Înțelegerea accelerometrelor piezoelectrice
A accelerometru piezoelectric este un vibrații senzor care exploatează efectul piezoelectric - proprietatea prin care anumite cristale generează o sarcină electrică atunci când sunt solicitate mecanic - pentru a converti energia mecanică accelerare într-un semnal electric proporțional cu amplitudinea vibrației. Atunci când senzorul accelerează, o masă seismică internă comprimă sau rupe un element piezoelectric, iar sarcina sau tensiunea rezultată este condiționată și emisă ca semnal de măsurare. Datorită unei game largi de frecvențe (aproximativ de la 0,5 Hz la peste 50 kHz), sensibilității ridicate, robusteții și unui element senzorial autogenerator care nu are nevoie de alimentare externă, accelerometrul piezoelectric este cel mai utilizat senzor de vibrații în industrie și baza analiza vibrațiilor și monitorizarea stării.
1. Efectul piezoelectric
Principiul fizic
- Anumite cristale (cuarț, turmalină) și ceramică (PZT, titanat de bariu) sunt piezoelectrice
- Tensiunea mecanică generează o sarcină electrică pe suprafețele cristalului.
- Sarcina este proporțională cu forța aplicată.
- Efectul este reversibil - aplicarea unei tensiuni face ca elementul să se deformeze.
- Se autogenerează, deci nu este nevoie de energie pentru a produce încărcătura în sine.
În interiorul accelerometrului
Lanțul de la mișcare la semnal este scurt și direct:
- Vibrațiile accelerează baza și carcasa senzorului.
- Masa seismică internă este supusă unei forțe, F = m × a.
- Această forță tensionează cristalul piezoelectric.
- Cristalul generează o sarcină proporțională cu forța și, prin urmare, cu accelerația.
- Sarcina este colectată pe electrozi și transformată într-un semnal măsurabil.
Deoarece ieșirea urmărește accelerația, același semnal poate fi integrat electronic pentru viteză pentru analiza defectelor la frecvențe medii sau utilizate direct pentru lucrări la frecvențe înalte.
2. Tipuri prin design intern
Modul în care cristalul este încărcat de masa seismică definește caracterul senzorului.
- Tip de compresie: cel mai comun model, cu cristalul comprimat între masă și bază. Robust, cu o gamă largă de temperaturi, se potrivește mediilor dificile - dar poate fi mai sensibil la deformarea bazei și la tranzitorii termici.
- Tip forfecare: cristalul este forfecat de mișcarea masei. Această geometrie oferă o izolare excelentă între bază și deformare, un răspuns mai bun la frecvențe joase și o sensibilitate scăzută la tranzitorii de temperatură, motiv pentru care accelerometru de forfecare este alegerea premium pentru măsurători exigente.
- Tip flexural (încovoiere): cristalul funcționează în îndoire, permițând o sensibilitate foarte ridicată, dar este mai puțin robust și mai puțin frecvent utilizat în industrie.
3. Tipuri în funcție de electronică
A doua clasificare se referă la faptul dacă electronica de condiționare a semnalului se află în interiorul senzorului sau în afara acestuia.
- Mod de încărcare: ieșirea este o sarcină brută în picocoulombs, care necesită o amplificator de sarcină. Ieșirea de înaltă impedanță este sensibilă la mișcarea cablului și zgomot triboelectric, dar fără electronică internă, acești senzori tolerează temperaturi extreme (până la aproximativ 650 °C), ceea ce îi face indispensabili pentru aplicații specializate cu temperaturi ridicate.
- IEPE / ICP (modul tensiune): electronica încorporată convertește sarcina într-o tensiune de impedanță joasă. Tensiunea IEPE interfață - descrisă și ca o accelerometru cu mod de tensiune - este standardul industrial, oferind conectivitate simplă pe două fire și imunitate excelentă la zgomot. Servește bine peste 95 % de aplicații industriale.
4. Specificații de performanță
Sensibilitate
Sensibilitate este ieșirea pe unitate de accelerație - de obicei 10-100 mV/g pentru senzorii IEPE sau 1-100 pC/g pentru modul de încărcare. O sensibilitate mai mare oferă o rezoluție mai fină, dar o gamă maximă mai mică, astfel încât cifra este aleasă pentru a corespunde nivelurilor de vibrații preconizate; valoarea calculator sensibilitate senzor de vibrații ajută la conversia între o tensiune de ieșire și accelerația corespunzătoare.
Interval de frecvență
- Frecvență joasă: o limită inferioară de aproximativ 0,5-5 Hz, stabilită de sistemul electronic.
- Frecvență ridicată: o limită superioară de 5-50 kHz, reglementată de rezonanţă.
- Domeniul de utilizare: în general până la aproximativ o treime din rezonanță frecvenţă, unde răspunsul rămâne plat.
- Efect de montare: metoda de montare limitează puternic răspunsul la frecvențe înalte care poate fi obținut.
Gama de amplitudine și gama dinamică
- Destinație generală: ±50 g până la ±500 g.
- Sensibilitate ridicată: ±5 g până la ±50 g.
- Senzori de șoc: ±500 g până la ±10.000 g.
Semnalul nu trebuie să depășească niciodată domeniul de acțiune al senzorului, altfel se va bloca și poate deteriora elementul; un semnal larg gamă dinamică permite unui singur senzor să rezolve atât sunetele slabe ale rulmenților, cât și vibrațiile puternice ale vitezei de rulare în aceeași măsurătoare.
5. Criterii de selecție
Potrivirea senzorului cu sarcina de lucru este elementul central al unei bune configurații de măsurare.
- Monitorizarea generală a utilajelor: un accelerometru IEPE de 100 mV/g cu o gamă de ±50 g, un răspuns de 1 Hz-10 kHz, o temperatură industrială nominală (-40 până la +120 °C) și o închidere ermetică.
- Detectarea defectelor rulmenților: un răspuns în frecvență mai mare (până la 20+ kHz) pentru a capta frecvențele defectelor rulmenților, sensibilitate moderată (10-50 mV/g), gamă dinamică largă și montare pe știft pentru cea mai bună cuplare la frecvențe înalte - combinația potrivită pentru detectarea incipientă a defecte ale rulmentului.
- Aplicații la temperaturi ridicate: IEPE la temperaturi ridicate (până la aproximativ 175 °C) sau modul de încărcare (până la aproximativ 650 °C), cu montare și cablare speciale, acceptând unele compromisuri de performanță pentru capacitatea de temperatură.
6. Montare și instalare
Interfața de montare face parte din sistemul de măsurare: aceasta stabilește rezonanța montată și, prin urmare, limita de înaltă frecvență. De la cel mai bun la cel mai rău:
- Montare pe știft: cel mai bun cuplaj, plat până la 10+ kHz.
- Adeziv: bun, plat până la aproximativ 7-8 kHz.
- Magnetic: acceptabil, plat până la aproximativ 2-3 kHz.
- Sondă / portabil: slabă - limitată la frecvențe joase și citiri calitative.
Pentru a obține date fiabile de înaltă frecvență, suprafața trebuie să fie curată și plană, capsele trebuie strânse corect, orice strat de adeziv trebuie să fie subțire și uniform, baza magnetică trebuie să fie complet așezată, iar cablul trebuie fixat pentru a preveni tragerea. Caracteristicile calculator de rezonanță de montare estimează unde se termină banda utilizabilă a fiecărei metode; pentru senzorii instalați permanent, principiile de montarea senzorului sunt codificate în ISO 5348.
Pe teren, acești senzori reprezintă partea frontală a fiecărui analizor portabil. Un instrument cu două canale, cum ar fi Balanset-1A utilizează accelerometre IEPE pentru a capta amplitudinea și faza sincronizate necesare pentru un singur plan și două planuri echilibrare și pentru diagnosticarea de rutină a rulmenților proprii ai mașinii la viteza de funcționare. Împreună cu sonda de proximitate și traductor de viteză, accelerometrul piezoelectric este unul dintre cele trei accelerometre principale transductoare - și de departe cel mai versatil, motiv pentru care rămâne coloana vertebrală a monitorizării, diagnosticării și echilibrării vibrațiilor industriale la nivel mondial.
