Понимание принципа действия сейсмических датчиков
A сейсмический датчик — также называемый сейсмическим датчиком или инерционным преобразователем — представляет собой вибрация датчик, в котором в качестве инерционного эталона используется внутренняя сейсмическая масса («контрольная масса»), подвешенная на пружинах или упругих элементах, что позволяет измерять абсолютное перемещение основания датчика. Когда корпус вибрирует, подвешенная масса стремится сохранять неподвижное положение в пространстве (при условии, что частота превышает частоту системы «масса-пружина») собственной частоте ротора), а относительное движение между перемещающимся корпусом и практически неподвижной массой преобразуется в электрический сигнал, отражающий колебания. Отличительной особенностью является то, что эталонная система перемещается внутри датчик, поэтому нет необходимости в фиксированной внешней опорной точке.
Название «сейсмический» происходит из области сейсмологической аппаратуры: подвешенная масса сейсмометра остается 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.
- Весна: 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 по отношению к его собственной собственной частоте:
- Ниже собственной частоты: Масса и корпус перемещаются синхронно, поэтому относительное смещение минимально, а отклик — слабый.
- При собственной частоте: Система входит в резонанс — выходной сигнал усиливается, но при этом искажается и становится нестабильным.
- Выше собственной частоты: масса фактически остается на месте, в то время как корпус вибрирует вокруг нее. Это и есть оптимальная область измерения.
- Диапазон использования: обычно принимается значение, превышающее собственную частоту примерно в 2 раза, при котором характеристика устанавливается и становится ровной.
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.
- Гораздо более высокая собственная частота, как правило, 10–30 кГц.
- Пригодно для использования при частотах от примерно 1 Гц и выше.
- 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.
- Измерьте абсолютное движение в инерциальной системе отсчета.
- Установите непосредственно на вибрирующей конструкции.
- Использовать собственную внутреннюю массу в качестве эталона.
- Наиболее популярный вариант для мониторинга оборудования.
Несейсмические датчики (внешняя ссылка)
- Датчики приближения (вихретоковые датчики).
- Измерить 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
Самостоятельное справочное руководство
- 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 компьютера на другой.
Именно благодаря этой универсальности их используют в портативных приборах. Двухканальный Балансет-1А, 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
- Невозможно обеспечить достоверность измерений при частотах ниже примерно 2-кратной собственной частоты.
- В частности, датчики скорости с подвижной катушкой демонстрируют низкую чувствительность при частотах ниже 15–20 Гц.
- Здесь существует неотъемлемый компромисс: более низкая собственная частота обеспечивает лучшее воспроизведение низких частот, но требует использования более крупного и тяжелого датчика.
Резолюция о мерах в сфере жилищного строительства
- 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 датчики, в которых в качестве инерционного эталона используется внутренний подвешенный груз, составляют основу измерения вибрации вращающегося оборудования. Понимание принципа работы сейсмических датчиков — того, как подвешенный груз позволяет измерять абсолютное перемещение и почему такие измерения достоверны только при частотах выше собственной частоты датчика — помогает объяснить как преимущества, так и ограничения акселерометров и датчиков скорости — двух основных инструментов любой промышленной программы анализа вибрации.
