Пьезоэлектрические акселерометры
A пьезоэлектрический акселерометр является вибрация датчик, использующий пьезоэлектрический эффект — свойство, благодаря которому некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при механическом воздействии — для преобразования механической ускорение в электрический сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний. При ускорении датчика внутренняя сейсмическая масса сжимает или сдвигает пьезоэлектрический элемент, а образующийся заряд или напряжение обрабатываются и выводятся в виде измерительного сигнала. Благодаря широкому частотному диапазону (примерно от 0,5 Гц до 50+ кГц), высокой чувствительности, прочности и самогенерирующемуся чувствительному элементу, не требующему внешнего питания, пьезоэлектрический акселерометр является наиболее широко используемым датчиком вибрации в промышленности и основой современных анализ вибраций и мониторинг состояния.
1. Пьезоэлектрический эффект
Физический принцип
- Некоторые кристаллы (кварц, турмалин) и керамика (PZT, титанат бария) являются пьезоэлектриками.
- Механическое воздействие вызывает появление электрического заряда на поверхности кристалла.
- Заряд пропорционален приложенной силе.
- Этот эффект является обратимым — при подаче напряжения элемент деформируется.
- Он самогенерирующийся, поэтому для образования заряда не требуется внешнего источника энергии.
Внутри акселерометра
Цепочка от движения до сигнала короткая и прямая:
- Вибрация приводит в движение основание датчика и его корпус.
- На внутреннюю сейсмическую массу действует сила F = m × a.
- Эта сила создает напряжение в пьезоэлектрическом кристалле.
- Кристалл генерирует заряд, пропорциональный силе и, следовательно, ускорению.
- Заряд накапливается на электродах и преобразуется в измеримый сигнал.
Поскольку выходной сигнал отслеживает ускорение, этот же сигнал можно интегрировать электронным способом, чтобы скорость для анализа неисправностей в среднечастотном диапазоне или непосредственно для работы в высокочастотном диапазоне.
2. Типы по внутренней конструкции
Способ, которым кристалл нагружается сейсмической массой, определяет характеристики датчика.
- Тип сжатия: Наиболее распространённая конструкция, при которой кристалл зажат между массой и основанием. Благодаря прочности и широкому диапазону рабочих температур она подходит для эксплуатации в суровых условиях, однако может быть более чувствительна к деформации основания и перепадам температуры.
- Сдвиговый тип: кристалл подвергается сдвиговому усилию под действием движения массы. Такая геометрия обеспечивает превосходную изоляцию от деформации основания, улучшенные характеристики на низких частотах и низкую чувствительность к переходным температурным процессам, поэтому акселерометр сдвига — это лучший выбор для выполнения сложных измерений.
- Тип на изгиб: Кристалл обеспечивает изгибное действие, что позволяет добиться очень высокой чувствительности, однако он менее прочен и реже используется в промышленности.
3. Типы по электронным компонентам
Вторая классификация зависит от того, находится ли электроника обработки сигнала внутри датчика или снаружи.
- Зарядовый режим: Результатом является исходное зарядное значение в пикокулонах, для которого требуется внешний усилитель с зарядовым входом. Выход с высоким импедансом чувствителен к перемещению кабеля и трибоэлектрический шум, однако благодаря отсутствию внутренней электроники эти датчики выдерживают экстремальные температуры (до примерно 650 °C), что делает их незаменимыми для специальных применений в условиях высоких температур.
- IEPE / ICP (режим напряжения): встроенная электроника преобразует заряд в напряжение с низким сопротивлением. IEPE интерфейс — также называемый акселерометр с выходом по напряжению — является отраслевым стандартом, обеспечивающим простое двухпроводное подключение и отличную помехоустойчивость. Он подходит для более чем 95 % промышленных применений.
4. Технические характеристики
Чувствительность
Чувствительность — это выходной сигнал на единицу ускорения; обычно он составляет 10–100 мВ/г для датчиков IEPE или 1–100 пКл/г для датчиков зарядового типа. Более высокая чувствительность обеспечивает более высокое разрешение, но меньший максимальный диапазон, поэтому значение выбирается с учетом ожидаемых уровней вибрации; Калькулятор чувствительности датчика вибрации помогает преобразовывать значение выходного напряжения в соответствующее ускорение.
Диапазон частот
- Низкая частота: нижняя граница в диапазоне примерно 0,5–5 Гц, заданная электронной схемой.
- Высокая частота: верхний предел 5–50 кГц, определяемый установленным резонанс.
- Диапазон использования: для точности амплитуды в пределах нескольких процентов — примерно до одной пятой (20%) частоты установленного резонанса частота, согласно ISO 5348; одна треть резонансной частоты — лишь грубый предел скрининга, при этом показание амплитуды уже завышено примерно на 10–12%.
- Эффект монтажа: Способ крепления существенно ограничивает достижимые высокочастотные характеристики.
Диапазон амплитуд и динамический диапазон
- Общее назначение: от ±50 г до ±500 г.
- Высокая чувствительность: от ±5 g до ±50 g.
- Датчики удара: от ±500 г до ±10 000 г.
Сигнал ни в коем случае не должен выходить за пределы диапазона датчика, иначе произойдет ограничение (клиппирование) сигнала, что может повредить чувствительный элемент; широкий динамический диапазон позволяет одному датчику фиксировать как слабые тональные сигналы подшипников, так и сильную вибрацию на рабочей скорости в рамках одного измерения.
5. Критерии отбора
Правильный подбор датчика для конкретной задачи — залог успешной организации измерительной установки.
- Общий мониторинг оборудования: акселерометр IEPE с чувствительностью 100 мВ/г, диапазоном измерения ±50 g, частотным диапазоном 1 Гц–10 кГц, промышленным диапазоном рабочих температур (от −40 до +120 °C) и герметичным корпусом.
- Обнаружение дефектов подшипников: более широкий частотный диапазон (до 20+ кГц) для записи частот дефектов подшипника, умеренная чувствительность (10–50 мВ/г), широкий динамический диапазон и шпилечное крепление для оптимальной высокочастотной связи — идеальное сочетание для обнаружения зарождающихся дефектов подшипников.
- Применение в условиях высоких температур: высокотемпературный датчик IEPE (до примерно 175 °C) или датчик с зарядным режимом (до примерно 650 °C) со специальным креплением и кабельной разводкой, при этом допускается некоторое снижение характеристик в обмен на расширенный температурный диапазон.
6. Монтаж и установка
Крепежный интерфейс является частью измерительной системы: он определяет резонансную частоту крепления и, следовательно, верхнюю границу частотного диапазона. От лучшего к худшему:
- Крепление на шпильке: оптимальная согласованность, плоская до 10+ кГц.
- Клей: хорошая, ровная до примерно 7–8 кГц.
- Магнитный: приемлемый, ровный до частоты примерно 2–3 кГц.
- Зонд / ручной прибор: недостаточно — ограничено низкими частотами и качественными показателями.
Для получения достоверных высокочастотных данных поверхность должна быть чистой и ровной, шпилька затянута с соблюдением момента затяжки, слой клея — тонким и ровным, магнитное основание — плотно прижато, а кабель закреплен, чтобы предотвратить его вытягивание. Калькулятор резонанса крепления определяет, где заканчивается диапазон рабочих частот каждого метода крепления; для стационарно установленных датчиков принципы правильного монтажа монтаж датчика кодифицированы в ISO 5348.
В полевых условиях эти датчики являются основной частью любого портативного анализатора. Двухканальный прибор, такой как Balanset-1A фиксирует ту же синхронизированную амплитуду и фазу — используя два аналоговых MEMS-акселерометра из комплекта вместо пьезодатчиков IEPE — которые необходимы для одно- и двухплоскостной балансировка а также для плановой диагностики подшипников самого станка на рабочей скорости. В сочетании с датчиком приближения и датчик скорости, пьезоэлектрический акселерометр является одним из трех основных датчиков вибрации преобразователи — и, безусловно, наиболее универсальный, благодаря чему он по-прежнему остается основой систем мониторинга вибрации, диагностики и балансировки в промышленности по всему миру.
