Սեյսմական փոխարկիչների հասկացումը
A սեյսմիկ տրանսդյուսեր — նաև կոչվում է սեյսմիկ զգայարան կամ իներցիալ տրանսդյուսեր — տատանում զգայարան, որն օգտագործում է ներքին սեյսմիկ զանգվածը (այսպես կոչված «փորձնական զանգվածը»), որը կախված է զսպանակներից կամ ճկուն տարրերից որպես իներցիալ հղկման, թույլ տալով չափել զգայարանի հիմքի բացարձակ շարժումը։ Երբ իրանը տատանվում է, կախված զանգվածի և իրանի միջև հարաբերական շարժումը վերածվում է էլեկտրական ազդանշանի, որը ներկայացնում է տատանումները։ Ըստ չափման հաճախականության դիրքի զանգված-զսպանակ համակարգի բնական հաճախականություն, զգայարանը աշխատում է երկու ռեժիմներից մեկում. ռեզոնանսից վեր զանգվածը ձգտում է մնալ անշարժ տարածության մեջ, և հարաբերական շարժումը հետևում է իրանի տեղաշարժին (դասական սեյսմոմետրի և արագության ընդունիչի ռեժիմ), մինչդեռ ռեզոնանսից ներքև զանգվածի փոքր մնացորդային շեղումը համեմատական է իրանի արագացմանը (ակսելերոմետրի ռեժիմ)։ Հիմնական առանձնահատկությունն այն է, որ հղկման կրում է ներսում զգայարանը, ուստի արտաքին ամրագրված հղկման կետ չի պահանջվում։
«Սեյսմիկ» անվանումը ծագում է երկրաշարժերի գործիքներից. սեյսմոմետրի կախված զանգվածը մնում է համեմատաբար անշարժ, մինչդեռ գետնը շարժվում է նրա տակով։ Մեքենաների մոնիտորինգի դեպքում երկուսն էլ արագության փոխարկիչներ և ակսելերոմետրներ սեյսմիկ տրանսդյուսերներ են այս իմաստով, թեև տերմինը հաճախ կապված է դասական արագության ընդունիչի հետ։
1. Աշխատանքի սկզբունք
Զանգված-Շրջանակ-Մարիչ համակարգ
Յուրաքանչյուր սեյսմիկ տրանսդյուսերը, էությամբ, փոքր մեխանիկական ճոճանակ է՝ չորս ֆունկցիոնալ մասերով.
- Սեյսմիկ զանգված. կալիբրված փորձնական զանգված, որը կախված է զգայարանի իրանի ներսում։
- Շրջանակ՝ մեխանիկական զսպանակներ կամ բարակ ճկուն տարրեր, որոնք հենում են զանգվածը։
- Մարում. օդային, մագնիսական (վրիպակային հոսանքների) կամ հեղուկ մարում, որը մեղմում է ռեզոնանսը։
- Փոխարկում՝ տարր, որը վերածում է զանգվածից-իսկ իրան հարաբերական շարժումը լարման։
Հաճախականային արձագանքման տիրույթներ
Ինչպես է զգայարանը վարվում, ամբողջությամբ կախված է գրգռման հաճախականության դիրքից իր սեփական հաճախականության նկատմամբ — և երկու հիմնական զգայարանների ընտանիքները միտումնավոր աշխատում են ռեզոնանսի հակադիր կողմերում.
- Սեփական հաճախականությունից ցածր (ակսելերոմետրի ռեժիմ). զանգվածը և իրանը շարժվում են էապես միասին, և զանգվածի փոքր մնացորդային շեղումը համեմատական է իրանի արագացում։ Պիեզոէլեկտրական և MEMS ակսելերոմետրները աշխատում են այստեղ, իրենց բարձր մոնտաժված ռեզոնանսից ցածր։
- Սեփական հաճախականության դեպքում. համակարգը ռեզոնանս է մտնում — ելքը ուժեղացված է, բայց խեղաթյուրված և անհուսալի, ուստի ռեզոնանսի մոտ չափումը խուսափում են։
- Սեփական հաճախականությունից բարձր (սեյսմոմետրի ռեժիմ). զանգվածը էապես մնում է տեղում, մինչդեռ իրանը տատանվում է նրա շուրջ, և հարաբերական շարժումը հետևում է իրանի Տեղաշարժ (կամ արագության)։ Տեղաշարժի սեյսմոմետրները և շարժվող կոճի արագության ընդունիչները աշխատում են այստեղ, իրենց ցածր սեփական հաճախականությունից բարձր։
- Օգտագործման միջակայքեր. արագության ընդունիչը սովորաբար օգտագործվում է մոտավորապես 2× իր սեփական հաճախականությունից բարձր, որտեղ նրա արձագանքը կայունացել և հարթ է. ակսելերոմետրը օգտագործվում է զգալիորեն ցածր իր մոնտաժված ռեզոնանսից — սովորաբար մինչև մոտավորապես երրորդ մասը լավ ճշգրտության համար։
2. Սեյսմիկ տրանսդյուսերի տեսակներ
Արագության փոխարկիչներ (շարժվող կոճակով)
- Մագնիսը կախված է զսպանակների վրա ամրագրված կոճի ներսում (կամ հակառակը)։
- Մագնիսի և կոճի միջև հարաբերական արագությունը ստեղծում է լարում էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի միջոցով։
- Սեփական հաճախականությունը սովորաբար 8–15 Hz։
- Օգտագործելի է մոտավորապես 16–30 Hz-ից բարձր։
- Չափում է արագությունը ուղղակիորեն, առանց ազդանշանի ինտեգրման անհրաժեշտության։
Ակսելերոմետրներ
- Պիեզոէլեկտրական տեսակները օգտագործում են պիեզո բյուրեղ զանգվածի իներցիալ ուժը զգալու համար։
- MEMS տեսակները օգտագործում են խտային կամ պիեզոռեզիստիվ զգայարան միկրո-մեքենայական տարրի վրա։
- Զգալիորեն ավելի բարձր (մոնտաժված) սեփական հաճախականություն, սովորաբար 10–30 kHz։
- Տարբերվելով արագության ընդունիչներից, օգտագործվում է ցածր ռեզոնանսից ցածր. օգտագործելի է մոտավորապես 1 Hz-ից մինչև մոտավորապես մոնտաժված ռեզոնանսի հաճախականության երրորդ մասը։
- Չափում է արագացումը, որը կարող է ինտեգրվել արագության կամ տեղաշարժի։
3. Սեյսմիկ և ոչ սեյսմիկ զգայարաններ
Սեյսմիկ ընտանիքը լավագույնս հասկանալի է արտաքին հղկման վրա հիմնված զգայարանների հետ հակադրությամբ։
Սեյսմական զգայարաններ (իներցիոն հղում)
- Ակսելերոմետրներ և արագության տրանսդյուսերներ։
- Չափում են բացարձակ շարժումը իներցիալ տարածության մեջ։
- Մոնտաժվում են ուղղակիորեն տատանվող կառուցվածքի վրա։
- Կրում են իրենց սեփական ներքին զանգվածը որպես հղկման։
- Ամենատարածված ընտրությունը մեքենաների մոնիտորինգի համար։
Ոչ սեյսմական զգայարաններ (արտաքին հղում)
- Մոտեցման զոնդեր (վրիպակային հոսանքների զգայարաններ)։
- Չափում են երկու մակերեսների միջև հարաբերական շարժումը։
- Պահանջում են անշարժ մոնտաժման կետ դիտարկելու համար։
- Սովորաբար չափում են լիսեռի շարժումը առանցքակալի նկատմամբ։
- Ստանդարտ է լիսեռի տատանումների չափման համար մեքենաներում սահքի առանցքակալներ.
4. Սեյսմիկ դիզայնի առավելությունները
Ինքնուրույն հղում
- Արտաքին հղման համակարգ չի պահանջվում։
- Զնդը կարելի է տեղադրել գրեթե ցանկացած վայրում տատանվող կառուցվածքի վրա։
- Այն ցույց է տալիս իրական բացարձակ շարժումը իներցիալ տարածության մեջ։
Բազմակողմանիություն
- Մեկ զնդի տեսակը ծածկում է շատ բազմազան կիրառություններ։
- Հարմար է ինչպես ժամանակավոր հետազոտությունների, այնպես էլ մշտական տեղադրումների համար։
- Հեշտությամբ տեղափոխելի է մեքենայից մեքենա։
Այս բազմակողմանիությունն է պատճառը, որ շարժական սարքերը հենվում են դրանց վրա։ Երկու ալիքանի Balanset-1A, օրինակ, իր չափումները կատարում է առանցքակալի իրաններին ամրացված ակսելերոմետրների միջոցով՝ ինքնահղումային սեյսմիկ զնդեր, որոնք չեն պահանջում ֆիքսված հղման կետ, ուստի ինժեները կարող է արագ տեղափոխվել չափման կետերի և մեքենաների միջև՝ տեղում բալանսավորման ընթացքում։
5. Սահմանափակումներ
Հաճախականային արձագանքման սահմանափակումներ
- Արագության ընդունիչները չեն կարող հուսալիորեն չափել մոտավորապես իրենց սեփական հաճախությունից 2 անգամ ցածր հաճախությունների դեպքում; շարժվող կոճի տեսակները մասնավորապես վատ են արձագանքում 15–20 Hz-ից ցածր հաճախությունների դեպքում։ Կա ներքին հակասություն. ավելի ցածր սեփական հաճախությունը տալիս է ավելի լավ ցածր հաճախականության հասանելիություն, բայց պահանջում է ավելի մեծ, ավելի ծանր զնդ։
- Ակսելերոմետրները կորցնում են ճշգրտությունը, երբ չափման հաճախությունը մոտենում է իրենց տեղադրված ռեզոնանսին; գործնական վերին սահմանը (սովորաբար մոտավորապես տեղադրված ռեզոնանսի մեկ երրորդը) ուժեղ կախված է տեղադրման եղանակից (տե՛ս ISO 5348)։
- Շատ ցածր ծայրամասում ակսելերոմետրի արձագանքը սահմանափակվում է զգայարանային տարրով և ուժեղացուցիչի էլեկտրոնիկայով, այլ ոչ թե սեյսմիկ կախովի համակարգով՝ սովորաբար մինչև մոտավորապես 0,5–1 Hz ստանդարտ արդյունաբերական միավորների համար։
Թափանցում իրանի շարժում
- Զնդը ցույց է տալիս առանցքակալի իրանի շարժումը, ոչ թե ուղղակիորեն լիսեռինը։
- Իրանի տատանումները նույնը չեն, ինչ լիսեռի տատանումները՝ այն ֆիլտրվում է առանցքակալի կոշտությամբ և շրջակա կառուցվածքով։
- Եթե կարևոր է լիսեռի իրական ուղեծիրը, ապա անհրաժեշտ են մոտիկության զոնդեր։
6. Կիրառություններ
Մեքենաների վիճակի մոնիտորինգ
- Առանցքակալի իրանի տատանումների չափումներ։
- Ընդհանուր տատանումների միտումների վերլուծություն։
- Առանցքակալի թերությունների հայտնաբերում.
- Ընդհանուր պտտվող մեքենաների դիագնոստիկա։
Կառուցվածքային տատանումներ
- Կառույցների և հիմքերի տատանումների հետազոտություններ։
- Երկրաշարժերի սեյսմիկ մոնիտորինգ։
- Մեքենաներից ճառագայթվող գետնային տատանումներ։
Մոդալ վերլուծություն
- Կառուցվածքի արձագանքի չափումը կալիբրված ազդեցությանը։
- Որոշել սեփական հաճախություններ և մոդային ձևեր.
- Կառուցել հաճախականային արձագանքի ֆունկցիաներ օգտագործվում է մոդալ վերլուծություն.
Սեյսմիկ զնդերը՝ օգտագործելով ներքին կախովի զանգվածը որպես իներցիալ հղում, կազմում են պտտվող մեքենաների վրա տատանումների չափման հիմքը։ Սեյսմիկ սկզբունքը հասկանալը՝ թե ինչպես է կախովի զանգվածը հնարավորություն տալիս չափել բացարձակ շարժումը, և թե ինչու են արագության ընդունիչները աշխատում իրենց սեփական հաճախությունից վեր, մինչդեռ ակսելերոմետրները՝ իրենց տեղադրված ռեզոնանսից ներքև, բացատրում է այս երկու անբաժանելի աշխատանքային սարքերի ուժեղ կողմերն ու սահմանափակումները ցանկացած արդյունաբերական տատանումների վերլուծության ծրագրի համար։
