Hiểu về cảm biến 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 bên trong (“proof mass”) được treo trên lò xo hoặc các phần tử uốn đàn hồi làm chuẩn quán tính, cho phép nó đo chuyển động tuyệt đối của đế cảm biến. Khi vỏ cảm biến rung, chuyển động tương đối giữa khối lượng treo và vỏ được chuyển đổi thành tín hiệu điện đại diện cho rung động. Tùy theo tần số đo nằm ở đâu so với tần số tự nhiên, cảm biến làm việc theo một trong hai chế độ: phía trên cộng hưởng, khối lượng có xu hướng đứng yên trong không gian và chuyển động tương đối bám theo độ dịch chuyển của vỏ (chế độ địa chấn kế và đầu đo vận tốc cổ điển), trong khi phía dưới cộng hưởng, độ lệch nhỏ còn lại của khối lượng tỷ lệ với gia tốc của vỏ (chế độ gia tốc kế). Đặc điểm xác định là chuẩn tham chiếu được mang theo 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 cảm biến 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:
- Khối lượng địa chấn: khối lượng chứng thực được hiệu chuẩn treo bên trong vỏ cảm biến.
- Lò xo: 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 hoàn toàn phụ thuộc vào vị trí của tần số kích thích so với tần số riêng của chính nó — và hai họ cảm biến chính cố ý làm việc ở hai phía đối lập của cộng hưởng:
- Dưới tần số riêng (chế độ gia tốc kế): khối lượng và vỏ chuyển động gần như cùng nhau, và độ lệch nhỏ còn lại của khối lượng tỷ lệ với gia tốc. Gia tốc kế áp điện và MEMS làm việc ở đây, dưới cộng hưởng lắp đặt cao của chúng.
- Ở tần số cộng hưởng: hệ thống cộng hưởng — đầu ra được khuếch đại nhưng bị méo và không đáng tin cậy, vì vậy tránh đo gần cộng hưởng.
- Trên tần số riêng (chế độ địa chấn kế): khối lượng hầu như đứng yên trong khi vỏ rung xung quanh nó, và chuyển động tương đối bám theo sự dịch chuyển (hoặc vận tốc) của vỏ. Địa chấn kế dịch chuyển và đầu đo vận tốc cuộn dây động làm việc ở đây, phía trên tần số riêng thấp của chúng.
- Dải khả dụng: đầu đo vận tốc theo quy ước được sử dụng phía trên khoảng 2× tần số riêng của nó, nơi đáp ứng đã ổn định và phẳng; gia tốc kế được sử dụng đủ xa dưới cộng hưởng lắp đặt của nó — thường tới khoảng một phần ba giá trị đó để có độ chính xác tốt.
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 riêng (khi lắp đặt) cao hơn nhiều, thường là 10–30 kHz.
- Không giống đầu đo vận tốc, được sử dụng dưới đây cộng hưởng: dùng được từ khoảng 1 Hz đến xấp xỉ một phần ba tần số cộng hưởng khi lắp đặt.
- 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
Tham chiếu tự chứa
- 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
- Đầu đo vận tốc không thể đo tin cậy dưới khoảng 2× tần số riêng của chúng; riêng các loại cuộn dây động đáp ứng kém dưới 15–20 Hz. Có một sự đánh đổi cố hữu: tần số riêng thấp hơn cho khả năng đo tần số thấp tốt hơn nhưng đòi hỏi cảm biến lớn và nặng hơn.
- Gia tốc kế mất độ chính xác khi tần số đo tiến gần cộng hưởng lắp đặt của chúng; giới hạn trên thực tế (thường khoảng một phần ba cộng hưởng lắp đặt) phụ thuộc mạnh vào phương pháp lắp đặt (xem ISO 5348).
- Ở đầu rất thấp của dải tần, đáp ứng của gia tốc kế bị giới hạn bởi phần tử cảm biến và điện tử khuếch đại hơn là hệ treo địa chấn — thường xuống tới khoảng 0.5–1 Hz đối với các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn.
Đo chuyển động của vỏ
- 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.
- Lỗi ổ trục phát hiện.
- 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 modal
- Đo phản ứng của một cấu trúc đối với một tác động được hiệu chuẩn.
- Xác định tần số tự nhiên and hình dạng chế độ.
- Xây dựng chức năng đáp ứng tần số dùng trong phân tích modal.
Các đầu đo địa chấn, sử dụng một khối lượng treo bên trong làm chuẩn quán tính, tạo nền tảng cho phép đo rung trên máy quay. Nắm vững nguyên lý địa chấn — cách một khối lượng treo cho phép đo chuyển động tuyệt đối, và vì sao đầu đo vận tốc làm việc phía trên tần số riêng trong khi gia tốc kế làm việc phía dưới cộng hưởng lắp đặt — sẽ giải thích cả điểm mạnh lẫn giới hạn của hai công cụ chủ lực này trong mọi chương trình phân tích rung công nghiệp.
