Разбирање на пиезоелектричните акцелерометри
A пиезоелектричен акцелерометар е вибрации сензор што го искористува пиезоелектричниот ефект — својството по кое одредени кристали генерираат електричен полнеж кога се механички напрегнати — за да ја претвори механичката забрзување во електричен сигнал пропорционален на амплитудата на вибрациите. Кога сензорот забрзува, внатрешна сеизмичка маса притиска или смолкнува пиезоелектричен елемент, а добиениот полнеж или напон се кондиционира и се дава на излез како мерен сигнал. Благодарение на широкиот фреквентен опсег (приближно 0,5 Hz до 50+ kHz), високата чувствителност, робусноста и самогенерирачкиот сензорски елемент што не бара надворешно напојување, пиезоелектричниот акцелерометар е најшироко користениот сензор за вибрации во индустријата и основата на модерната анализа на вибрации и следењето на состојбата.
1. Пиезоелектричниот ефект
Физички принцип
- Одредени кристали (кварц, турмалин) и керамики (PZT, бариум титанат) се пиезоелектрични.
- Механичкиот напон генерира електричен полнеж на површините на кристалот.
- Полнежот е пропорционален на приложената сила.
- Ефектот е повратен — приложувањето напон предизвикува елементот да се деформира.
- Тој е самогенерирачки, така што не е потребно напојување за да се произведе самиот полнеж.
Внатре во акцелерометарот
Синџирот од движење до сигнал е краток и директен:
- Вибрациите ја забрзуваат основата и куќиштето на сензорот.
- Внатрешната сеизмичка маса доживува сила, F = m × a.
- Таа сила го напрега пиезоелектричниот кристал.
- Кристалот генерира полнеж пропорционален на силата, а со тоа и на забрзувањето.
- Полнежот се собира на електроди и се претвора во мерлив сигнал.
Бидејќи излезот го следи забрзувањето, истиот сигнал може електронски да се интегрира во брзина за анализа на дефекти на средни фреквенции, или користен директно за работа на високи фреквенции.
2. Типови според внатрешниот дизајн
Начинот на кој кристалот е оптоварен од сеизмичката маса го дефинира карактерот на сензорот.
- Компресиски тип: најчестиот дизајн, со кристалот стиснат меѓу масата и основата. Робусен, со широк температурен опсег, погоден е за груби средини — но може да биде почувствителен на деформација на основата и на термички преодни појави.
- Смолкнувачки тип: кристалот е смолкнат од движењето на масата. Оваа геометрија дава одлична изолација од деформација на основата, подобар одѕив на ниски фреквенции и ниска чувствителност на температурни преодни појави, поради што акцелерометар со смолкнување е првокласниот избор за најзахтевните мерења.
- Флексурен (свиткувачки) тип: кристалот работи на свиткување, овозможувајќи многу висока чувствителност, но е помалку робустен и поретко застапен во индустриска употреба.
3. Типови според електрониката
Втората класификација се однесува на тоа дали електрониката за кондиционирање на сигналот се наоѓа внатре во сензорот или надвор од него.
- Режим на полнеж: излезот е суров полнеж во пикокулони, за што е потребен надворешен полначки засилувач. Излезот со висока импеданса е чувствителен на движење на кабелот и на трибоелектричен шум, но без внатрешна електроника овие сензори поднесуваат екстремни температури (до околу 650 °C), што ги прави незаменливи за специјализирани апликации со висока топлина.
- IEPE / ICP (напонски режим): вградената електроника го претвора полнежот во напон со ниска импеданса. IEPE интерфејсот — исто така опишан како акцелерометар со напонски излез — е индустриски стандард, кој нуди едноставна двожична поврзливост и одличен имунитет на шум. Опслужува добро над 95 % од индустриските апликации.
4. Спецификации за перформанси
Чувствителност
Чувствителност е излезот по единица забрзување — типично 10–100 mV/g за IEPE сензори, или 1–100 pC/g за режим на полнеж. Повисоката чувствителност дава пофина резолуција, но понизок максимален опсег, така што вредноста се избира да одговара на очекуваните нивоа на вибрации; калкулатор за чувствителност на сензор за вибрации помага да се претвора меѓу излезен напон и соодветното забрзување.
Фреквентен опсег
- Ниска фреквенција: долна граница од околу 0,5–5 Hz, поставена од електрониката.
- Висока фреквенција: горна граница од 5–50 kHz, определена од монтираната резонанца.
- Употреблив опсег: за точност на амплитудата од неколку проценти, до околу една петтина (20%) од монтираната резонанца фреквенција, според ISO 5348; една третина од резонанцата е само груба гранична проверка, при што отчитувањето на амплитудата е веќе околу 10–12% повисоко.
- Ефект на монтирање: методот на монтирање силно го ограничува остварливиот високофреквентен одѕив.
Амплитуден опсег и динамички опсег
- Општа намена: ±50 g до ±500 g.
- Висока чувствителност: ±5 g до ±50 g.
- Сензори за удар: ±500 g до ±10,000 g.
Сигналот никогаш не смее да го надмине опсегот на сензорот, инаку ќе се исече (ќе клипува) и може да го оштети елементот; широк динамички опсег овозможува еден сензор да ги разложи и слабите тонови на лежиштето и силните вибрации при работната брзина во истото мерење.
5. Критериуми за избор
Усогласувањето на сензорот со задачата е срцето на добра мерна поставка.
- Мониторинг на општи машини: IEPE акселерометар од 100 mV/g со опсег од ±50 g, одѕив од 1 Hz–10 kHz, индустриски температурен ранг (−40 до +120 °C) и херметичко запечатување.
- Откривање на дефекти на лежиштата: повисок фреквентен одѕив (до 20+ kHz) за да се фатат фреквенции на дефекти на лежиштата, умерена чувствителност (10–50 mV/g), широк динамички опсег и монтирање со завртка за најдобра високофреквентна спрега — вистинската комбинација за фаќање на почетно дефекти на лежишта.
- Високотемпературни примени: високотемпературен IEPE (до околу 175 °C) или режим на полнеж (до околу 650 °C), со специјално монтирање и каблирање, прифаќајќи одреден компромис во перформансите заради температурната способност.
6. Монтирање и инсталација
Монтажниот интерфејс е дел од мерниот систем: тој ја одредува монтажната резонанца, а со тоа и високофреквентната граница. Од најдобро до најлошо:
- Монтажа со завртка: најдобра спрега, рамна до 10+ kHz.
- Лепило: добра, рамна до приближно 7–8 kHz.
- Магнетно: прифатлива, рамна до околу 2–3 kHz.
- Сонда / рачно: слаба — ограничена на ниски фреквенции и квалитативни отчитувања.
За веродостојни високофреквентни податоци површината мора да биде чиста и рамна, завртката правилно затегната, кој било слој лепило тенок и рамномерен, магнетната основа целосно налегната, а кабелот прицврстен за да се спречи повлекување. калкулаторот за монтажна резонанца проценува каде завршува употребливиот опсег на секој метод; за трајно инсталирани сензори, принципите на правилно монтирање на сензорот се кодифицирани во ISO 5348.
На терен, овие сензори се влезниот дел на секој преносен анализатор. Двоканален инструмент како што е Balanset-1A го фаќа истиот синхронизиран амплитуден и фазен сигнал — користејќи два аналогни MEMS акселерометри испорачани со комплетот наместо IEPE пиезо сензори — како што е потребно за едно- и двораменско балансирање и за рутинска дијагностика во сопствените лежишта на машината при работна брзина. Заедно со сензорот за близина и брзински претворувач, пиезоелектричниот акселерометар е еден од трите главни вибрациски претворувачи — и убедливо најсестраниот, поради што останува столб на индустрискиот мониторинг на вибрации, дијагностиката и балансирањето низ целиот свет.
