ทำความเข้าใจเกี่ยวกับตัวแปลงสัญญาณซีสมิก
A ทรานสดิวเซอร์แบบ seismic — หรือเรียกอีกอย่างว่า seismic sensor หรือ inertial transducer — คือ การสั่นสะเทือน เซนเซอร์ที่ใช้มวลแผ่นดินไหวภายใน ("proof mass") ซึ่งแขวนด้วยสปริงหรือชิ้นส่วนยืดหยุ่นเป็นจุดอ้างอิงเฉื่อย ทำให้สามารถวัดการเคลื่อนที่สัมบูรณ์ของฐานเซนเซอร์ได้ เมื่อ housing สั่น การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างมวลที่แขวนอยู่กับ housing จะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่แทนการสั่นสะเทือน ขึ้นอยู่กับว่าความถี่การวัดอยู่เทียบกับ ความถี่ธรรมชาติ, เซนเซอร์จะทำงานในหนึ่งในสองสภาวะ: เหนือเรโซแนนซ์ มวลจะมีแนวโน้มคงที่อยู่ในอวกาศและการเคลื่อนที่สัมพัทธ์จะตามการกระจัดของ housing (สภาวะ seismometer และ velocity pickup แบบดั้งเดิม) ส่วนต่ำกว่าเรโซแนนซ์ การโก่งตัวคงเหลือเล็กน้อยของมวลจะแปรผันตามความเร่งของ housing (สภาวะ accelerometer) ลักษณะเด่นคือจุดอ้างอิงถูกพกพาไปกับตัว ภายใน ภายในเซนเซอร์เอง ดังนั้นจึงไม่ต้องใช้จุดอ้างอิงภายนอกที่ตรึงอยู่กับที่
ชื่อ “seismic” มาจากเครื่องมือวัดแผ่นดินไหว: มวลแขวนของ seismometer จะค่อนข้างอยู่นิ่งขณะที่พื้นดินเคลื่อนตัวอยู่ด้านล่าง ในการติดตามเครื่องจักร ทั้ง ตัวแปลงความเร็ว และ มาตรความเร่ง ล้วนเป็นทรานสดิวเซอร์แบบซีส्मिकในความหมายนี้ แม้ว่าคำนี้จะมักเชื่อมโยงกับ velocity pickup แบบคลาสสิกมากที่สุด
1. หลักการทำงาน
ระบบมวล-สปริง-โช้คอัพ
โดยแก่นแล้ว ทรานสดิวเซอร์แบบซีสติกทุกตัวคือออสซิลเลเตอร์เชิงกลขนาดเล็กที่มีองค์ประกอบการทำงานสี่ส่วน:
- มวลไซสมิก: proof mass ที่สอบเทียบแล้ว แขวนอยู่ภายใน housing ของเซนเซอร์
- สปริง: สปริงเชิงกลหรือ flexure บาง ๆ ที่รองรับมวล
- การลดแรงสั่นสะเทือน: การหน่วงด้วยอากาศ แม่เหล็ก (eddy-current) หรือของไหล เพื่อควบคุมเรโซแนนซ์
- การถ่ายทอดสัญญาณ: องค์ประกอบที่แปลงการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างมวลกับ housing เป็นแรงดันไฟฟ้า
ช่วงการตอบสนองความถี่
พฤติกรรมของเซนเซอร์ขึ้นอยู่ทั้งหมดกับว่าความถี่กระตุ้นตกอยู่ตรงไหนเมื่อเทียบกับความถี่ธรรมชาติของมันเอง — และเซนเซอร์สองตระกูลหลักตั้งใจทำงานคนละด้านของเรโซแนนซ์:
- ต่ำกว่าความถี่ธรรมชาติ (สภาวะ accelerometer): มวลกับ housing เคลื่อนที่แทบจะพร้อมกัน และการโก่งตัวคงเหลือเล็กน้อยของมวลจะแปรผันตาม การเร่งความเร็ว. Piezoelectric และ MEMS accelerometer ทำงานในช่วงนี้ ต่ำกว่า mounted resonance สูงของมัน
- ที่ความถี่ธรรมชาติ: ระบบจะเกิดเรโซแนนซ์ — เอาต์พุตถูกขยายแต่บิดเบือนและไม่น่าเชื่อถือ จึงหลีกเลี่ยงการวัดใกล้เรโซแนนซ์
- สูงกว่าความถี่ธรรมชาติ (สภาวะ seismometer): มวลจะคงที่อยู่กับที่โดยมีผลเหมือน housing สั่นอยู่รอบ ๆ และการเคลื่อนที่สัมพัทธ์จะตามการ การกระจัด (หรือความเร็ว) ของ housing Displacement seismometer และ moving-coil velocity pickup ทำงานในช่วงนี้ สูงกว่าความถี่ธรรมชาติต่ำของมัน
- ช่วงการใช้งาน: โดยทั่วไป velocity pickup จะใช้เหนือประมาณ 2× ของความถี่ธรรมชาติของมัน ซึ่งเป็นช่วงที่การตอบสนองนิ่งและแบน ส่วน accelerometer จะใช้ต่ำกว่า mounted resonance ของมันอย่างชัดเจน — โดยทั่วไปถึงประมาณหนึ่งในสามเพื่อความแม่นยำที่ดี
2. ประเภทของทรานสดิวเซอร์แบบซีสติก
ตัวแปลงความเร็ว (ขดลวดเคลื่อนที่)
- แม่เหล็กแขวนอยู่บนสปริงภายในขดลวดคงที่ (หรือกลับกัน)
- ความเร็วสัมพัทธ์ระหว่างแม่เหล็กกับขดลวดสร้างแรงดันไฟฟ้าจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
- ความถี่ธรรมชาติโดยทั่วไป 8–15 Hz
- ใช้งานได้จริงตั้งแต่ประมาณ 16–30 Hz ขึ้นไป
- วัดความเร็วได้โดยตรง จึงไม่ต้องอินทิเกรตสัญญาณ
เครื่องวัดความเร่ง
- พีโซอิเล็กทริก ชนิดนี้ใช้ผลึก piezo เพื่อตรวจจับแรงเฉื่อยของมวล
- เซ็นเซอร์แบบ MEMS ใช้การรับสัญญาณแบบ Capacitive หรือ Piezoresistive บนองค์ประกอบที่ได้รับการประมวลผลขนาดจุลภาค
- ความถี่ธรรมชาติ (เมื่อติดตั้ง) สูงกว่ามาก โดยทั่วไป 10–30 kHz
- ต่างจาก velocity pickup ซึ่งใช้ ด้านล่าง เรโซแนนซ์: ใช้งานได้ตั้งแต่ประมาณ 1 Hz ถึงราวหนึ่งในสามของความถี่ mounted resonance
- วัดความเร่ง ซึ่งสามารถรวมเข้าเพื่อหาความเร็วหรือการเคลื่อนที่
3. เซ็นเซอร์ประเภท Seismic เปรียบเทียบกับ Non-Seismic
ตระกูล Seismic เข้าใจได้ดีที่สุดโดยเปรียบเทียบกับเซ็นเซอร์ที่อาศัยการอ้างอิงจากภายนอก
เซ็นเซอร์ซีสมิก (จุดอ้างอิงเชิงเฉื่อย)
- แอคเซเลอโรมิเตอร์และตัวแปลงความเร็ว
- วัดการเคลื่อนที่แบบสัมบูรณ์ในพื้นที่เฉื่อย
- ติดตั้งโดยตรงบนโครงสร้างที่สั่นสะเทือน
- มีมวลภายในของตัวเองเป็นจุดอ้างอิง
- ตัวเลือกที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการตรวจสอบเครื่องจักร
เซ็นเซอร์ที่ไม่ใช่ซีสมิก (จุดอ้างอิงภายนอก)
- โพรบวัดระยะใกล้ (เซ็นเซอร์แบบ eddy-current)
- วัดการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างสองพื้นผิว
- ต้องการจุดติดตั้งแบบอยู่นิ่งเพื่อใช้เป็นจุดอ้างอิง
- โดยทั่วไปวัดการเคลื่อนที่ของเพลาสัมพัทธ์กับตลับลูกปืน
- มาตรฐานสำหรับการวัดการสั่นสะเทือนของเพลาในเครื่องจักร ตลับลูกปืนแบบเจอร์นัล.
4. ข้อดีของการออกแบบแบบ Seismic
จุดอ้างอิงในตัว
- ไม่จำเป็นต้องมีกรอบอ้างอิงจากภายนอก
- เซ็นเซอร์สามารถติดตั้งได้เกือบทุกที่บนโครงสร้างที่สั่นสะเทือน
- รายงานการเคลื่อนที่แบบสัมบูรณ์ที่แท้จริงในพื้นที่เฉื่อย
ความอเนกประสงค์
- ประเภทเซนเซอร์เดียวครอบคลุมการใช้งานมากมายหลายประเภท
- เหมาะสำหรับการสำรวจชั่วคราวและการติดตั้งแบบถาวร
- ความสะดวกในการพกพาจากเครื่องจักรหนึ่งไปยังอีกเครื่องหนึ่ง
ความเก่งกาจนี้คือเหตุผลที่เครื่องมือพกพาอาศัยเซนเซอร์เหล่านี้ ทั่วโลก Balanset-1Aตัวอย่างเช่น รับค่าอ่านจากเครื่องวัดความเร่งที่ยึดไว้ที่ฮาউสซิ่งตลับลูกปืน — เซนเซอร์แบบแรงโน้มถ่วงที่อ้างอิงตัวเอง ซึ่งไม่ต้องการจุดอ้างอิงคงที่ จึงช่วยให้วิศวกรสามารถย้ายไปยังจุดวัดและเครื่องจักรต่างๆ ได้อย่างรวดเร็วขณะทำการสมดุลฟิลด์
5. ข้อจำกัด
ข้อจำกัดการตอบสนองความถี่
- Velocity pickup ไม่สามารถวัดได้อย่างน่าเชื่อถือต่ำกว่าประมาณ 2× ของความถี่ธรรมชาติ โดยเฉพาะชนิด moving-coil จะตอบสนองไม่ดีต่ำกว่า 15–20 Hz มีการแลกเปลี่ยนโดยเนื้อแท้: ความถี่ธรรมชาติต่ำให้ความสามารถที่ความถี่ต่ำดีขึ้น แต่ต้องใช้เซนเซอร์ที่ใหญ่และหนักกว่า
- Accelerometer จะสูญเสียความแม่นยำเมื่อความถี่วัดเข้าใกล้ mounted resonance ของมัน ขีดจำกัดบนในทางปฏิบัติ (โดยทั่วไปประมาณหนึ่งในสามของ mounted resonance) ขึ้นกับวิธีติดตั้งอย่างมาก (ดู ISO 5348)
- ในช่วงต่ำมาก การตอบสนองของ accelerometer ถูกจำกัดด้วย sensing element และวงจรขยายมากกว่าระบบแขวนมวลแผ่นดินไหว — โดยทั่วไปลงได้ถึงประมาณ 0.5–1 Hz สำหรับรุ่นอุตสาหกรรมมาตรฐาน
วัดการเคลื่อนที่ของตัวเรือน
- เซนเซอร์รายงานการเคลื่อนไหวของฮาউสซิ่งตลับลูกปืน ไม่ใช่เพลาโดยตรง
- การสั่นสะเทือนของฮาউสซิ่งไม่เหมือนกับการสั่นสะเทือนของเพลา — มันถูกกรองโดยความแข็งของตลับลูกปืนและโครงสร้างโดยรอบ
- เมื่อโคจรเพลาที่แท้จริงคือสิ่งที่มีความสำคัญ จำเป็นต้องใช้โพรบความใกล้ชิดแทน
6. การใช้งาน
การตรวจสอบสภาพเครื่องจักร
- การวัดการสั่นสะเทือนของฮาউสซิ่งตลับลูกปืน
- แนวโน้มการสั่นสะเทือนทั้งหมด
- ข้อบกพร่องของแบริ่ง การตรวจจับ.
- การวินิจฉัยเครื่องจักรหมุนตัวทั่วไป
การสั่นสะเทือนของโครงสร้าง
- การสำรวจการสั่นสะเทือนของอาคารและฐานราก
- การตรวจสอบการสั่นสะเทือนแผ่นดินของแผ่นดินไหว
- การวัดการสั่นสะเทือนที่เกิดจากเครื่องจักร
การวิเคราะห์โหมด
- การวัดการตอบสนองของโครงสร้างต่อการกระแทกที่สอบเทียมแล้ว
- การกำหนด ความถี่ธรรมชาติ และ โหมดรูปร่าง.
- การสร้าง ฟังก์ชันการตอบสนองความถี่ ใช้ใน การวิเคราะห์โหมด.
ทรานสดิวเซอร์แบบแผ่นดินไหวซึ่งใช้มวลแขวนภายในเป็นจุดอ้างอิงเฉื่อย เป็นรากฐานของการวัดการสั่นสะเทือนในเครื่องจักรหมุน การเข้าใจหลักการแบบแผ่นดินไหว — ว่ามวลที่แขวนช่วยให้วัดการเคลื่อนที่สัมบูรณ์ได้อย่างไร และเหตุใด velocity pickup จึงทำงานเหนือความถี่ธรรมชาติ ในขณะที่ accelerometer ทำงานต่ำกว่า mounted resonance — จะอธิบายทั้งจุดแข็งและข้อจำกัดของเครื่องมือหลักสองชนิดนี้ในทุกโปรแกรมการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนอุตสาหกรรม
