettavan analysaattorin etuosan. Kaksikanavainen laite, kuten Balanset-1A käyttää IEPE-kiihtyvyysantureita mittaamaan yhden ja kahden tason analyysiin tarvittavaa synkronoitua amplitudia ja vaihetta tasapainottaminen sekä koneen omien laakereiden rutiinidiagnostiikkaan käyntinopeudella. Yhdessä lähestymisanturin ja nopeusanturi, pietsosähköinen kiihtyvyysanturi on yksi kolmesta tärkeimmästä tärinän transducers — ja ylivoimaisesti monipuolisin, minkä vuoksi se on edelleen teollisuuden tärinänvalvonnan, vianmäärityksen ja tasapainotuksen selkäranka kaikkialla maailmassa.
