Forstå piezoelektriske akselerometre
A piezoelektrisk akselerometer er en vibrasjon en sensor som utnytter den piezoelektriske effekten – egenskapen som gjør at visse krystaller genererer elektrisk ladning når de utsettes for mekanisk belastning – for å omdanne mekanisk akselerasjon til et elektrisk signal som er proporsjonalt med vibrasjonsamplituden. Når sensoren akselererer, komprimerer eller skjærer en innebygd seismisk masse et piezoelektrisk element, og den resulterende ladningen eller spenningen bearbeides og sendes ut som et målesignal. Takket være et bredt frekvensområde (omtrent 0,5 Hz til 50+ kHz), høy følsomhet, robusthet og et selvgenererende sensorelement som ikke trenger ekstern strøm, er det piezoelektriske akselerometeret den mest brukte vibrasjonssensoren i industrien og grunnlaget for moderne vibrasjonsanalyse og tilstandsovervåking.
1. Den piezoelektriske effekten
Fysisk prinsipp
- Enkelte krystaller (kvarts, turmalin) og keramikk (PZT, bariumtitanat) er piezoelektriske
- Mekanisk belastning skaper en elektrisk ladning på krystallets overflater.
- Ladningen er proporsjonal med den påførte kraften.
- Effekten er reversibel – når det tilføres spenning, deformeres elementet.
- Den genererer strøm selv, så det trengs ikke strøm for å produsere ladningen.
Inne i akselerometeret
Kjeden fra bevegelse til signal er kort og direkte:
- Vibrasjonen setter sensorens sokkel og hus i bevegelse.
- Den indre seismiske massen utsettes for en kraft, F = m × a.
- Den kraften belaster det piezoelektriske krystallet.
- Krystallen genererer en ladning som står i forhold til kraften, og dermed til akselerasjonen.
- Ladningen samles opp på elektroder og omdannes til et målbart signal.
Siden utgangssignalet følger akselerasjonen, kan det samme signalet integreres elektronisk for å hastighet til feilanalyse i mellomfrekvensområdet, eller brukes direkte til arbeid i høyfrekvensområdet.
2. Typer etter innvendig utforming
Måten krystallen belastes av den seismiske massen på, bestemmer sensorens egenskaper.
- Kompresjonstype: Den vanligste utformingen, der krystallen er klemt mellom massen og sokkelen. Den er robust og tåler store temperatursvingninger, noe som gjør den egnet for tøffe miljøer – men den kan være mer følsom for belastning på sokkelen og termiske svingninger.
- Shear type: krystallen blir utsatt for skjærkreftene fra massens bevegelse. Denne geometrien gir utmerket isolasjon mot basestress, bedre lavfrekvensrespons og lav følsomhet for temperaturendringer, og det er grunnen til at skjærakselerometer er det beste valget for krevende målinger.
- Bøyetype: Krystallet fungerer ved bøyning, noe som gir svært høy følsomhet, men det er mindre robust og mindre vanlig i industriell bruk.
3. Typer etter elektronikk
Den andre inndelingen handler om hvorvidt signalbehandlingselektronikken er plassert inne i sensoren eller utenfor den.
- Lademodus: Utgangssignalet er en rå ladning i pikokoulomb, noe som krever en ekstern ladeforsterker. Utgangen med høy impedans er følsom for kabelbevegelser og triboelektrisk støy, men siden de ikke har noen innebygd elektronikk, tåler disse sensorene ekstreme temperaturer (opp til ca. 650 °C), noe som gjør dem uunnværlige i spesialiserte bruksområder med høy varme.
- IEPE / ICP (spenningsmodus): Den innebygde elektronikken omformer ladningen til en spenning med lav impedans. Den IEPE grensesnitt — også beskrevet som et spenningsdrevet akselerometer — er bransjestandarden, og tilbyr enkel to-lednings tilkobling og utmerket støyimmunitet. Den dekker godt over 95 % av industrielle bruksområder.
4. Ytelsesspesifikasjoner
Følsomhet
Følsomhet er utgangssignalet per enhet av akselerasjon – vanligvis 10–100 mV/g for IEPE-sensorer, eller 1–100 pC/g for ladningsmodus. Høyere følsomhet gir bedre oppløsning, men et lavere maksimalt måleområde, så verdien velges slik at den passer til de forventede vibrasjonsnivåene; Kalkulator for følsomhet på vibrasjonssensorer hjelper med å konvertere mellom utgangsspenning og den tilsvarende akselerasjonen.
Frekvensområde
- Lav frekvens: en nedre grense på ca. 0,5–5 Hz, som er fastsatt av elektronikken.
- Høy frekvens: en øvre grense på 5–50 kHz, bestemt av den monterte resonans.
- Brukbart område: vanligvis opp til omtrent en tredjedel av resonansen hyppighet, der responsen forblir uendret.
- Monteringseffekt: Monteringsmetoden setter sterke begrensninger for den oppnåelige høyfrekvensresponsen.
Amplitudebåndbredde og dynamisk område
- Generell bruk: ±50 g til ±500 g.
- Høy følsomhet: ±5 g til ±50 g.
- Støtsensorer: ±500 g til ±10 000 g.
Signalet må aldri overstige sensorens rekkevidde, da det ellers vil bli avskåret og kan skade elementet; et bredt dynamisk område gjør det mulig for én sensor å registrere både svake retningssignaler og kraftige vibrasjoner fra kjørehastigheten i samme måling.
5. Utvelgelseskriterier
Å velge riktig sensor til oppgaven er kjernen i et godt måleoppsett.
- Generell overvåking av maskiner: et IEPE-akselerometer på 100 mV/g med et måleområde på ±50 g, en frekvensrespons på 1 Hz–10 kHz, et temperaturområde på −40 til +120 °C og hermetisk forsegling.
- Påvisning av lagerfeil: et bredere frekvensområde (opp til over 20 kHz) for å fange opp frekvenser av lagerfeil, moderat følsomhet (10–50 mV/g), stort dynamisk område og boltmontering for optimal høyfrekvent kobling — den rette kombinasjonen for å oppdage begynnende lagerfeil.
- Anvendelser ved høye temperaturer: IEPE for høye temperaturer (opp til ca. 175 °C) eller lademodus (opp til ca. 650 °C), med spesiell montering og kabling, der man aksepterer en viss reduksjon i ytelsen til fordel for temperaturtoleransen.
6. Montering og installasjon
Monteringsflaten er en del av målesystemet: den bestemmer monteringsresonansen og dermed høyfrekvensgrensen. Fra best til dårligst:
- Stud mount: den beste koblingen, flat opp til 10+ kHz.
- Selvklebende: god, flat opp til omtrent 7–8 kHz.
- Magnetisk: akseptabelt, flatt opp til ca. 2–3 kHz.
- Sonde / håndholdt: dårlig — begrenset til lave frekvenser og kvalitative målinger.
For å oppnå pålitelige høyfrekvente data må overflaten være ren og flat, festeskruen må være strammet med riktig moment, eventuelt limlag må være tynt og jevnt, magnetfoten må sitte helt på plass, og kabelen må være festet for å hindre at den trekkes løs. Kalkulator for monteringsresonans anslår hvor den anvendbare frekvensbåndbredden for hver metode slutter; for fastmonterte sensorer gjelder prinsippene for korrekt montering av sensor er kodifisert i ISO 5348.
I felten utgjør disse sensorene frontenden på alle bærbare analysatorer. Et tokanalsinstrument som Balanset-1A bruker IEPE-akselerometre til å registrere den synkroniserte amplituden og fasen som kreves for én- og to-plan balansering og til rutinemessig diagnostikk av maskinens egne lagre ved driftshastighet. Sammen med nærhetssensoren og hastighetstransduser, er det piezoelektriske akselerometeret en av de tre viktigste vibrasjons transducers — og den desidert mest allsidige, og det er grunnen til at den fortsatt utgjør ryggraden i industriell vibrasjonsovervåking, diagnostikk og balansering over hele verden.
