Razumevanje piezoelektričnih merilnikov pospeška
A piezoelektrični merilnik pospeška je vibracije senzor, ki izkorišča piezoelektrični pojav — lastnost, s katero nekateri kristali ob mehanskem obremenjevanju ustvarijo električni naboj — za pretvorbo mehanskih pospešek v električni signal, sorazmeren z amplitudo nihanja. Ko senzor pospeši, notranja seizmična masa stisne ali strigne piezoelektrični element, nastali naboj ali napetost pa se obdela in izda kot merilni signal. Zahvaljujoč širokemu frekvenčnemu območju (od približno 0,5 Hz do 50+ kHz), visoki občutljivosti, robustnosti in samogenerirujočemu zaznavalnemu elementu, ki ne potrebuje zunanjega napajanja, je piezoelektrični pospeševalnik najpogosteje uporabljeni senzor nihanj v industriji in temelj sodobnega analiza vibracij in spremljanje stanja opreme.
1. Piezoelektrični pojav
Fizikalno načelo
- Nekateri kristali (kremen, turmalin) in keramika (PZT, barijev titanat) so piezoelektrični
- Mehanska obremenitev ustvari električni naboj na površinah kristala’s.
- Naboj je sorazmeren z apliciranim silam.
- Pojav je reverzibilen — aplicirana napetost povzroči deformacijo elementa.
- Pojav je samogenerirajočega — za ustvarjanje naboja samega ni potrebno napajanje.
Znotraj pospeškomera
Veriga od gibanja do signala je kratka in neposredna:
- Nihanje pospeši osnovo in ohišje senzorja.
- Notranja seizmična masa doživi silo, F = m × a.
- Ta sila obremeni piezoelektrični kristal.
- Kristal ustvari naboj, sorazmeren s silo in s tem s pospeškom.
- Naboj se zbere na elektrodah in pretvori v merljiv signal.
Ker izhodni signal sledi pospešku, je isti signal mogoče elektronsko integrirati v hitrost za analizo napak pri srednji frekvenci oziroma neposredno uporabiti za visokofrekvenčno delo.
2. Vrste glede na interno zasnovo
Način, na katerega seizmična masa obremenjuje kristal, določa značaj senzorja.
- Kompresijski tip: najpogostejša izvedba, pri kateri je kristal stisnjen med maso in osnovo. Robustna, s širokim temperaturnim območjem, primerna za zahtevna okolja — vendar je lahko bolj občutljiva na deformacije osnove in temperaturne prehodne pojave.
- Strižni tip: maso’s gibanje striga kristal. Ta geometrija zagotavlja odlično izolacijo od deformacij osnove, boljši odziv pri nizkih frekvencah in nizko občutljivost na temperaturne prehodne pojave, zato je aksialni senzor pospeška vrhunska izbira za zahtevne meritve.
- Upogibni (bending) tip: kristal deluje v upogibu, kar omogoča zelo visoko občutljivost, vendar je manj robusten in redkeje uporabljen v industrijski rabi.
3. Vrste glede na elektroniko
Druga klasifikacija zadeva vprašanje, ali je elektronika za kondicioniranje signala vgrajena v senzor ali zunaj njega.
- Nabojni način: izhod je surov naboj v pikokulonih, ki zahteva zunanji ojačevalnik naboja. Visokoimpedančni izhod je občutljiv na gibanje kabla in tribonelektrični šum, vendar ti senzorji brez notranje elektronike prenašajo ekstremne temperature (do okoli 650 °C), kar jih naredi nepogrešljive za specializirane aplikacije z visokim segrevanjem.
- IEPE / ICP (napetostni način): vgrajena elektronika pretvori naboj v nizkoimpedančno napetost. The IEPE vmesnik — opisano tudi kot akcelerometer v napetostnem načinu — je industrijski standard, ki ponuja preprosto dvožilno priključitev in odlično odpornost proti motnjam. Zadosti več kot 95 % industrijskih aplikacij.
4. Specifikacije učinkovitosti
Občutljivost
Občutljivost je izhod na enoto pospeška — tipično 10–100 mV/g za senzorje IEPE oziroma 1–100 pC/g za nabojni način. Višja občutljivost zagotavlja boljšo ločljivost, vendar manjše največje merilno območje, zato se vrednost izbere glede na pričakovane ravni vibracij; the kalkulator občutljivosti senzorja vibracij pomaga pretvoriti izhodno napetost v ustrezni pospešek.
Frekvenčno območje
- Nizka frekvenca: spodnja meja okoli 0,5–5 Hz, določena z elektroniko.
- Visoka frekvenca: zgornja meja 5–50 kHz, ki jo pogojuje nameščena resonanca.
- Uporabno območje: za nekajodstotno natančnost amplitude do približno ene petine (20%) montirane resonance frekvenca, po ISO 5348; ena tretjina resonance je le groba meja za pregledovanje, pri kateri je odčitek amplitude že približno 10–12% previsok.
- Učinek pritrditve: način pritrditve močno omejuje dosegljiv visokofrekvenčni odziv.
Amplitudno območje in dinamično območje
- Splošna namena: ±50 g do ±500 g.
- Visoka občutljivost: ±5 g do ±50 g.
- Udarni senzorji: ±500 g do ±10.000 g.
Signal nikoli ne sme preseči območja senzorja, sicer bo prišlo do rezanja signala in morebitne poškodbe elementa; široko dinamično območje omogoča enemu senzorju, da v isti meritvi razloči tako šibke tone ležajev kot močne vibracije pri delovni hitrosti.
5. Merila za izbiro
Prilagajanje senzorja nalogi je bistvo dobre merilne postavitve.
- Splošno nadzorovanje strojev: IEPE pospeškomer 100 mV/g z območjem ±50 g, odzivom 1 Hz–10 kHz, industrijsko temperaturno oceno (−40 do +120 °C) in hermetičnim tesnenjem.
- Zaznavanje okvar ležajev: višji frekvenčni odziv (do 20+ kHz) za zajem frekvence napak ležajev, zmerna občutljivost (10–50 mV/g), široko dinamično območje in vijačna pritrditev za najboljšo visokofrekvenčno sklopitev — prava kombinacija za zaznavanje nastajajočih napake ležajev.
- Aplikacije pri visokih temperaturah: visoko-temperaturni IEPE (do pribl. 175 °C) ali način s nabojem (do pribl. 650 °C), s posebno pritrditvijo in kabelsko napeljavo ter sprejemanjem določenih kompromisov pri zmogljivosti v zameno za temperaturno odpornost.
6. Pritrditev in namestitev
Vmesnik za pritrditev je del merilnega sistema: določa resonanco pri pritrditvi in s tem visokofrekvenčno mejo. Od najboljše do najslabše:
- Montaža na vijak: najboljša sklopitev, ravna do 10+ kHz.
- Lepilo: dobra, ravna do pribl. 7–8 kHz.
- Magnetno: sprejemljiva, ravna do pribl. 2–3 kHz.
- Sonda / ročni: slabo — omejeno na nizke frekvence in kvalitativne odčitke.
Za zanesljive visokofrekvenčne podatke mora biti površina čista in ravna, vijak pravilno privit, morebitna lepilna plast tanka in enakomerna, magnetna osnova popolnoma prilegajoča in kabel zavarovan pred natezanjem. The kalkulator resonance pritrditve ocenjuje, kje se za vsako metodo konča uporabni frekvenčni pas; za trajno nameščene senzorje pa velja načelo pravilnega pritrditev senzorja so vključeni v ISO 5348.
Na terenu so ti senzorji vhodni del vsakega prenosnega analizatorja. Dvokanalski instrument, kot je Balanset-1A zajame enako sinhronizirano amplitudo in fazo — z uporabo dveh analognih MEMS merilnikov pospeška, priloženih kompletu, namesto piezo senzorjev IEPE — kot je potrebno za enoravninsko in dvoravninsko uravnoteženje ter za rutinsko diagnostiko v lastnih ležajih stroja pri delovni hitrosti. Skupaj s sondo za bližino in pretvornik hitrosti, je piezoelektrični pospeškomerni senzor eden od treh glavnih tipov senzorjev vibracij pretvorniki — in daleč najbolj vsestranski, zato ostaja hrbtenica industrijskega nadzora vibracij, diagnostike in uravnoteženja po vsem svetu.
