Понимание принципа действия сейсмических датчиков
A сейсмический датчик — также называемый сейсмическим датчиком или инерционным преобразователем — представляет собой вибрация датчик, использующий внутреннюю сейсмическую массу (“proof mass”), подвешенную на пружинах или упругих элементах, в качестве инерциальной опоры, что позволяет измерять абсолютное движение основания датчика. Когда корпус вибрирует, относительное перемещение между подвешенной массой и корпусом преобразуется в электрический сигнал, представляющий вибрацию. В зависимости от того, где частота измерения находится относительно собственной частоте ротора, датчик работает в одном из двух режимов: выше резонанса масса стремится оставаться неподвижной в пространстве, и относительное перемещение повторяет смещение корпуса (классический режим сейсмометра и датчика скорости), тогда как ниже резонанса малое остаточное отклонение массы пропорционально ускорению корпуса (режим акселерометра). Определяющая особенность состоит в том, что опорный элемент расположен внутри датчик, поэтому нет необходимости в фиксированной внешней опорной точке.
Название «сейсмический» происходит из области сейсмологической аппаратуры: подвешенная масса сейсмометра остаётся относительно неподвижной, в то время как земля под ней колеблется. При мониторинге оборудования оба датчики скорости и акселерометры в этом смысле являются сейсмическими датчиками, хотя этот термин чаще всего ассоциируется с классическими датчиками скорости.
1. Принцип работы
Система «масса-пружина-демпфер»
По сути, каждый сейсмический датчик представляет собой небольшой механический генератор колебаний, состоящий из четырёх функциональных частей:
- Сейсмическая масса: калиброванный контрольный груз, подвешенный внутри корпуса датчика.
- Пружина: механические пружины или тонкие гибкие элементы, поддерживающие массу.
- Демпфирование: воздушное, магнитное (вихретоковые) или жидкостное демпфирование, которое подавляет резонанс.
- Трансдукция: элемент, преобразующий относительное движение массы по отношению к корпусу в напряжение.
Диапазоны частотной характеристики
Поведение датчика полностью зависит от того, где частота возбуждения находится относительно его собственной собственной частоты — и два основных семейства датчиков намеренно работают по разные стороны резонанса:
- Ниже собственной частоты (режим акселерометра): масса и корпус движутся практически вместе, а малое остаточное отклонение массы пропорционально ускорение. Здесь работают пьезоэлектрические и MEMS-акселерометры, ниже их высокой установленной резонансной частоты.
- При собственной частоте: система входит в резонанс — выходной сигнал усиливается, но становится искажённым и ненадёжным, поэтому измерений вблизи резонанса избегают.
- Выше собственной частоты (режим сейсмометра): масса фактически остаётся на месте, пока корпус вибрирует вокруг неё, а относительное перемещение повторяет перемещение (или скорость). Здесь работают сейсмометры перемещения и электродинамические датчики скорости, выше их низкой собственной частоты.
- Usable ranges: датчик скорости обычно используют выше примерно 2× его собственной частоты, где его характеристика уже установилась и стала плоской; акселерометр используют значительно ниже его установленной резонансной частоты — обычно до примерно одной трети от неё для хорошей точности.
2. Типы сейсмических датчиков
Датчики скорости (с подвижной катушкой)
- Магнит подвешен на пружинах внутри неподвижной катушки (или наоборот).
- Относительная скорость между магнитом и катушкой вызывает возникновение напряжения за счет электромагнитной индукции.
- Собственная частота обычно составляет 8–15 Гц.
- Применяется в диапазоне частот примерно от 16 до 30 Гц.
- Измеряет скорость напрямую, без необходимости интегрирования сигнала.
Акселерометры
- Пьезоэлектрический В таких типах датчиков для измерения инерционной силы массы используется пьезокристалл.
- В устройствах типа MEMS используется емкостной или пьезорезистивный принцип измерения на основе микромеханического элемента.
- Значительно более высокая (установленная) собственная частота, обычно 10–30 kHz.
- В отличие от датчиков скорости, используемых ниже резонанса: пригодны примерно от 1 Hz до приблизительно одной трети установленной резонансной частоты.
- Измеряет ускорение, которое можно интегрировать по скорости или по перемещению.
3. Сейсмические и несейсмические датчики
Лучше всего понять принцип работы сейсмических датчиков можно на примере сравнения с датчиками, использующими внешний эталон.
Сейсмические датчики (инерциальная система отсчета)
- Акселерометры и датчики скорости.
- Измеряют абсолютное движение в инерциальной системе отсчёта.
- Устанавливаются непосредственно на вибрирующей конструкции.
- Использовать собственную внутреннюю массу в качестве эталона.
- Наиболее популярный вариант для мониторинга оборудования.
Несейсмические датчики (внешний эталон)
- Датчики приближения (вихретоковые датчики).
- Измеряют относительное перемещение между двумя поверхностями.
- Требуется стационарная точка крепления, с которой можно наблюдать.
- Как правило, измеряют перемещение вала относительно подшипника.
- Стандарт по измерению вибрации валов на станках с подшипники скольжения.
4. Преимущества сейсмостойкого проектирования
Автономный эталон отсчёта
- Внешняя система отсчета не требуется.
- Датчик можно установить практически в любом месте на вибрирующей конструкции.
- Она отражает истинное абсолютное движение в инерциальной системе отсчета.
Универсальность
- Один тип датчика подходит для широкого спектра применений.
- Подходит как для временных измерений, так и для постоянных установок.
- Легко переносится с одного станка на другой.
Именно благодаря этой универсальности их используют в портативных приборах. Двухканальный Balanset-1A, например, получает данные с акселерометров, закрепленных на корпусах подшипников — это самореференцирующиеся сейсмические датчики, не требующие фиксированной системы отсчета, благодаря чему инженер может быстро перемещаться между точками измерения и станками, выполняя балансировку непосредственно на месте.
5. Ограничения
Ограничения частотного диапазона
- Датчики скорости не могут надёжно измерять ниже примерно 2× своей собственной частоты; в частности, электродинамические типы плохо работают ниже 15–20 Hz. Здесь существует неизбежный компромисс: более низкая собственная частота даёт лучший охват низких частот, но требует более крупного и тяжёлого датчика.
- Точность акселерометров снижается по мере приближения частоты измерения к их установленной резонансной частоте; практический верхний предел (обычно около одной трети установленной резонансной частоты) сильно зависит от способа крепления (см. ISO 5348).
- На самом низком конце диапазона отклик акселерометра ограничивается не сейсмической подвеской, а чувствительным элементом и электроникой усилителя — обычно примерно до 0.5–1 Hz для стандартных промышленных исполнений.
Измеряет движение корпуса
- Датчик фиксирует перемещение корпуса подшипника, а не самого вала.
- Вибрация корпуса отличается от вибрации вала — она гасится за счет жесткости подшипников и окружающей конструкции.
- Если важна фактическая траектория вала, то вместо этого необходимо использовать датчики приближения.
6. Применение
Мониторинг состояния оборудования
- Измерение вибрации корпуса подшипника.
- Общая динамика вибрации.
- Bearing-defect detection.
- Общая диагностика вращающегося оборудования.
Вибрация конструкций
- Обследование вибраций зданий и фундаментов.
- Сейсмический мониторинг землетрясений.
- Вибрация, передаваемая по грунту от работающего оборудования.
Модальный анализ
- Измерение реакции конструкции на калиброванный удар.
- Determining собственных частот и формы колебаний.
- Building the функции частотной характеристики использованный в модальный анализ.
Сейсмические преобразователи, использующие внутреннюю подвешенную массу как инерциальную опору, лежат в основе измерения вибрации на вращающемся оборудовании. Понимание сейсмического принципа — как подвешенная масса позволяет измерять абсолютное движение и почему датчики скорости работают выше своей собственной частоты, а акселерометры — ниже своей установленной резонансной частоты — объясняет как сильные стороны, так и ограничения этих двух рабочих инструментов любой промышленной программы анализа вибрации.
