Պիեզոէլեկտրական ակսելերոմետրների հասկացում
A պիեզոէլեկտրական ակսելերոմետր է տատանում զոնդ, որը օգտագործում է պիեզոէլեկտրական էֆեկտը — այն հատկությունը, որի շնորհիվ որոշ բյուրեղներ մեխանիկական լարման դեպքում արտադրում են էլեկտրական լիցք — մեխանիկական արագացում ընդարձակ հաճախականության տիրույթի (մոտավորապես 0.5 Hz-ից մինչև 50+ kHz), բարձր զգայունության, ամուր կառուցվածքի և արտաքին սնուցում չպահանջող ինքնաբերաբար աշխատող զգայարանի շնորհիվ պիեզոէլեկտրական ակսելերոմետրը արդյունաբերության ամենատարածված տատանումների զոնդն է և ժամանակակից տատանումների վերլուծություն և վիճակի մոնիտորինգի հիմքը:
1. Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը
Ֆիզիկական սկզբունք
- Որոշ բյուրեղներ (քվարց, տուրմալին) և կերամիկական նյութեր (PZT, բարիումի տիտանատ) պիեզոէլեկտրական են:
- Մեխանիկական լարումը բյուրեղի մակերեսներին առաջացնում է էլեկտրական լիցք:
- Լիցքը համեմատական է կիրառված ուժին:
- Էֆեկտը հակադարձելի է — լարման կիրառումը հանգեցնում է տարրի դեֆորմացիային:
- Այն ինքնաբերաբար աշխատող է, ուստի լիցքն արտադրելու համար էլեկտրաէներգիա չի պահանջվում:
Ակսելերոմետրի ներսում
Կապը շարժումից մինչև ազդանշան կարճ և ուղղակի է՝
- Տատանումները արագացնում են զոնդի հիմքը և իրանը:
- Ներքին սեյսմիկ զանգվածը ենթարկվում է ուժի, F = m × a:
- Այդ ուժը լարում է պիեզոէլեկտրական բյուրեղը:
- Բյուրեղը արտադրում է լիցք, որը համեմատական է ուժին և, հետևաբար, արագացմանը:
- Լիցքը հավաքվում է էլեկտրոդների վրա և վերածվում չափելի ազդանշանի:
Քանի որ ելքը հետևում է արագացմանը, նույն ազդանշանը կարող է էլեկտրոնային ինտեգրման ենթարկվել արագությունը միջին հաճախականությունների խափանումների վերլուծության համար, կամ օգտագործվել ուղղակիորեն բարձր հաճախականությունների աշխատանքի համար:
2. Տեսակները ըստ ներքին կառուցվածքի
Բյուրեղի վրա սեյսմիկ զանգվածի կողմից բեռնվածքի կիրառման եղանակը որոշում է զոնդի բնութագիրը:
- Սեղմման տեսակ՝ ամենատարածված կառուցվածքը, որտեղ բյուրեղը սեղմված է զանգվածի և հիմքի միջև: Ամուր է, լայն ջերմաստիճանային տիրույթ ունի, հարմար է դժվար պայմանների համար — սակայն այն կարող է ավելի զգայուն լինել հիմքի լարման և ջերմային անցումային երևույթների նկատմամբ:
- Սահքային տեսակ՝ բյուրեղը սահքի ենթարկվում է զանգվածի շարժումից: Այս երկրաչափությունը ապահովում է հիմքի լարման հիանալի մեկուսացում, ավելի լավ ցածր հաճախականությունների արձագանք և ցածր զգայունություն ջերմաստիճանի անցումային փոփոխությունների նկատմամբ, ինչի շնորհիվ սահքային ակսելերոմետր համարվում է բարձրորակ ընտրություն պահանջկոտ չափումների համար:
- Գոգավոր (կորացման) տեսակ՝ բյուրեղը աշխատում է կորացման ռեժիմում, ինչը հնարավորություն է տալիս շատ բարձր զգայունության, սակայն այն ավելի քիչ ամուր է և ավելի հազվադեպ է օգտագործվում արդյունաբերության մեջ:
3. Տեսակները ըստ էլեկտրոնիկայի
Երկրորդ դասակարգումը վերաբերում է նրան, թե արդյոք ազդանշանի մշակման էլեկտրոնիկան գտնվում է զոնդի ներսում, թե դրսում:
- Լիցքային ռեժիմ՝ ելքը չմշակված լիցք է պիկոկուլոններով, ինչը պահանջում է արտաքին լիցքային ուժեղացուցիչ: Բարձր իմպեդանսով ելքը զգայուն է լարի շարժման և տրիբոէլեկտրական աղմուկի նկատմամբ, սակայն ներքին էլեկտրոնիկայի բացակայության շնորհիվ այս զոնդերը դիմանում են ծայրահեղ ջերմաստիճաններին (մինչև մոտ 650 °C), ինչը դրանք անփոխարինելի է դարձնում մասնագիտացված բարձր ջերմաստիճանային կիրառությունների համար:
- IEPE / ICP (լարման ռեժիմ)՝ ներկառուցված էլեկտրոնիկան լիցքը վերածում է ցածր իմպեդանսով լարման: IEPE ինտերֆեյսը — նաև նկարագրվում է որպես ICP լարման ռեժիմի ակսելերոմետրին — արդյունաբերական ստանդարտն է, առաջարկելով պարզ երկու հաղորդալարանոց կապ և հիանալի աղմուկի նկատմամբ իմունիտետ: Այն հարմար է արդյունաբերական կիրառությունների ավելի քան 95%-ի համար:
4. Աշխատանքային բնութագրեր
Զգայունություն
Զգայունություն ելքն է մեկ միավոր արագացման համար — սովորաբար 10–100 mV/g IEPE զոնդերի համար, կամ 1–100 pC/g լիցքային ռեժիմի համար: Ավելի բարձր զգայունությունը ապահովում է ավելի նուրբ լուծաչափ, բայց ավելի ցածր առավելագույն տիրույթ, ուստի ցուցանիշը ընտրվում է՝ համապատասխանեցնելով ակնկալվող տատանումների մակարդակներին; տատանումների զգայունության հաշվիչ օգնում է վերածել ելքային լարումը համապատասխան արագացման:
Հաճախականության տիրույթ
- Ցածր հաճախություն՝ ցածր սահմանը մոտավորապես 0.5–5 Hz է, որը որոշվում է էլեկտրոնիկայով:
- Բարձր հաճախականություն՝ բարձր սահմանը 5–50 kHz է, որը կառավարվում է տեղադրված ռեզոնանս.
- Օգտագործման տիրույթ՝ մի քանի տոկոսանոց ամպլիտուդային ճշգրտության համար, մինչև տեղադրված ռեզոնանսի մոտավորապես հինգերորդ մասը (20%) հաճախություն, ISO 5348-ի համաձայն; ռեզոնանսի մեկ երրորդը միայն մոտավոր սկրինինգային սահման է, երբ ամպլիտուդի ընթերցումը արդեն մոտ 10–12%-ով բարձր է:
- Մոնտաժի ազդեցությունը: մոնտաժի եղանակը ուժեղ սահմանափակում է իրականացվող բարձր հաճախականության արձագանքը:
Ամպլիտուդի միջակայք և դինամիկ միջակայք
- Ընդհանուր նպատակի. ±50 g-ից մինչև ±500 g:
- Բարձր զգայունություն. ±5 g-ից մինչև ±50 g:
- Հարվածային զնդեր. ±500 g-ից մինչև ±10,000 g:
Սիգնալը երբեք չպետք է գերազանցի զնդի միջակայքը, հակառակ դեպքում այն կկտրվի և կարող է վնասել տարրը; լայն դինամիկական միջակայք թույլ է տալիս մեկ զնդին առանձնացնել և՛ թույլ առանցքակալային տոները, և՛ ուժեղ աշխատանքային պտտաթվի տատանումները նույն չափման ընթացքում:
5. Ընտրության չափանիշներ
Զնդի աշխատանքին համապատասխանեցնելը լավ չափման կոնֆիգուրացիայի սրտն է:
- Ընդհանուր մեքենաների մոնիտորինգ. 100 mV/g IEPE ակսելերոմետր ±50 g միջակայքով, 1 Hz–10 kHz արձագանքով, արդյունաբերական ջերմաստիճանային դասակարգմամբ (−40-ից մինչև +120 °C) և հերմետիկ շրջանակով:
- Առանցքակալի թերությունների հայտնաբերում. ավելի բարձր հաճախականության արձագանք (մինչև 20+ kHz) գրանցելու համար առանցքակալի թերությունների հաճախություններ, միջին զգայունություն (10–50 mV/g), լայն դինամիկ միջակայք և պնակի մոնտաժ՝ լավագույն բարձր հաճախականության կապի համար՝ ճիշտ համադրություն՝ սկզբնական առանցքակալի թերություններ.
- Բարձր ջերմաստիճանի կիրառումներ. բարձր ջերմաստիճանի IEPE (մոտ 175 °C) կամ լիցքային ռեժիմ (մոտ 650 °C), հատուկ մոնտաժի և լարային համակարգերով, ընդունելով որոշակի կատարողական զիջումներ ջերմաստիճանային հնարավորությունների համար:
6. Մոնտաժ և տեղադրում
Մոնտաժի ինտերֆեյսը չափման համակարգի մասն է. այն սահմանում է մոնտաժված ռեզոնանսը և, հետևաբար, բարձր հաճախականության սահմանը: Լավագույնից վատագույնը.
- Շրջանակով մոնտաժ՝ լավագույն կապ, հարթ մինչև 10+ kHz:
- Սոսնձող շերտ՝ լավ, հարթ մոտավորապես 7–8 kHz:
- Մագնիսական՝ ընդունելի, հարթ մոտավորապես 2–3 kHz:
- Զոնդ / ձեռքի. վատ՝ սահմանափակված ցածր հաճախականություններով և որակական ընթերցումներով:
Հուսալի բարձր հաճախականության տվյալների համար մակերեսը պետք է մաքուր և հարթ լինի, պնակը ճիշտ մոմենտով ամրացված, ցանկացած ճկլիկային շերտը՝ բարակ և հավասարաչափ, մագնիսական հիմքը՝ ամբողջությամբ նստած, իսկ լարը՝ ամրացված՝ ձգումը կանխելու համար: Ինքը մոնտաժված ռեզոնանսի հաշվիչը գնահատում է, թե որտեղ է ավարտվում յուրաքանչյուր եղանակի օգտագործելի շերտը; մշտական տեղադրված զնդերի համար ճիշտ զոնդի մոնտաժ կանոնակարգված է ISO 5348.
Տեղում այս զնդերը յուրաքանչյուր շարժական վերլուծիչի առջևի ծայրն են: Երկու ալիքով սարք, ինչպիսին է Balanset-1A : գրանցում է նույն սինխրոնացված ամպլիտուդը և փուլը՝ օգտագործելով կիթում առաջարկվող երկու անալոգային MEMS ակսելերոմետրներ՝ IEPE պիեզո զնդերի փոխարեն, ինչպես անհրաժեշտ է մեկ և երկու հարթ բալանսավորում և մեքենայի սեփական առանցքակալներում աշխատանքային պտտաթվով ռուտինային դիագնոստիկայի համար: Մոտիկության զոնդի և արագության տրանսդյուսեր: պիեզոէլեկտրական ակսելերոմետրը տատանումների երեք հիմնական փոխարկիչներից — և ամենաուղղակիորեն հարմարվողականը, ինչի շնորհիվ այն մնում է արդյունաբերական տատանումների մոնիտորինգի, դիագնոստիկայի և հավասարակշռման ողնաշարը ամբողջ աշխարհում:
