地震探触子の理解
A 地震用トランスデューサー — 地震センサーまたは慣性トランスデューサーとも呼ばれます — は 振動 ばねや柔軟な支持機構で吊られた内部地震質量（「プルーフマス」）を慣性基準として用い、センサーベースの絶対運動を測定できるセンサーです。ハウジングが振動すると、吊られた質量とハウジングの相対運動が電気信号に変換され、その信号が振動を表します。測定周波数がその質量ばね系の 固有振動数に対してどこにあるかによって、センサーは 2 つの動作領域のいずれかで働きます。共振より上では質量は空間内でほぼ静止し、相対運動はハウジング変位に追従します（古典的な地震計および速度ピックアップ領域）。一方、共振より下では質量の小さな残留たわみがハウジング加速度に比例します（加速度計領域）。決定的な特徴は、基準が内部に保持されていることです 内部 センサー内部に内蔵されているため、固定した外部基準点が不要なことです。
“地震式”という名称は地震計測に由来しています。地震計では、地盤が大きく揺れても懸架された質量は比較的静止したままです。機械の状態監視においても、 速度変換器 そして 加速度センサー はこの意味において地震式トランスデューサーですが、この用語は主に従来型の速度ピックアップに関連して使用されます。
1.動作原理
マス・スプリング・ダンパーシステム
すべての地震式トランスデューサーは、本質的には4つの機能部品から構成される小型の機械発振器です。
- Seismic mass: センサーハウジング内部に懸架された校正済みプルーフマス。
- バネ： 質量を支持する機械バネまたは薄型フレクシャー。
- ダンピング: 共振を抑制する空気式、磁気式（渦電流式）、または流体式のダンピング。
- 伝達: 質量とハウジング間の相対運動を電圧に変換する素子。
周波数応答領域
センサーの挙動は、加振周波数がその固有振動数に対してどこに位置するかで完全に決まり、2 つの主要なセンサーファミリーは意図的に共振の反対側で動作するよう設計されています。
- 固有振動数より下（加速度計領域）: 質量とハウジングはほぼ一体で動き、質量のわずかな残留たわみはハウジングの 加速度に比例します。圧電式および MEMS 加速度計はここで、取り付け時共振より十分低い領域で動作します。
- 固有振動数において： 系は共振し、出力は増幅されますが歪み、不確かになるため、共振付近での測定は避けます。
- 固有振動数より上（地震計領域）: 質量は実質的に静止したままで、その周囲でハウジングが振動し、相対運動はハウジングの 変位 （または速度）に追従します。変位型地震計およびムービングコイル式速度ピックアップはここで、低い固有振動数より上の領域で動作します。
- Usable ranges: 速度ピックアップは通常、応答が落ち着いて平坦になる固有振動数のおよそ 2 倍以上で使用されます。一方、加速度計は良好な精度を得るため、取り付け時共振の十分下、通常はその約 3 分の 1 までで使用されます。
2. 地震型トランスデューサの種類
速度変換器（可動コイル型）
- 固定されたコイル内部（またはその逆）に、マグネットがばねで吊り下げられています。
- マグネットとコイルの相対速度により、電磁誘導によって電圧が発生します。
- 固有周波数は通常8〜15 Hzです。
- 大約 16–30 Hz 以上で使用可能。
- 速度を直接測定し、信号積分が不要。
加速度計
- 圧電 圧電素子を使用して質量の慣性力を検出するタイプもあります。
- MEMSタイプは、マイクロ加工素子上の静電容量式または圧電抵抗式センシングを使用します。
- （取り付け時の）固有振動数ははるかに高く、通常 10–30 kHz。
- 速度ピックアップとは異なり、次で使用されます 以下 共振: 約 1 Hz から取り付け時共振周波数の約 3 分の 1 まで使用可能。
- 加速度を計測し、速度または変位に積分することができます。
3. 地震計型 vs. 非地震計型センサ
地震型センサファミリは、外部基準点に依存するセンサとの対比によって最もよく理解できます。
地震センサー（慣性基準）
- 加速度計および速度トランスデューサ。
- 慣性空間における絶対運動を計測します。
- 振動する構造体に直接取り付けます。
- 基準として機能する内部質量を内蔵しています。
- 機械状態監視において最も一般的な選択肢です。
非地震センサー（外部参照）
- 近接プローブ (渦流センサ)。
- 2つの表面間の相対的な動きを計測する。
- 計測を行うための固定した取付点が必要です。
- 通常、軸受に対するシャフトの相対運動を計測します。
- 以下のような機械のシャフト振動計測における標準仕様 ジャーナルベアリング.
4. 地震型設計の利点
自己完結型のリファレンス
- 外部の基準座標系は必要ありません。
- センサーは、振動する構造物のほぼどこにでも取り付けることができます。
- 慣性空間における真の絶対運動を出力します。
汎用性
- 1つのセンサタイプで多くのアプリケーションに対応します。
- 一時的な調査にも恒久設置にも対応します。
- 機械から機械へ容易に持ち運べます。
この汎用性こそ、ポータブル計測器がこれらのセンサーを採用する理由です。2チャンネルの バランセット-1Aは、例えば、軸受ハウジングに固定した加速度センサーから計測値を取得します。これらは自己基準型の地震式センサーであり、固定基準点を必要としないため、エンジニアは現場バランシングを行いながら、計測ポイントと機械間を素早く移動できます。
5.制限事項
周波数応答の制限
- 速度ピックアップは、固有振動数のおよそ 2 倍より低い領域では信頼性の高い測定ができません。特にムービングコイル式は 15–20 Hz 未満で応答が悪くなります。ここには本質的なトレードオフがあります。固有振動数を低くすると低周波への対応は改善しますが、より大きく重いセンサーが必要になります。
- 加速度計は、測定周波数が取り付け時共振に近づくにつれて精度が低下します。実用上の上限（通常は取り付け時共振の約 3 分の 1）は、取り付け方法に大きく依存します（ISO 5348 を参照）。
- 極低周波側では、加速度計の応答は地震質量の支持機構ではなく、検出素子と増幅器電子回路によって制限されます。標準的な産業用ユニットでは通常 0.5–1 Hz 程度までです。
ハウジングの動きを測定する
- センサーは軸受ハウジングの動きを出力するものであり、シャフトそのものの動きではありません。
- ハウジングの振動はシャフトの振動とは異なり、軸受剛性および周囲の構造によってフィルタリングされています。
- 真のシャフト軌道が重要な場合は、代わりに近接プローブが必要です。
6. 応用分野
機械状態監視
- ベアリングハウジング振動計測。
- 総合振動トレンド分析。
- Bearing-defect detection.
- 回転機械の一般診断。
構造振動
- 建物および基礎の振動調査。
- 地震の地震観測。
- 機械から放射される地盤伝播振動。
モーダル解析
内部に吊り下げられた質量を慣性基準として用いる地震式変換器は、回転機械の振動測定の基盤を成しています。地震原理、すなわち吊り下げ質量がいかに絶対運動測定を可能にし、なぜ速度ピックアップは固有振動数より上で、加速度計は取り付け時共振より下で動作するのかを理解することで、工業用振動分析プログラムのこの 2 つの主力センサーの強みと限界の両方が説明できます。
