Hiểu về máy đo gia tốc áp điện
A máy đo gia tốc áp điện là một rung động cảm biến khai thác hiệu ứng áp điện — tính chất mà các tinh thể nhất định phát sinh một điện tích khi bị ứng suất cơ học — để chuyển đổi cơ học gia tốc thành một tín hiệu điện tỷ lệ thuận với biên độ rung động. Khi cảm biến gia tốc, một khối lượng seismic nội bộ nén hoặc cắt một phần tử áp điện, và điện tích hoặc điện áp kết quả được điều chỉnh và xuất ra như một tín hiệu đo lường. Nhờ vào dải tần số rộng (khoảng 0.5 Hz đến 50+ kHz), độ nhạy cao, độ bền chắc, và một phần tử cảm biến tự phát sinh không cần năng lượng bên ngoài, gia tốc kế áp điện là cảm biến rung động được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp và là nền tảng của Phân tích rung động và theo dõi tình trạng.
1. Hiệu ứng Áp điện
Nguyên tắc vật lý
- Một số tinh thể (thạch anh, tourmaline) và gốm sứ (PZT, bari titanat) có tính chất áp điện
- Ứng suất cơ học tạo ra một điện tích trên bề mặt của tinh thể’s.
- Điện tích tỷ lệ thuận với lực tác dụng.
- Hiệu ứng này có thể đảo ngược — tác dụng một điện áp làm cho phần tử biến dạng.
- Nó tự phát sinh, do đó không cần điện để tạo ra điện tích.
Bên trong gia tốc kế
Chuỗi từ chuyển động đến tín hiệu là ngắn và trực tiếp:
- Rung động gia tốc đế cảm biến và vỏ.
- Khối lượng seismic nội bộ trải qua một lực, F = m × a.
- Lực đó gây áp lực lên tinh thể áp điện.
- Tinh thể sinh ra một điện tích tỷ lệ với lực, và do đó tỷ lệ với gia tốc.
- Điện tích được tập trung trên các điện cực và được chuyển đổi thành tín hiệu có thể đo được.
Vì đầu ra theo dõi gia tốc, tín hiệu tương tự có thể được tích hợp điện tử để vận tốc để phân tích lỗi tần số trung bình, hoặc được sử dụng trực tiếp cho công việc tần số cao.
2. Phân loại theo thiết kế nội bộ
Cách tinh thể được tải bởi khối lượng địa chấn xác định tính chất của cảm biến’s.
- Loại nén: thiết kế phổ biến nhất, với tinh thể bị nén giữa khối lượng và đế. Bền chắc, với phạm vi nhiệt độ rộng, nó phù hợp với những môi trường khắc nghiệt — nhưng nó có thể nhạy cảm hơn đối với biến dạng đế và sự thay đổi nhiệt tức thời.
- Shear type: tinh thể bị cắt bởi chuyển động của khối lượng. Hình học này cung cấp sự cách ly biến dạng đế tuyệt vời, đáp ứng tần số thấp hơn, và độ nhạy cảm thấp đối với sự thay đổi nhiệt tức thời, đó là lý do tại sao gia tốc kế kiểu cắt là lựa chọn cao cấp cho các phép đo đầy thách thức.
- Loại uốn cong (bending): tinh thể hoạt động trong chế độ uốn cong, cho phép độ nhạy rất cao, nhưng nó kém bền chắc hơn và ít phổ biến hơn trong việc sử dụng công nghiệp.
3. Phân loại theo điện tử
Phân loại thứ hai liên quan đến việc liệu điện tử điều hòa tín hiệu nằm bên trong cảm biến hay bên ngoài nó.
- Chế độ điện tích: đầu ra là một điện tích thô tính bằng picocoulombs, yêu cầu một bộ khuếch đại điện tích. Đầu ra trở kháng cao nhạy cảm với chuyển động cáp và nhiễu triboelectric, nhưng không có điện tử bên trong, những cảm biến này chịu được các nhiệt độ cực (lên đến khoảng 650 °C), làm cho chúng không thể thiếu cho các ứng dụng tỏa nhiệt đặc biệt.
- IEPE / ICP (chế độ điện áp): điện tử tích hợp chuyển đổi điện tích thành điện áp trở kháng thấp. Cái IEPE giao diện — cũng được mô tả như là một cảm biến gia tốc chế độ điện áp — là tiêu chuẩn của ngành, cung cấp kết nối hai dây đơn giản và miễn dịch nhiễu xuất sắc. Nó phục vụ tốt cho hơn 95 % các ứng dụng công nghiệp.
4. Thông số hiệu suất
độ nhạy
độ nhạy là đầu ra trên mỗi đơn vị gia tốc — thường là 10–100 mV/g cho cảm biến IEPE, hoặc 1–100 pC/g cho chế độ điện tích. Độ nhạy cao hơn cho độ phân giải tốt hơn nhưng phạm vi tối đa thấp hơn, do đó con số được chọn để phù hợp với các mức dao động dự kiến; cái máy tính độ nhạy cảm biến rung giúp chuyển đổi giữa điện áp đầu ra và gia tốc tương ứng.
Dải tần số
- Tần số thấp: giới hạn dưới khoảng 0,5–5 Hz, được đặt bởi phần điện tử.
- Tần số cao: giới hạn trên 5–50 kHz, được điều chỉnh bởi sự cộng hưởng.
- Usable range: thường lên đến khoảng một phần ba tần số cộng hưởng Tính thường xuyên, nơi phản ứng vẫn bằng phẳng.
- Hiệu ứng lắp đặt: phương pháp lắp đặt lớn mạnh giới hạn phản ứng tần số cao khả thi.
Tầm biên độ và tầm động
- Mục đích chung: ±50 g đến ±500 g.
- Độ nhạy cao: ±5 g đến ±50 g.
- Cảm biến sốc: ±500 g đến ±10.000 g.
Tín hiệu không bao giờ được vượt quá tầm của cảm biến’s, nếu không nó sẽ bị cắt ngắn và có thể làm hỏng phần tử; một dynamic range cho phép một cảm biến phân giải cả âm thanh ổ đỡ yếu và dao động tốc độ chạy mạnh trong cùng một phép đo.
5. Tiêu chí lựa chọn
Phù hợp cảm biến với công việc là trái tim của một thiết lập đo lường tốt.
- Giám sát máy móc chung: một gia tốc kế IEPE 100 mV/g với tầm ±50 g, phản ứng 1 Hz–10 kHz, đánh giá nhiệt độ công nghiệp (−40 đến +120 °C), và một con dấu kín.
- Phát hiện khiếm khuyết ổ đỡ: phản ứng tần số cao hơn (đến 20+ kHz) để nắm bắt tần số lỗi ổ trục, độ nhạy vừa (10–50 mV/g), tầm động rộng, và lắp đặt bằng ốc để kết hợp tần số cao tốt nhất — sự kết hợp đúng để bắt khuyết tật ổ trục.
- Ứng dụng nhiệt độ cao: IEPE nhiệt độ cao (đến khoảng 175 °C) hoặc chế độ sạc (đến khoảng 650 °C), với lắp đặt và cáp đặc biệt, chấp nhận một số trao đổi hiệu suất cho khả năng nhiệt độ.
6. Lắp đặt và Cài đặt
Giao diện lắp đặt là một phần của hệ thống đo lường: nó quyết định tần số cộng hưởng lắp đặt và do đó là giới hạn tần số cao. Từ tốt nhất đến tệ nhất:
- Giá đỡ bu-lông: khớp nối tốt nhất, phẳng đến trên 10 kHz.
- Chất kết dính: tốt, phẳng đến khoảng 7–8 kHz.
- Từ tính: chấp nhận được, phẳng đến khoảng 2–3 kHz.
- Đầu dò / cầm tay: kém — giới hạn ở tần số thấp và đọc định tính.
Để có dữ liệu tần số cao đáng tin cậy, bề mặt phải sạch sẽ và phẳng, bu lông được xiết đúng, bất kỳ lớp chất dính nào phải mỏng và đều, đế từ tính phải lót sát ngay, và cáp phải được cố định để tránh kéo. máy tính cộng hưởng gắn kết ước tính vị trí mỗi phương pháp có dải sử dụng hữu ích; đối với các cảm biến được cài đặt vĩnh viễn, các nguyên tắc của cách lắp đặt cảm biến được mã hóa trong Tiêu chuẩn ISO 5348.
Ngoài thực tế, những cảm biến này là đầu vào phía trước của mọi máy phân tích di động. Một thiết bị hai kênh như Balanset-1A sử dụng đo gia tốc IEPE để ghi lại biên độ và pha được đồng bộ hóa cần thiết cho cân bằng một mặt phẳng và hai mặt phẳng cân bằng và để chẩn đoán định kỳ trong vòng bi của chính máy ở tốc độ hoạt động. Cùng với đầu dò gần nhất và bộ chuyển đổi vận tốc, đo gia tốc áp điện là một trong ba loại rung động chính transducers — và đến rất linh hoạt, đó là lý do tại sao nó vẫn là xương sống của giám sát rung động công nghiệp, chẩn đoán và cân bằng trên toàn thế giới.
