Hiểu về máy biến đổi địa chấn
A cảm biến địa chấn — còn được gọi là cảm biến địa chấn hoặc bộ chuyển đổi quán tính — là một rung động cảm biến sử dụng một khối lượng địa chấn nội bộ (một “khối lượng bằng chứng”) được treo trên các lò xo hoặc các mảnh uốn linh hoạt làm tài liệu tham khảo quán tính, cho phép nó đo lường chuyển động tuyệt đối của cơ sở cảm biến. Khi vỏ rung động, khối lượng treo lơ lửng có xu hướng ở yên trong không gian (với điều kiện là tần số cao hơn tần số tự nhiên của hệ thống khối lượng-lò xo tần số tự nhiênđược chuyển đổi thành tín hiệu điện biểu thị rung động. Đặc điểm xác định là tham chiếu được mang bên trong cảm biến, vì vậy không cần tham chiếu bên ngoài cố định.
Tên gọi “địa chấn” xuất phát từ thiết bị đo đất rung: khối lượng treo của máy đo địa chấn vẫn còn tương đối đứng yên trong khi mặt đất chuyển động dưới nó. Trong giám sát máy móc, cả hai bộ chuyển đổi vận tốc and Máy đo gia tốc là bộ chuyển đổi địa chấn theo nghĩa này, mặc dù thuật ngữ thường được liên kết với bộ cảm biến vận tốc kinh điển.
1. Nguyên lý hoạt động
Hệ thống lò xo giảm chấn khối lượng
Mỗi bộ chuyển đổi địa chấn về cơ bản là một dao động cơ học nhỏ với bốn phần chức năng:
- Seismic mass: khối lượng chứng thực được hiệu chuẩn treo bên trong vỏ cảm biến.
- Mùa xuân: lò xo cơ học hoặc các thanh uốn mỏng hỗ trợ khối lượng.
- Giảm chấn: tắt dần do không khí, từ tính (dòng xoáy) hoặc chất lỏng kiểm soát cộng hưởng.
- Chuyển đổi: phần tử chuyển đổi chuyển động tương đối giữa khối lượng và vỏ thành điện áp.
Vùng đáp ứng tần số
Cách cảm biến hoạt động phụ thuộc hoàn toàn vào vị trí tần số kích thích so với tần số tự nhiên của nó:
- Dưới tần số tự nhiên: khối lượng và vỏ chuyển động cùng nhau, do đó độ chuyển động tương đối rất nhỏ và độ đáp ứng kém.
- Ở tần số cộng hưởng: hệ thống cộng hưởng — tín hiệu đầu ra được khuếch đại nhưng méo dạng và không đáng tin cậy.
- Trên tần số cộng hưởng: khối lượng thực tế giữ nguyên vị trí trong khi vỏ rung động xung quanh nó. Đây là vùng đo lường tốt.
- Usable range: thường được coi là cao hơn khoảng 2× tần số cộng hưởng, nơi mà đáp ứng đã ổn định và phẳng.
2. Các loại Cảm biến Địa chấn
Bộ chuyển đổi tốc độ (Cuộn dây chuyển động)
- Nam châm được lơ lửng trên các lò xo bên trong cuộn dây cố định (hoặc ngược lại).
- Vận tốc tương đối giữa nam châm và cuộn dây tạo ra điện áp thông qua cảm ứng điện từ.
- Tần số cộng hưởng thường từ 8–15 Hz.
- Có thể sử dụng trên khoảng 16–30 Hz.
- Đo vận tốc trực tiếp, không cần tích phân tín hiệu.
Máy đo gia tốc
- Áp điện các loại sử dụng tinh thể piezo để cảm biến lực quán tính của khối lượng.
- Các loại MEMS sử dụng cảm biến điện dung hoặc piezoresistive trên phần tử được gia công vi mô.
- Tần số cộng hưởng cao hơn nhiều, thường từ 10–30 kHz.
- Có thể sử dụng từ khoảng 1 Hz trở lên.
- Đo gia tốc, có thể tích phân thành vận tốc hoặc chuyển vị.
3. Cảm biến Địa chấn so với Cảm biến không Địa chấn
Họ cảm biến địa chấn được hiểu rõ nhất qua so sánh với các cảm biến dựa vào tham chiếu bên ngoài.
Cảm biến địa chấn (Tham chiếu quán tính)
- Gia tốc kế và bộ chuyển đổi vận tốc.
- Đo chuyển động tuyệt đối trong không gian quán tính.
- Lắp đặt trực tiếp trên cấu trúc rung động.
- Mang theo khối lượng nội bộ của riêng chúng làm chuẩn tham chiếu.
- Lựa chọn phổ biến nhất để giám sát máy móc.
Cảm biến không địa chấn (Tài liệu tham khảo bên ngoài)
- Đầu dò tiệm cận (cảm biến dòng xoáy).
- Đo chuyển động tương đối giữa hai bề mặt.
- Yêu cầu một điểm lắp đặt cố định để tham chiếu.
- Thường đo chuyển động trục so với vòng bi.
- Tiêu chuẩn cho phép đo rung động trục trên máy móc với ổ trục.
4. Ưu điểm của Thiết kế Seismic
Tài liệu tham khảo độc lập
- Không cần khung tham chiếu bên ngoài.
- Cảm biến có thể được lắp đặt gần như ở bất kỳ đâu trên cấu trúc rung động.
- Nó báo cáo chuyển động tuyệt đối thực sự trong không gian quán tính.
Tính linh hoạt
- Một loại cảm biến đáp ứng được rất nhiều ứng dụng.
- Phù hợp với cả khảo sát tạm thời và cài đặt vĩnh viễn.
- Dễ dàng mang theo từ máy này sang máy khác.
Tính linh hoạt này là lý do tại sao các dụng cụ di động dựa vào chúng. Hai kênh Balanset-1A, chẳng hạn, lấy các phép đo từ gia tốc kế gắn trên vỏ vòng bi — cảm biến seismic tự tham chiếu không cần một mốc cố định, do đó kỹ sư có thể chuyển động nhanh chóng giữa các điểm đo và máy móc trong khi cân bằng tại chỗ.
5. Hạn chế
Giới hạn đáp ứng tần số
- Không thể đo tin cậy dưới khoảng 2 lần tần số tự nhiên.
- Đặc biệt là các bộ chuyển đổi vận tốc cuộn dây chuyển động phản ứng kém dưới 15–20 Hz.
- Có một sự đánh đổi vốn có: tần số tự nhiên thấp hơn mang lại phạm vi tần số thấp tốt hơn nhưng đòi hỏi cảm biến lớn hơn và nặng hơn.
Các biện pháp chuyển động nhà ở
- Cảm biến báo cáo chuyển động của vỏ ổ trục, không phải trực tiếp từ trục.
- Rung động vỏ không giống với rung động trục — nó được lọc bởi độ cứng của ổ trục và cấu trúc xung quanh.
- Nơi quỹ đạo trục thực sự là những gì quan trọng, các đầu dò cảm ứng điện là bắt buộc.
6. Ứng dụng
Giám sát tình trạng máy móc
- Đo lường rung động vỏ ổ trục.
- Theo dõi xu hướng rung động tổng thể.
- Bearing-defect detection.
- Chẩn đoán máy quay thông thường.
Rung động cấu trúc
- Khảo sát rung động tòa nhà và nền móng.
- Giám sát địa chấn của các trận động đất.
- Rung động tỏa ra từ máy móc qua mặt đất.
Phân tích mô hình
- Đo phản ứng của một cấu trúc đối với một tác động được hiệu chuẩn.
- Determining tần số tự nhiên and hình dạng chế độ.
- Building the chức năng đáp ứng tần số used in phân tích mô hình.
Các bộ chuyển đổi địa chấn, sử dụng khối lượng lơ lửng nội bộ làm tham chiếu quán tính, tạo thành nền tảng của phép đo rung động trên máy quay. Hiểu rõ nguyên tắc địa chấn — cách khối lượng lơ lửng cho phép đo chuyển động tuyệt đối, và tại sao phép đo đó chỉ có hiệu lực ở trên tần số tự nhiên của cảm biến — giải thích cả những điểm mạnh và hạn chế của máy gia tốc kế và bộ chuyển đổi vận tốc, hai công cụ chính của mọi chương trình phân tích rung động công nghiệp.
