ทำความเข้าใจเกี่ยวกับเครื่องวัดความเร่งแบบเพียโซอิเล็กทริก
A เครื่องวัดความเร่งแบบเพียโซอิเล็กทริก เป็น การสั่นสะเทือน เซ็นเซอร์ที่ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ไพโซอิเล็กทริก — คุณสมบัติที่ผลึกบางชนิดสามารถสร้างประจุไฟฟ้าได้เมื่อถูกแรงทางกลกระทำ — เพื่อแปลงพลังงานกล การเร่งความเร็ว เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่แปรผันตามแอมพลิจูดของการสั่นสะเทือน เมื่อเซ็นเซอร์เกิดความเร่ง มวลเฉื่อยภายในจะบีบอัดหรือเฉือนองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก และประจุหรือแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะถูกปรับสภาพและส่งออกเป็นสัญญาณการวัด ด้วยช่วงความถี่กว้าง (ประมาณ 0.5 Hz ถึง 50+ kHz) ความไวสูง ความทนทาน และองค์ประกอบตรวจจับที่สร้างสัญญาณได้เองโดยไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอก เครื่องวัดความเร่งแบบเพียโซอิเล็กทริกจึงเป็นเซ็นเซอร์การสั่นสะเทือนที่ใช้กันแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรม และเป็นรากฐานของ การวิเคราะห์การสั่นสะเทือน และการตรวจสอบสภาพ.
1. ปรากฏการณ์ไพโซอิเล็กทริก
หลักการทางกายภาพ
- คริสตัลบางชนิด (ควอตซ์ ทัวร์มาลีน) และเซรามิก (PZT แบเรียมไททาเนต) เป็นเพียโซอิเล็กทริก
- ความเค้นเชิงกลก่อให้เกิดประจุไฟฟ้าบนพื้นผิวของผลึก.
- ค่าประจุไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับแรงที่กระทำ.
- ผลนี้ย้อนกลับได้ — การจ่ายแรงดันไฟฟ้าจะทำให้องค์ประกอบเปลี่ยนรูป.
- องค์ประกอบนี้สร้างสัญญาณได้เอง จึงไม่ต้องใช้พลังงานเพื่อสร้างประจุไฟฟ้าเอง.
ภายในเครื่องวัดความเร่ง
ลำดับจากการเคลื่อนที่ไปเป็นสัญญาณนั้นสั้นและตรงไปตรงมา:
- การสั่นสะเทือนเร่งความเร็วฐานเซ็นเซอร์และตัวเรือน.
- มวลเฉื่อยภายในได้รับแรง F = m × a.
- แรงนั้นทำให้ผลึกเพียโซอิเล็กทริกเกิดความเครียด.
- คริสตัลสร้างประจุไฟฟ้าที่แปรผันตามแรง และดังนั้นจึงแปรผันตามความเร่ง.
- ประจุไฟฟ้าถูกเก็บรวบรวมที่ขั้วไฟฟ้าและแปลงเป็นสัญญาณที่วัดได้.
เนื่องจากผลลัพธ์ติดตามการเร่งความเร็ว สัญญาณเดียวกันสามารถถูกบูรณาการทางอิเล็กทรอนิกส์เพื่อ ความเร็ว สำหรับการวิเคราะห์ความผิดพลาดความถี่กลาง หรือใช้โดยตรงสำหรับงานความถี่สูง.
2. ประเภทตามการออกแบบภายใน
วิธีที่มวลเฉื่อยกระทำต่อผลึกเป็นตัวกำหนดลักษณะของเซ็นเซอร์.
- ประเภทการบีบอัด: การออกแบบที่พบมากที่สุด โดยคริสตัลถูกบีบอัดระหว่างมวลและฐาน มีความทนทานสูง รองรับช่วงอุณหภูมิที่กว้าง เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง — แต่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของฐานและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วมากกว่า.
- ชนิดการเฉือน: ผลึกถูกเฉือนจากการเคลื่อนที่ของมวล รูปทรงนี้ให้การแยกผลกระทบจากความเค้นที่ฐานได้ดีเยี่ยม การตอบสนองความถี่ต่ำที่ดีกว่า และความไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิต่ำ ซึ่งเป็นเหตุผลที่ เครื่องวัดความเร่งแบบเฉือน คือตัวเลือกระดับพรีเมียมสำหรับการวัดที่ต้องการความแม่นยำสูง.
- ประเภทการดัดงอ (การโค้งงอ): คริสตัลทำงานโดยการโค้งงอ ทำให้มีความไวสูงมาก แต่มีความทนทานน้อยกว่าและไม่ค่อยพบเห็นในการใช้งานอุตสาหกรรม.
3. ประเภทตามอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
การจัดประเภทที่สองเกี่ยวข้องกับว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ปรับสัญญาณจะอยู่ภายในเซ็นเซอร์หรืออยู่นอกเซ็นเซอร์.
- โหมดประจุ: ผลลัพธ์เป็นประจุไฟฟ้าดิบในพิโคคูลอมบ์ ซึ่งต้องใช้ภายนอก เครื่องขยายประจุไฟฟ้า. เอาต์พุตที่มีอิมพีแดนซ์สูงไวต่อการเคลื่อนไหวของสายเคเบิลและ เสียงรบกวนจากไฟฟ้าสถิต, แต่เนื่องจากไม่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายใน เซ็นเซอร์เหล่านี้จึงทนต่ออุณหภูมิที่สูงมากได้ (สูงสุดประมาณ 650 °C) ทำให้เป็นอุปกรณ์ที่ขาดไม่ได้สำหรับการใช้งานที่ต้องการความร้อนสูงเป็นพิเศษ.
- IEPE / ICP (โหมดแรงดันไฟฟ้า): อิเล็กทรอนิกส์ในตัวจะเปลี่ยนประจุให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ IEPE อินเตอร์เฟซ — หรือที่อธิบายว่าเป็น เครื่องวัดความเร่งแบบแรงดันไฟฟ้า — เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม ให้การเชื่อมต่อแบบสองสายที่ง่ายและมีความต้านทานต่อสัญญาณรบกวนที่ยอดเยี่ยม รองรับการใช้งานในอุตสาหกรรมมากกว่า 95 %.
4. ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ
ความอ่อนไหว
ความอ่อนไหว คือค่าเอาต์พุตต่อหน่วยความเร่ง — โดยทั่วไป 10–100 mV/g สำหรับเซ็นเซอร์ IEPE หรือ 1–100 pC/g สำหรับโหมดประจุ ความไวที่สูงขึ้นให้ความละเอียดที่ดีกว่าแต่ช่วงสูงสุดต่ำกว่า ดังนั้นจึงเลือกค่านี้ให้สอดคล้องกับระดับการสั่นสะเทือนที่คาดไว้; เครื่องคำนวณความไวของเซ็นเซอร์การสั่นสะเทือน ช่วยแปลงระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาออกและความเร่งที่สอดคล้องกัน.
ช่วงความถี่
- ความถี่ต่ำ: ขีดจำกัดล่างประมาณ 0.5–5 เฮิรตซ์ ซึ่งถูกกำหนดโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์.
- ความถี่สูง: ขีดจำกัดบนที่ 5–50 กิโลเฮิรตซ์ ซึ่งถูกควบคุมโดย เรโซแนนซ์.
- ช่วงการใช้งาน: สำหรับความแม่นยำของแอมพลิจูดระดับไม่กี่เปอร์เซ็นต์ ให้ใช้ได้ถึงประมาณหนึ่งในห้า (20%) ของ mounted resonance ความถี่, ตาม ISO 5348; หนึ่งในสามของ resonance เป็นเพียงขีดจำกัดคัดกรองคร่าว ๆ โดยค่าที่อ่านได้ของแอมพลิจูดจะสูงเกินจริงราว 10–12%
- ผลของการติดตั้ง: วิธีการติดตั้งจำกัดการตอบสนองความถี่สูงที่สามารถทำได้อย่างมาก.
ช่วงแอมพลิจูดและช่วงไดนามิก
- การใช้งานทั่วไป: ±50 g ถึง ±500 g.
- ความไวสูง: ±5 g ถึง ±50 g.
- เซ็นเซอร์แรงกระแทก: ±500 g ถึง ±10,000 g.
สัญญาณต้องไม่เกินช่วงของเซ็นเซอร์ มิฉะนั้นสัญญาณจะถูกตัดและอาจทำให้องค์ประกอบเสียหายได้; ควรใช้ช่วงที่กว้าง ช่วงไดนามิก ช่วยให้เซ็นเซอร์ตัวเดียวสามารถแยกได้ทั้งโทนแบริ่งที่แผ่วเบาและการสั่นสะเทือนที่ความเร็วรอบเดินเครื่องซึ่งรุนแรง ในการวัดเดียวกัน.
5. เกณฑ์การคัดเลือก
การจับคู่เซ็นเซอร์ให้เหมาะสมกับงานคือหัวใจของการตั้งค่าการวัดที่ดี.
- การตรวจสอบเครื่องจักรทั่วไป: เครื่องวัดความเร่ง IEPE 100 mV/g ที่มีช่วง ±50 g การตอบสนอง 1 Hz–10 kHz พิกัดอุณหภูมิอุตสาหกรรม (−40 ถึง +120 °C) และซีลแบบปิดผนึกสนิท.
- การตรวจจับข้อบกพร่องของแบริ่ง: การตอบสนองความถี่ที่สูงขึ้น (ถึง 20+ กิโลเฮิรตซ์) เพื่อจับ ความถี่ความผิดพลาดของตลับลูกปืน, ความไวปานกลาง (10–50 mV/g), ช่วงไดนามิกกว้าง, และติดตั้งแบบสตัดเพื่อการเชื่อมต่อความถี่สูงที่ดีที่สุด — การผสมผสานที่เหมาะสมสำหรับการตรวจจับ ข้อบกพร่องของตลับลูกปืน.
- การใช้งานที่อุณหภูมิสูง: IEPE อุณหภูมิสูง (ประมาณ 175 °C) หรือโหมดประจุ (ประมาณ 650 °C) พร้อมการติดตั้งและสายเคเบิลพิเศษ โดยยอมรับการแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพบางส่วนสำหรับความสามารถในการทนอุณหภูมิ.
6. การติดตั้งและการประกอบ
อินเทอร์เฟซการติดตั้งเป็นส่วนหนึ่งของระบบการวัด: มันกำหนดเรโซแนนซ์เมื่อติดตั้ง และจึงกำหนดขีดจำกัดความถี่สูง จากดีที่สุดไปหาแย่ที่สุด:
- ฐานติดตั้งแบบสตัด: การเชื่อมต่อที่ดีที่สุด ความราบเรียบถึง 10+ kHz.
- กาว: ดี, ราบเรียบถึงประมาณ 7–8 kHz.
- แม่เหล็ก: ยอมรับได้, ราบเรียบถึงประมาณ 2–3 กิโลเฮิรตซ์.
- โพรบ / แบบมือถือ: แย่ — จำกัดเฉพาะความถี่ต่ำและการอ่านเชิงคุณภาพเท่านั้น.
สำหรับข้อมูลความถี่สูงที่เชื่อถือได้ พื้นผิวต้องสะอาดและเรียบ แน่นสกรูยึดอย่างถูกต้อง ชั้นกาวบางและสม่ำเสมอ ฐานแม่เหล็กติดตั้งอย่างแน่นหนา และสายเคเบิลต้องยึดให้แน่นเพื่อป้องกันการดึง เครื่องคำนวณเรโซแนนซ์การติดตั้ง ประมาณตำแหน่งที่แถบที่สามารถใช้งานได้ของแต่ละวิธีสิ้นสุดลง; สำหรับเซ็นเซอร์ที่ติดตั้งถาวร หลักการของวิธีการที่ถูกต้อง การติดตั้งเซ็นเซอร์ ถูกบัญญัติไว้ใน ISO 5348.
ในภาคสนาม เซ็นเซอร์เหล่านี้เป็นจุดเริ่มต้นของเครื่องวิเคราะห์แบบพกพาทุกเครื่อง เครื่องมือสองช่องสัญญาณ เช่น Balanset-1A จับแอมพลิจูดและเฟสที่ซิงโครไนซ์เดียวกันได้ — โดยใช้ MEMS accelerometer แบบอนาล็อกสองตัวที่ให้มาพร้อมชุด แทน IEPE piezo sensor — ตามที่ต้องใช้สำหรับการถ่วงสมดุลแบบระนาบเดียวและสองระนาบ การถ่วงสมดุล และสำหรับการวินิจฉัยตามปกติในตลับลูกปืนของเครื่องจักรเองที่ความเร็วในการทำงาน ร่วมกับหัววัดแบบใกล้และ ตัวแปลงความเร็ว, เครื่องวัดความเร่งแบบเพียโซอิเล็กทริกเป็นหนึ่งในทรานสดิวเซอร์การสั่นสะเทือนหลักสามชนิด ทรานสดิวเซอร์ — และใช้งานได้หลากหลายที่สุดอย่างเห็นได้ชัด จึงยังคงเป็นแกนหลักของการเฝ้าติดตามการสั่นสะเทือน การวินิจฉัย และการถ่วงสมดุลในอุตสาหกรรมทั่วโลก.
