Pochopenie piezoelektrických akcelerometrov
A piezoelektrický akcelerometer je vibrácie snímač, ktorý využíva piezoelektrický jav — vlastnosť, vďaka ktorej určité kryštály pri mechanickom namáhaní generujú elektrický náboj — na premenu mechanickej zrýchlenie na elektrický signál úmerný amplitúde vibrácií. Keď snímač zrýchľuje, vnútorná seizmická hmota stláča alebo šmykovo namáha piezoelektrický prvok a výsledný náboj alebo napätie sa upraví a vyšle ako merací signál. Vďaka širokému frekvenčnému rozsahu (približne 0,5 Hz až 50+ kHz), vysokej citlivosti, robustnosti a samogenerujúcemu snímaciemu prvku, ktorý nepotrebuje externé napájanie, je piezoelektrický akcelerometer najpoužívanejším snímačom vibrácií v priemysle a základom moderného analýza vibrácií a monitorovanie stavu.
1. Piezoelektrický jav
Fyzikálny princíp
- Niektoré kryštály (kremeň, turmalín) a keramika (PZT, titaničitan bárnatý) sú piezoelektrické
- Mechanické napätie vytvára na povrchoch kryštálu elektrický náboj.
- Náboj je úmerný pôsobiacej sile.
- Jav je reverzibilný — privedenie napätia spôsobí deformáciu prvku.
- Je samogenerujúci, takže na vytvorenie samotného náboja nie je potrebné žiadne napájanie.
Vnútri akcelerometra
Reťazec od pohybu k signálu je krátky a priamy:
- Vibrácie zrýchľujú základňu a puzdro snímača.
- Na vnútornú seizmickú hmotu pôsobí sila, F = m × a.
- Táto sila namáha piezoelektrický kryštál.
- Kryštál vytvára náboj úmerný sile, a teda zrýchleniu.
- Náboj sa zhromažďuje na elektródach a premieňa sa na merateľný signál.
Keďže výstup sleduje zrýchlenie, ten istý signál možno elektronicky integrovať na rýchlosť pre analýzu porúch v stredných frekvenciách alebo použiť priamo pri práci s vysokými frekvenciami.
2. Typy podľa vnútorného návrhu
Spôsob, akým seizmická hmota zaťažuje kryštál, určuje charakter snímača.
- Typ s kompresiou: najbežnejšia konštrukcia, pri ktorej je kryštál stláčaný medzi hmotou a základňou. Robustná, so širokým teplotným rozsahom, vhodná do náročných prostredí — môže však byť citlivejšia na namáhanie základne a tepelné prechodové javy.
- Shear type: kryštál je šmykovo namáhaný pohybom hmoty. Táto geometria poskytuje vynikajúcu izoláciu od namáhania základne, lepšiu odozvu v nízkych frekvenciách a nízku citlivosť na teplotné prechodové javy, a preto je akcelerometer so strihovým senzorom prémiovou voľbou pre náročné merania.
- Ohybový (flexurálny) typ: kryštál pracuje v ohybe, čo umožňuje veľmi vysokú citlivosť, je však menej odolný a v priemyselnom použití menej bežný.
3. Typy podľa elektroniky
Druhá klasifikácia sa týka toho, či sa elektronika na úpravu signálu nachádza vnútri snímača alebo mimo neho.
- Nábojový režim: výstupom je surový náboj v pikocoulomboch, ktorý vyžaduje externý zosilňovač náboja. Vysokoimpedančný výstup je citlivý na pohyb kábla a triboelektrický šum, ale keďže neobsahujú žiadnu vnútornú elektroniku, tieto snímače znášajú extrémne teploty (až približne 650 °C), čo ich robí nenahraditeľnými pre špecializované vysokoteplotné aplikácie.
- IEPE / ICP (napäťový režim): vstavaná elektronika prevádza náboj na nízkoimpedančné napätie. IEPE rozhranie — tiež opísané ako akcelerometer pracujúci v napäťovom režime — je priemyselným štandardom, ktorý ponúka jednoduché dvojvodičové pripojenie a vynikajúcu odolnosť proti šumu. Dobre poslúži vo viac než 95 % priemyselných aplikácií.
4. Technické špecifikácie
Citlivosť
Citlivosť je výstup na jednotku zrýchlenia — typicky 10–100 mV/g pri snímačoch IEPE alebo 1–100 pC/g pri nábojovom režime. Vyššia citlivosť poskytuje jemnejšie rozlíšenie, ale nižší maximálny rozsah, takže sa táto hodnota volí tak, aby zodpovedala očakávaným úrovniam vibrácií; Kalkulátor citlivosti snímača vibrácií pomáha prevádzať medzi výstupným napätím a zodpovedajúcim zrýchlením.
Frekvenčný rozsah
- Nízka frekvencia: dolnú hranicu približne 0,5–5 Hz, danú elektronikou.
- Vysoká frekvencia: hornú hranicu 5–50 kHz, určenú namontovaným rezonancia.
- Usable range: pre niekoľkopercentnú presnosť amplitúdy až približne do jednej pätiny (20 %) montážnej rezonancie frekvencia, podľa ISO 5348; jedna tretina rezonancie je len hrubý limit na orientačný skríning, pričom údaj amplitúdy je už asi o 10–12 % vyšší.
- Vplyv montáže: spôsob montáže výrazne obmedzuje dosiahnuteľnú vysokofrekvenčnú odozvu.
Rozsah amplitúdy a dynamický rozsah
- Univerzálne použitie: ±50 g až ±500 g.
- Vysoká citlivosť: ±5 g až ±50 g.
- Snímače rázov: ±500 g až ±10 000 g.
Signál nikdy nesmie prekročiť rozsah snímača, inak sa oreže a môže poškodiť snímací prvok; široký dynamic range umožňuje jednému snímaču rozlíšiť tak slabé tóny ložísk, ako aj silné vibrácie otáčkovej frekvencie v rámci toho istého merania.
5. Kritériá výberu
Prispôsobenie snímača danej úlohe je jadrom dobrej zostavy merania.
- Monitorovanie všeobecných strojov: akcelerometer IEPE s citlivosťou 100 mV/g, rozsahom ±50 g, frekvenčnou odozvou 1 Hz – 10 kHz, priemyselným teplotným rozsahom (−40 až +120 °C) a hermetickým utesnením.
- Detekcia poškodenia ložísk: vyššia frekvenčná odozva (do 20+ kHz) na zachytenie frekvencie porúch ložísk, stredná citlivosť (10 – 50 mV/g), široký dynamický rozsah a montáž na skrutku pre najlepšiu väzbu pri vysokých frekvenciách — správna kombinácia na zachytenie vznikajúceho chyby ložísk.
- Vysokoteplotné aplikácie: vysokoteplotné IEPE (do približne 175 °C) alebo nábojový režim (do približne 650 °C), so špeciálnou montážou a kabelážou, pričom sa v záujme teplotnej odolnosti pripúšťa istý kompromis vo výkone.
6. Montáž a inštalácia
Montážne rozhranie je súčasťou meracieho systému: určuje rezonanciu po montáži a tým aj hornú frekvenčnú hranicu. Od najlepšieho po najhoršie:
- Stud mount: najlepšia väzba, lineárna do 10+ kHz.
- Lepidlo: dobrá, lineárna približne do 7 – 8 kHz.
- Magnetické: prijateľná, lineárna približne do 2 – 3 kHz.
- Sonda / ručné meranie: slabá — obmedzená na nízke frekvencie a kvalitatívne odčítanie.
Pre spoľahlivé vysokofrekvenčné údaje musí byť povrch čistý a rovný, skrutka správne dotiahnutá, prípadná vrstva lepidla tenká a rovnomerná, magnetická základňa úplne dosadnutá a kábel zaistený proti vytrhnutiu. kalkulátor rezonancie upevnenia odhaduje, kde končí použiteľné pásmo jednotlivých metód; pri trvalo inštalovaných snímačoch zásady správneho montáž snímača sú kodifikované v ISO 5348.
V teréne sú tieto snímače vstupným členom každého prenosného analyzátora. Dvojkanálový prístroj, ako napríklad Balanset-1A zachytáva rovnakú synchronizovanú amplitúdu a fázu — s použitím dvoch analógových MEMS akcelerometrov dodaných v súprave namiesto IEPE piezo snímačov — podľa potreby pre jedno- a dvojrovinové vyvažovanie a na rutinnú diagnostiku vo vlastných ložiskách stroja pri prevádzkových otáčkach. Spolu s približovacou sondou a prevodník rýchlosti, piezoelektrický akcelerometer je jedným z troch hlavných vibračných transducers — a zďaleka najuniverzálnejší, a práve preto zostáva základným pilierom priemyselného monitorovania vibrácií, diagnostiky a vyvažovania na celom svete.
