Pjezoelektrisko akselerometru izpratne
A pjezoelektriskais akselerometrs ir vibrācija sensors, kas izmanto pjezoelektrisko efektu — īpašību, kuras dēļ noteikti kristāli mehāniski deformējoties rada elektrisko lādiņu —, lai pārvērstu mehānisko paātrinājums elektriskā signālā, kas ir proporcionāls vibrācijas amplitūdai. Kad sensors paātrinās, iekšējā seismiskā masa saspiež vai deformē pjezoelektrisko elementu, un rezultātā radušos lādiņu vai spriegumu apstrādā un izvada kā mērījumu signālu. Pateicoties plašajam frekvenču diapazonam (aptuveni no 0,5 Hz līdz 50+ kHz), augstajai jutībai, izturībai un pašģenerējošajam sensora elementam, kam nav nepieciešams ārējs enerģijas avots, pjezoelektriskais akselerometrs ir visplašāk izmantotais vibrācijas sensors rūpniecībā un mūsdienu vibrācijas analīze un stāvokļa uzraudzība.
1. Pjezoelektriskais efekts
Fizikālais princips
- Daži kristāli (kvarcs, turmalīns) un keramika (PZT, bārija titanāts) ir pjezoelektriski.
- Mehāniska slodze rada elektrisko lādiņu uz kristāla virsmām.
- Lādiņš ir proporcionāls pieliktajam spēkam.
- Šis efekts ir atgriezenisks — sprieguma pielikšana izraisa elementa deformāciju.
- Tas darbojas ar pašģenerēto enerģiju, tāpēc lādiņa radīšanai nav nepieciešama ārēja enerģija.
Akcelerometra iekšpusē
Ceļš no kustības līdz signālam ir īss un tiešs:
- Vibrācija izraisa sensora pamatnes un korpusa svārstības.
- Iekšējai seismiskajai masai iedarbojas spēks F = m × a.
- Šī spēka iedarbībā piezoelektriskais kristāls tiek sasprindzināts.
- Kristāls rada lādiņu, kas ir proporcionāls spēkam un tādējādi arī paātrinājumam.
- Lādiņš uzkrājas uz elektrodiem un tiek pārvērsts izmērāmā signālā.
Tā kā izejas signāls atspoguļo paātrinājumu, šo pašu signālu var elektroniski integrēt, lai ātrums vidējo frekvenču kļūdu analīzei vai tieši augstfrekvences darbiem.
2. Tipi pēc iekšējās uzbūves
Veids, kādā kristāls tiek noslogots ar seismisko masu, nosaka sensora īpašības.
- Saspiešanas veids: visizplatītākais izpildījums, kurā kristāls ir iespiests starp masīvo daļu un pamatni. Tas ir izturīgs, piemērots plašam temperatūru diapazonam un piemērots nelabvēlīgiem apstākļiem, taču var būt jutīgāks pret pamatnes deformācijām un straujām temperatūras svārstībām.
- Shear type: kristāls tiek deformēts masas kustības rezultātā. Šī ģeometrija nodrošina izcilu pamatnes deformācijas izolāciju, labāku zemas frekvences reakciju un zemu jutību pret temperatūras svārstībām, tāpēc šķērsvirziena akselerometrs ir labākā izvēle prasīgiem mērījumiem.
- Lieces (saliekuma) tips: kristāls darbojas, liecoties, nodrošinot ļoti augstu jutību, taču tas ir mazāk izturīgs un rūpniecībā tiek izmantots retāk.
3. Tipi pēc elektronikas
Otrais klasifikācijas kritērijs ir tas, vai signāla apstrādes elektronika atrodas sensora iekšienē vai ārpus tā.
- Lādiņa režīms: izvades lielums ir neapstrādāts lādiņš pikokoulomos, kam nepieciešams ārējs lādiņa pastiprinātājs. Augstas pretestības izeja ir jutīga pret kabeļa kustību un triboelektriskais troksnis, taču, tā kā tajos nav iekšējās elektronikas, šie sensori iztur ārkārtējas temperatūras (līdz aptuveni 650 °C), tādēļ tie ir neaizstājami specializētos lietojumos, kur nepieciešama augsta temperatūra.
- IEPE / ICP (sprieguma režīms): iebūvēta elektronika pārveido lādiņu par zemas pretestības spriegumu. Tas IEPE saskarnes — ko dēvē arī par sprieguma režīma akselerometrs — ir nozares standarts, kas nodrošina vienkāršu divvadu savienojumu un izcilu pretestību pret traucējumiem. Tas ir piemērots vairāk nekā 95 % rūpniecisko lietojumu.
4. Tehniskie parametri
Jutīgums
Jutīgums ir izejas signāls uz paātrinājuma vienību — parasti 10–100 mV/g IEPE sensoriem vai 1–100 pC/g lādiņa režīmā. Augstāka jutība nodrošina precīzāku izšķirtspēju, taču mazāku maksimālo diapazonu, tāpēc šo rādītāju izvēlas atbilstoši paredzamajiem vibrāciju līmeņiem; vibrācijas sensora jutības aprēķinātājs palīdz pārvērst izejas spriegumu atbilstošā paātrinājumā.
Frekvenču diapazons
- Zema frekvence: apakšējā robeža apmēram 0,5–5 Hz, ko nosaka elektronika.
- Augsta frekvence: augšējā robeža 5–50 kHz, ko nosaka uzstādītais rezonanse.
- Usable range: parasti aptuveni līdz vienai trešdaļai rezonanses frekvence, kur reakcija nemainās.
- Uzstādīšanas efekts: uzstādīšanas veids ievērojami ierobežo sasniedzamo augstfrekvences reakciju.
Amplitūdas diapazons un dinamiskais diapazons
- Vispārīgai lietošanai: no ±50 g līdz ±500 g.
- Augsta jutība: no ±5 g līdz ±50 g.
- Trieciena sensori: no ±500 g līdz ±10 000 g.
Signālam nekad nedrīkst pārsniegt sensora darbības diapazonu, jo pretējā gadījumā tas tiks nogriezts un var sabojāt elementu; plašs dynamic range ļauj vienam sensoram vienā mērījumā uztvert gan vājas virziena signālus, gan spēcīgas vibrācijas, kas rodas braukšanas ātruma dēļ.
5. Atlases kritēriji
Sensora piemērošana konkrētajam uzdevumam ir labas mērījumu sistēmas pamatā.
- Vispārējā iekārtu uzraudzība: 100 mV/g IEPE akselerometrs ar diapazonu ±50 g, frekvenču diapazonu 1 Hz–10 kHz, darba temperatūras diapazonu (no −40 līdz +120 °C) un hermētisku korpusu.
- Gultņu defektu noteikšana: plašāks frekvenču diapazons (līdz 20+ kHz), lai ierakstītu gultņu defektu frekvences, vidēja jutība (10–50 mV/g), plašs dinamiskais diapazons un stiprinājums ar tapām, kas nodrošina optimālu augstfrekvences signāla pārnesi — ideāla kombinācija, lai uztvertu sākotnējās gultņu defekti.
- Lietošana augstā temperatūrā: augsttemperatūras IEPE (līdz aptuveni 175 °C) vai uzlādes režīms (līdz aptuveni 650 °C), ar īpašu montāžu un vadu izvietojumu, pieņemot zināmu veiktspējas kompromisu par labu temperatūras izturībai.
6. Montāža un uzstādīšana
Stiprinājuma savienojums ir mērīšanas sistēmas sastāvdaļa: tas nosaka uzstādīto rezonansi un tādējādi augstfrekvences robežu. No labākā līdz sliktākajam:
- Stud mount: labākais savienojums, līdzena līdz 10+ kHz.
- Līme: labs, līdzenas līdz aptuveni 7–8 kHz.
- Magnētiskais: pieņemams, līdzena līdz aptuveni 2–3 kHz.
- Zonde / rokas ierīce: nepilnīgs — attiecas tikai uz zemajām frekvencēm un kvalitatīviem rādījumiem.
Lai nodrošinātu uzticamus augstfrekvences datus, virsmai jābūt tīrai un līdzenai, stiprinājuma skrūvei jābūt pareizi pievilktai, līmes slānim jābūt plānam un vienmērīgam, magnētiskajai pamatnei jābūt pilnībā piestiprinātai, un kabelim jābūt nostiprinātam, lai novērstu tā izvilkšanu. rezonanses aprēķināšanas kalkulators novērtē, kur beidzas katras metodes izmantojamā josla; pastāvīgi uzstādītiem sensoriem pareizas sensoru montāža ir kodificēti ISO 5348.
Laukos šie sensori ir katra portatīvā analizatora priekšējā daļa. Divkanālu mērinstruments, piemēram, Balanset-1A izmanto IEPE akselerometrus, lai reģistrētu sinhronizēto amplitūdu un fāzi, kas nepieciešama vienplaknes un divplaknes līdzsvarošana kā arī ikdienas diagnostikai mašīnas gultņos darba ātrumā. Kopā ar tuvinājuma sensoru un ātruma devējs, pjezoelektriskais akselerometrs ir viens no trim galvenajiem vibrācijas transducers — un neapšaubāmi visdaudzpusīgākais, tāpēc tas joprojām ir rūpnieciskās vibrāciju uzraudzības, diagnostikas un balansēšanas pamatā visā pasaulē.
