Pjezoelektrinių akselerometrų supratimas
A pjezoelektrinis akselerometras yra vibracija jutiklis, kuris naudoja pjezoelektrinį efektą - savybę, dėl kurios tam tikri kristalai, veikiami mechaninės apkrovos, generuoja elektros krūvį, - kad paverstų mechaninius pagreitis į elektrinį signalą, proporcingą vibracijos amplitudei. Kai jutiklis pagreitėja, vidinė seisminė masė suspaudžia arba sutraukia pjezoelektrinį elementą, o susidaręs krūvis arba įtampa yra kondicionuojama ir išvedama kaip matavimo signalas. Dėl plataus dažnių diapazono (maždaug nuo 0,5 Hz iki daugiau kaip 50 kHz), didelio jautrumo, tvirtumo ir savaime generuojančio jutiklio elemento, kuriam nereikia išorinio maitinimo, pjezoelektrinis akselerometras yra plačiausiai pramonėje naudojamas vibracijos jutiklis ir šiuolaikinių technologijų pagrindas. vibracijos analizė ir būklės stebėjimas.
1. Pjezoelektrinis efektas
Fizinis principas
- Kai kurie kristalai (kvarcas, turmalinas) ir keramika (PZT, bario titanatas) yra pjezoelektriniai
- Dėl mechaninio įtempimo kristalo paviršiuje susidaro elektros krūvis.
- Įkrova yra proporcinga veikiančiai jėgai.
- Poveikis yra grįžtamasis - prijungus įtampą elementas deformuojasi.
- Tai savigeneruojantis elementas, todėl pačiam krūviui generuoti maitinimo nereikia.
Akcelerometro vidus
Grandinė nuo judesio iki signalo yra trumpa ir tiesioginė:
- Vibracija pagreitina jutiklio pagrindą ir korpusą.
- Vidinė seisminė masė patiria jėgą F = m × a.
- Ši jėga įtempia pjezoelektrinį kristalą.
- Kristalas sukuria krūvį, proporcingą jėgai, taigi ir pagreičiui.
- Elektrodai surenka krūvį ir paverčia jį išmatuojamu signalu.
Kadangi išėjimas seka pagreitį, tą patį signalą galima elektroniniu būdu integruoti į greitis vidutinio dažnio gedimų analizei arba tiesiogiai naudojami aukšto dažnio darbams.
2. Tipai pagal vidaus dizainą
Tai, kaip kristalą veikia seisminė masė, lemia jutiklio savybes.
- Suspaudimo tipas: labiausiai paplitusi konstrukcija, kai kristalas suspaustas tarp masės ir pagrindo. Tvirta, pasižymi plačiu temperatūros diapazonu, todėl tinka atšiaurioms sąlygoms, tačiau gali būti jautresnė pagrindo įtempiams ir šiluminiams pereinamiesiems procesams.
- Šlyties tipas: kristalą veikia masės judėjimo sukeliama šlytis. Tokia geometrija užtikrina puikią pagrindo deformacijų izoliaciją, geresnį žemų dažnių atsaką ir mažą jautrumą temperatūros pereinamiesiems procesams, todėl šlyties akselerometras yra aukščiausios kokybės pasirinkimas reikliems matavimams.
- Lankstymo (lenkimo) tipas: kristalas veikia lenkimo būdu, todėl galima pasiekti labai didelį jautrumą, tačiau jis yra mažiau tvirtas ir rečiau naudojamas pramonėje.
3. Tipai pagal elektroniką
Antroji klasifikacija susijusi su tuo, ar signalo kondicionavimo elektronika yra jutiklio viduje, ar išorėje.
- Krūvio režimas: išvestis yra neapdorotas krūvis pikokuliombais, todėl reikia išorinio įkrovimo stiprintuvas. Didelio impedanso išėjimas yra jautrus kabelio judėjimui ir triboelektrinis triukšmas, tačiau be vidinės elektronikos šie jutikliai toleruoja ekstremalias temperatūras (iki maždaug 650 °C), todėl jie yra nepakeičiami specializuotose didelio karščio taikymo srityse.
- IEPE / ICP (įtampos režimas): įmontuota elektronika paverčia krūvį mažos varžos įtampa. IEPE sąsaja - taip pat apibūdinama kaip įtampos režimo akselerometras - yra pramonės standartas, siūlantis paprastą dviejų laidų ryšį ir puikų atsparumą triukšmui. Jis puikiai tinka daugiau kaip 95 % pramoninėms programoms.
4. Eksploatacinės specifikacijos
Jautrumas
Jautrumas yra išvestis pagreičio vienetui - paprastai 10-100 mV/g IEPE jutikliams arba 1-100 pC/g įkrovos režimui. Didesnis jautrumas užtikrina geresnę skiriamąją gebą, bet mažesnį didžiausią diapazoną, todėl šis skaičius pasirenkamas taip, kad atitiktų numatomus virpesių lygius. vibracijos jutiklio jautrumo skaičiuoklė padeda konvertuoti išėjimo įtampą į atitinkamą pagreitį.
Dažnių diapazonas
- Žemo dažnio: elektronikos nustatyta apatinė riba yra apie 0,5-5 Hz.
- Aukštas dažnis: viršutinė riba - 5-50 kHz, nustatoma pagal sumontuotą rezonansas.
- Naudojimo diapazonas: kelių procentų amplitudės tikslumui užtikrinti — iki maždaug penktadalio (20%) sumontuoto rezonanso dažnis, pagal ISO 5348; trečdalis rezonanso yra tik apytikslė pirminio tikrinimo riba, o amplitudės rodmuo jau būna apie 10–12% per didelis.
- Montavimo poveikis: montavimo būdas labai apriboja pasiekiamą aukšto dažnio atsaką.
Amplitudės diapazonas ir dinaminis diapazonas
- Bendroji paskirtis: nuo ±50 g iki ±500 g.
- Didelis jautrumas: nuo ±5 g iki ±50 g.
- Smūgio jutikliai: nuo ±500 g iki ±10 000 g.
Signalas niekada neturi viršyti jutiklio diapazono, kitaip jis bus apkarpytas ir gali sugadinti elementą; platus dinaminis diapazonas leidžia vienam jutikliui tuo pačiu matavimu atskirti ir silpnus guolių tonus, ir stiprią darbinio sukimosi dažnio vibraciją.
5. Atrankos kriterijai
Geros matavimo sąrankos pagrindas - jutiklio ir darbo suderinimas.
- Bendroji mašinų stebėsena: 100 mV/g IEPE akcelerometras su ±50 g diapazonu, 1 Hz-10 kHz atsaku, pramoninės temperatūros klase (nuo -40 iki +120 °C) ir hermetišku sandarinimu.
- Guolių defektų nustatymas: aukštesnio dažnio atsaką (iki 20 ir daugiau kHz), kad būtų galima užfiksuoti guolių gedimų dažniai, vidutinis jautrumas (10-50 mV/g), platus dinaminis diapazonas ir tvirtinimas smeige, užtikrinantis geriausią aukštųjų dažnių sujungimą - tinkamas derinys prasidedantiems guolių defektai.
- Aukštos temperatūros taikymo sritys: aukštos temperatūros IEPE (iki maždaug 175 °C) arba įkrovimo režimu (iki maždaug 650 °C), naudojant specialų montavimą ir kabelius, priimant tam tikrą kompromisą dėl našumo ir temperatūros.
6. Montavimas ir įrengimas
Montavimo sąsaja yra matavimo sistemos dalis: ji nustato montuojamo įrenginio rezonansą, taigi ir aukšto dažnio ribą. Nuo geriausio iki blogiausio:
- Strypų tvirtinimas: geriausias sukibimas, lygus iki 10 ir daugiau kHz.
- Klijai: geras, plokščias iki maždaug 7-8 kHz.
- Magnetinis: priimtinas, plokščias iki maždaug 2-3 kHz.
- Zondas / rankinis: prastas - apsiriboja žemais dažniais ir kokybiniais rodmenimis.
Norint gauti patikimus aukšto dažnio duomenis, paviršius turi būti švarus ir lygus, srieginis kaištis turi būti tinkamai priveržtas, klijų sluoksnis - plonas ir tolygus, magnetinis pagrindas - visiškai prigludęs, o kabelis - pritvirtintas taip, kad jo netrauktų. montavimo rezonanso skaičiuoklė įvertina, kur baigiasi kiekvieno metodo naudingoji juosta; nuolat sumontuotų jutiklių atveju teisingo montavimo principai jutiklio montavimas yra kodifikuoti ISO 5348.
Lauke šie jutikliai yra kiekvieno nešiojamojo analizatoriaus priekinė dalis. Dviejų kanalų prietaisas, pvz. Balanset-1A užfiksuoja tą pačią sinchronizuotą amplitudę ir fazę — naudodamas su rinkiniu tiekiamus du analoginius MEMS akselerometrus vietoj IEPE pjezojutiklių — kaip reikia vienos ir dviejų plokštumų balansavimas ir įprastinei pačios mašinos guolių diagnostikai, kai mašina veikia darbiniu greičiu. Kartu su artumo zondu ir greičio keitiklis, pjezoelektrinis akselerometras yra vienas iš trijų pagrindinių vibracijos keitiklių - ir yra pats universaliausias, todėl jis ir toliau išlieka pramoninės vibracijos stebėsenos, diagnostikos ir balansavimo pagrindas visame pasaulyje.
