Розуміння п'єзоелектричних акселерометрів
A п'єзоелектричний акселерометр є вібрація датчик, що використовує п'єзоелектричний ефект — властивість, завдяки якій певні кристали генерують електричний заряд під дією механічного навантаження — для перетворення механічної прискорення в електричний сигнал, пропорційний амплітуді вібрації. Коли датчик прискорюється, внутрішня сейсмічна маса стискає або зсуває п'єзоелектричний елемент, а утворений заряд або напруга обробляються та виводяться у вигляді вимірювального сигналу. Завдяки широкому діапазону частот (приблизно від 0,5 Гц до понад 50 кГц), високій чутливості, міцності та самогенерувальному чутливому елементу, що не потребує зовнішнього живлення, п'єзоелектричний акселерометр є найпоширенішим датчиком вібрації в промисловості та основою сучасних аналіз вібрації та моніторинг стану.
1. П'єзоелектричний ефект
Фізичний принцип
- Деякі кристали (кварц, турмалін) та кераміка (PZT, титанат барію) є п'єзоелектричними.
- Механічне навантаження створює електричний заряд на поверхнях кристала.
- Заряд пропорційний прикладеній силі.
- Цей ефект є оборотним — під дією напруги елемент деформується.
- Він самогенерується, тому для утворення заряду не потрібне зовнішнє джерело живлення.
Всередині акселерометра
Ланцюжок від руху до сигналу є коротким і прямим:
- Вібрація прискорює рух основи датчика та корпусу.
- На внутрішню сейсмічну масу діє сила F = m × a.
- Ця сила створює напруження в п'єзоелектричному кристалі.
- Кристал генерує заряд, пропорційний силі, а отже, і прискоренню.
- Заряд накопичується на електродах і перетворюється на вимірюваний сигнал.
Оскільки вихідний сигнал відстежує прискорення, цей самий сигнал можна електронним шляхом інтегрувати для швидкість для аналізу несправностей у середньочастотному діапазоні або безпосередньо для роботи у високочастотному діапазоні.
2. Типи за внутрішньою конструкцією
Те, як кристал навантажується сейсмічною масою, визначає характеристики датчика.
- Тип стиснення: найпоширеніша конструкція, в якій кристал стискається між масивом і основою. Завдяки міцності та широкому діапазону робочих температур вона підходить для експлуатації в суворих умовах, але може бути більш чутливою до деформації основи та перепадів температури.
- Ріжучий тип: кристал зсувається під дією руху маси. Така геометрія забезпечує чудову ізоляцію деформації основи, кращу частотну характеристику в низькому діапазоні та низьку чутливість до перехідних температурних процесів, саме тому акселерометр зсуву — це найкращий вибір для вимірювань, що вимагають високої точності.
- Тип на розгин (згинання): Кристал ефективно працює при згині, що забезпечує дуже високу чутливість, але він менш міцний і рідше застосовується у промисловості.
3. Типи за типом електроніки
Друга класифікація стосується того, чи розміщена електроніка обробки сигналів усередині датчика, чи зовні.
- Режим зарядки: результатом є значення заряду у пікокулонах, що вимагає підключення зовнішнього підсилювач заряду. Вихід з високим імпедансом чутливий до руху кабелю та трибоелектричний шум, але завдяки відсутності внутрішніх електронних компонентів ці датчики витримують екстремальні температури (до приблизно 650 °C), що робить їх незамінними для спеціалізованих застосувань у умовах високих температур.
- IEPE / ICP (режим напруги): вбудована електроніка перетворює заряд на напругу з низьким імпедансом. ІЄПЕ інтерфейс — також називають акселерометр, що працює в режимі напруги — є галузевим стандартом, що забезпечує просте двопровідне підключення та чудову стійкість до перешкод. Цей стандарт застосовується у понад 95 % промислових систем.
4. Технічні характеристики
Чутливість
Чутливість — це вихідний сигнал на одиницю прискорення; зазвичай він становить 10–100 мВ/г для датчиків типу IEPE або 1–100 пКл/г для датчиків зарядного типу. Більша чутливість забезпечує вищу роздільну здатність, але менший максимальний діапазон, тому значення вибирають відповідно до очікуваних рівнів вібрації; калькулятор чутливості датчика вібрації допомагає перетворювати вихідну напругу у відповідне прискорення.
Діапазон частот
- Низька частота: нижня межа приблизно 0,5–5 Гц, встановлена електронікою.
- Висока частота: верхня межа 5–50 кГц, що визначається встановленим резонанс.
- Дальність дії: як правило, приблизно до однієї третини резонансу частота, де реакція залишається незмінною.
- Ефект кріплення: Спосіб кріплення суттєво обмежує можливі характеристики на високих частотах.
Діапазон амплітуди та динамічний діапазон
- Загальне призначення: від ±50 г до ±500 г.
- Висока чутливість: від ±5 г до ±50 г.
- Датчики удару: від ±500 г до ±10 000 г.
Сигнал ні в якому разі не повинен виходити за межі діапазону датчика, інакше він буде обрізатися, що може призвести до пошкодження елемента; широкий динамічний діапазон дозволяє одному датчику фіксувати як слабкі тони, що вказують на напрямок руху, так і сильні вібрації, пов’язані зі швидкістю руху, під час одного вимірювання.
5. Критерії відбору
Правильний підбір датчика до конкретного завдання — це основа якісної вимірювальної установки.
- Загальний моніторинг обладнання: акселерометр типу IEPE з чутливістю 100 мВ/г, діапазоном вимірювання ±50 g, частотним діапазоном 1 Гц–10 кГц, робочим діапазоном температур від -40 до +120 °C та герметичним корпусом.
- Виявлення дефектів підшипників: ширший частотний діапазон (до 20+ кГц) для запису частоти несправностей підшипників, помірна чутливість (10–50 мВ/г), широкий динамічний діапазон та кріплення на шпильках для найкращого високочастотного зв’язку — ідеальне поєднання для виявлення початкових дефекти підшипників.
- Використання в умовах високих температур: високотемпературний IEPE (до приблизно 175 °C) або режим завантаження (до приблизно 650 °C) зі спеціальним кріпленням та кабельним підключенням, що передбачає певний компроміс у продуктивності на користь температурної стійкості.
6. Монтаж та встановлення
Кріпильний інтерфейс є частиною вимірювальної системи: він визначає резонанс кріплення, а отже, і верхню межу частотного діапазону. Від найкращого до найгіршого:
- Шпилька: найкраща частотна характеристика, рівна до 10+ кГц.
- Клей: хороша, рівна приблизно до 7–8 кГц.
- Магнітний: прийнятний, рівний до частоти приблизно 2–3 кГц.
- Зонд / портативний прилад: недостатній — обмежується низькими частотами та якісними показниками.
Для отримання надійних високочастотних даних поверхня повинна бути чистою та рівною, кріпильний штифт затягнутий з дотриманням необхідного моменту, шар клею — тонким і рівномірним, магнітна основа — щільно притиснута, а кабель закріплений таким чином, щоб уникнути його витягування. калькулятор резонансу кріплення визначає межі діапазону, придатного для використання кожного методу; для стаціонарних датчиків принципи правильного кріплення датчика кодифіковані в ISO 5348.
У польових умовах ці датчики є основною частиною кожного портативного аналізатора. Двоканальний прилад, такий як Балансет-1а використовує акселерометри типу IEPE для вимірювання синхронізованих амплітуди та фази, необхідних для одно- та двоплощинного балансування а також для проведення планової діагностики підшипників самого верстата на робочій швидкості. Разом із датчиком наближення та датчик швидкості, п'єзоелектричний акселерометр є одним із трьох основних датчиків вібрації датчики — і, безперечно, найуніверсальніший, саме тому він залишається основою промислового моніторингу вібрації, діагностики та балансування в усьому світі.
