Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

  • Величина вибрации измеряется на всех подшипниках электродвигателей в горизонтально- поперечном (перпендикулярно оси вала), горизонтально-осевом и вертикальном направлениях.
  • Измерение в двух первых направлениях производится на уровне оси вала, а в вертикальном – в наивысшей точке подшипника.
  • Вибрация электродвигателей измеряется виброметрами.
  • Повышенная вибрация может быть вызвана электромагнитными или механическими или иными причинами.
  • Электромагнитные причины возникновения вибрации электродвигателей:
  • неправильное выполнение соединений отдельных частей или фаз обмоток;
  • недостаточная жесткость корпуса статора, в следствии чего активная часть якоря притягивается к полюсам индуктора и вибрирует; замыкания различного вида в обмотках электродвигателей;
  • обрывы одной или нескольких параллельных ветвей обмоток;
  • неравномерный воздушный зазор между статором и ротором.
  • Механические причины вибрации электродвигателей:
  • неправильная центровка электродвигателя с рабочей машиной;
  • неисправности в соединительной муфте;
  • неуравновешенность вращающихся частей электродвигателя или рабочей машины;
  • ослабление крепления или посадки вращающихся частей.
  • Технические характеристики виброметров

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

Малогабаритный виброметр марки «К1» предназначен для проведения измерения вибрации в размерности виброскорости (мм/с) в стандартном диапазоне частот от 10 до 1000 Гц. Благодаря наличию всего одной кнопки управления, прибор может быть использован даже неквалифицированным персоналом.

  1. Преимуществами применения прибора «Виброметра -К1» являются:
  2. яркий экран, допускающий работу в широком диапазоне температур, до -20 градусов;
  3. малые габариты и вес;
  4. возможность длительной работы от встроенных аккумуляторов.
  5. Vibro Vision — переносный виброметр

Малогабаритный виброметр марки «Vibro Vision» предназначен для контроля уровня вибрации и экспресс-диагностики дефектов вращающегося оборудования. Позволяет измерять общий уровень вибрации (СКЗ, пик, размах), оперативно диагностировать состояние подшипников качения.

Виброметр регистрирует сигналы в размерности виброускорения, виброскорости, виброперемещения при помощи встроенного или внешнего датчика. На фотографии показано измерение вибрации прибором при помощи встроенного вибродатчика. В таком режиме виброметр наиболее удобен для простых и оперативных измерений.

При использовании внешнего датчика, устанавливаемого на контролируемом оборудовании при помощи магнита или с использованием щупа, можно проводить более сложные измерения. На второй фотографии в место контроля вибрации на магните установлен внешний датчик вибрации, который подключен к прибору.

Дополнительными функциями виброметра «Vibro Vision» являются определение состояния подшипников качения на основе расчета эксцесса виброускорения и простейший анализатор вибросигналов.

Прибор позволяет оценивать форму вибросигнала (256 отсчетов) и анализировать спектр вибросигнала (100 линий). Это позволяет «на месте» диагностировать некоторые дефекты, например, небаланс, расцентровка.

Эти функции позволяет диагностировать этим простым и дешевым прибором наиболее часто встречающиеся дефекты вращающегося оборудования.

Вся информация в виброметре показывается на графическом экране расширенного температурного диапазона, предусмотрена его подсветка. Пример изображения на экране в режиме регистрации виброускорения показан на рисунке.

  Тюнинг увеличение мощности дизельных двигателейДатчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

  • Виброметр может эксплуатироваться при температуре окружающего воздуха от минус 20 до плюс 50 градусов и относительной влажности воздуха до 98%, без конденсации влаги.
  • «Vibro Vision» питается от двух встроенных аккумуляторов размера АА, допускается работа от двух батарей аналогичного размера.
  • Источник

Чаще всего при диагностике осциллографом мы пользуемся стандартным набором диагностических датчиков и аксессуаров: линейки для экспресс-диагностики системы зажигания, щупы для подключения к датчикам автомобиля, датчиками давления и разрежения. И забываем, что в нашем арсенале инструментов имеются и другие, об одном из которых пойдёт речь в этой статье.

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

Датчик вибрации представляет из себя пьезоэлектрический элемент, заключенный в металлический корпус и подключаемый к осциллографу.

Работа такого датчика основана на прямом пьезоэлектрическом эффекте, а именно на преобразовании механической энергии в электрическую.

Как правило, такие датчики при диагностике устанавливается на топливопроводы для оценки работы форсунок (дизельных или бензиновых).

За счёт деформации топливопровода из-за изменяющегося внутри него давления, на выходе датчика формируется изменяющееся напряжение, которое и регистрирует осциллограф.

  1. В данной статье я постараюсь показать как это выглядит на практике и какие возможности открываются в диагностике.
  2. Производим необходимые подключения: датчик устанавливается на общий топливопровод.

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

Кабель датчика подключаем к первому каналу осциллографа.

Для того, чтобы определить, какая форсунка ведёт себя неправильно, подключаем высоковольтный датчик на ВВ-провод первого цилиндра. Синхронизацию подключаем ко второму каналу осциллографа.

Запускаем двигатель и после некоторого количества регулировок для читаемости осциллограммы получаем следующее:

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

Сигнал выглядит весьма зашумленным из-за общей вибрации двигателя автомобиля, но и в этом случае мы можем получить интересующую нас информацию. При внимательном рассмотрении заметны цикличные усиления сигнала на первом канале, которые соответствуют

моменту впрыска топливных форсунок.

При диагностике следует учитывать, что импульс, стоящий рядом с высоковольтным импульсом первого цилиндра, соответствует впрыску в 4-ом цилиндре (для четырёхцилиндрового двигателя, работающего по циклу 1-3-4-2), так как в момент искрообразования в первом цилиндре и начале рабочего хода поршня формируется топливо-воздушная смесь и производится её забор именно в 4-ом цилиндре.

  • Чтобы продемонстрировать, что произойдёт если одна из форсунок откажет в работе и перестанет впрыскивать топливо, программным способом отключим первую форсунку:
  • Как видно из приложенного видеофайла, после отключения форсунки на осциллограмме пропала группа импульсов, соответствующая впрыску первой форсунки.
  • Более наглядно это можно увидеть в другой программе:

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

Здесь серия импульсов соответствует открывающейся форсунке

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

А здесь ничего не происходит, так как давление в топливной рампе не меняется.

Импульсы синхронизации по второму каналу появились случайным образом после подключения сканера для программного управления форсункой, ими можно пренебречь.

Можно сделать вывод, что датчик вибрации весьма полезный инструмент в руках диагноста.

Он позволяет отслеживать работу форсунок в бензиновых двигателях, особенно в тех случаях, когда её невозможно или трудоёмко оценить обычными способами (осциллографирование сигнала с разъема форсунки или с помощью скрипта эффективности цилиндров).

В дизельных системах типа Common Rail датчик вибрации может использоваться в качестве датчика синхронизации при выполнении скрипта эффективности цилиндров, а также для проверки исправности форсунок.

В классических дизельных системах датчик вибрации поможет определить исправность отдельных форсунок.

  Сколько заливается масло в двигатель фиат альбеа

  1. Курахтанов Игорь ©Легион-Автодата
  2. Кострома, Малый переулок, 10 +7 (963) 930-18-21 режим работы 9-21
  3. autodiagnostic44.ru
  4. Источник

Как правильно установить датчики вибрации на промышленном оборудовании?

Продолжаем разговор о вибродиагностике. В этой публикации несколько ответов на частые вопросы по установке датчиков виброускорения на промышленное оборудование.

Какие бывают основные типы датчиков виброускорения?

Пьезоэлектрический датчик – IEPE :

IEPE: Промышленный стандарт для пьезоэлектрических датчиков (Integrated Electronics Piezo-Electric), вариант, соответствующий, IEPE стандарту — ICP (Integrated Circuit-Piezoelectric), от компании PCB Piezotronics .Пьезоэлектрический материал при механической нагрузке генерирует электрический заряд. Чувствительность датчика должна быть известна, обычно это 100 мВ/g, но есть и другие варианты чувствительности.

МЭМС: Микроэлектромеханическая система. Отклонение при ускорении вызывает изменение ёмкости, измеряемой между подвижным электродом и неподвижным электродом сравнения (прибл. 1 пф на весь диапазон измерения).

МЭМС разрабатывался как датчик для автомобильной промышленности, например, для срабатывания подушек безопасности от определенного значения ускорения (т.е. мониторинг предельного значения, на которое рассчитан датчик).

Какие различия между IEPE и МЭМС?

  • Пьезоэлектрические датчики имеют значительно больший динамический диапазон (более точный анализ), и, как следствие, лучшие возможности для оценки дефектов/прогрессирующих дефектов, например, с помощью анализа огибающей.
  • МЭМС-датчики имеют более узкий диапазон полезных частот.
  • Высокий уровень ошибочных измерений у МЭМС-датчиков из-за флуктуационных шумов, прежде всего для виброскорости на низких частотах.
  • МЭМС-датчики подвержены воздействию гравитационного поля земли (гравитационная постоянная), что делает обязательной их калибровку.

Какие существующие способы крепления датчиков виброускорения к механизму?

Самый распространённый вариант на шпильку с резьбой в случае ровной и гладкой поверхности. Верхняя предельная частота 10 – 25 кГц

Вполне подходит и винтовое крепление через переходник для неровных и/или окрашенных поверхностей. Верхняя предельная частота 10 – 25 кГц

Возможен вариант с монтажем на клей (обычно эпоксидная смола). Но здесь нужно следить, чтобы слой клея между поверхностью механизма и датчиком был минимальным, клей имеет пластичность, и это будет демпфировать вибрацию. Верхняя предельная частота будет меньше 10 – 18 кГц

Возможно использовать крепление на магниты, но только как временное решение или для переносных систем. Верхняя предельная частота зависит от усилия на отрыв и составляет около 5 – 15 кГц.

Использование датчика с ручным щупом возможно только для переносных систем. Верхняя предельная частота около 2 кГц

В каком направлении максимальная чувствительность у датчика виброускорения?

Обычно датчики вибрации выпускаются для измерения в одном направлении, но существуют датчики для измерения в трех направлениях. Насколько это удобно зависит от механизма, в большинстве случаев отдают предпочтение датчикам вибрации с одним направлением. Соответственно — максимальная чувствительность датчика обеспечивается в базовом направлении.

Разумеется, что необходимое направление измерения должно совпадать с базовым направлением датчика виброускорения!

Как выбрать место измерения?

Расстояние между источником вибрации, например, подшипником, и точкой установки датчика должно быть максимально прямым и коротким, настолько, насколько это возможно.

С увеличением расстояния высокочастотная вибрация ослабевает. Как правило, датчик виброускорения устанавливается рядом с подшипником.

  Нормальные обороты двигателя при езде на камазе

Каждое место сопряжения материалов (напр., на стыках) гасит и/или отражает измеряемый сигнал, следовательно единственным переходом на пути сигнала должно быть сопряжение между подшипником и его корпусом.

Нужно отметить, что не существует точных предписаний по выбору места для установки датчиков виброускорения.

На практике, выбор точки установки датчика может иметь большое число ограничений, обусловленных конструкцией машины, возможностью безопасной установки и подключения кабеля, условий обслуживания и т.п.

Лучший вариант перед непосредственным выбором места установки — провести предварительные измерения, чтобы обеспечить наилучшую точку установки из возможных.

Читайте также:  Датчик это: что такое, виды, классификация, устройство

По существу для стационарной системы вибромониторинга, на практике можно использовать не три датчика (осевой, вертикальный, горизонтальный), а только один для радиального направления измерения (см. также ISO20816-1). Этот датчик рекомендуется установить в пределах зоны нагрузки подшипника. Причём нужно отметить, что речь идёт о подшипнике качения.

Отметим, что в случае ременной или зубчатой передачи направление нагрузки определяется достаточно просто. При использовании муфты для соединения с ведомым звеном зона нагрузки зависит от точности осевой выверки.

Здесь рекомендуется устанавливать датчик под углом в 45 градусов в нижней части машины.

Это позволит выполнять мониторинг вибраций в одном среднем направлении что обеспечит среднюю чувствительность между двумя направлениями (горизонтальном и вертикальном), что обеспечит усреднённый мониторинг обоих направлений с учетом веса ротора.

Определение зоны нагрузки:

  • Зона нагрузки – это место, где конструкция механизма обуславливает влияние силы веса ротора на подшипник.
  • В этом направлении в максимальной степени проявляются вибрации, воздействующие на подшипник.
  • Поэтому рекомендуется выбрать точку установки датчика и его базовое направление внутри зоны нагрузки.

Почему не совпадают значения, измеренные с помощью переносной системы вибродиагностики и стационарной?

С одной стороны ответ на этот вопрос очень простой, с другой этот вопрос важен для настройки системы. Так как вибродиагностика измеряет значения в механических системах, то даже небольшое смещение датчика виброускорения от направления измерения будет давать иной результат.

Поэтому, если границы для предупреждения и тревоги были выбраны с помощью переносной системы (в осевом, вертикальном и горизонтальном направлении) по ГОСТ 10816-3, то это станет причиной ошибочной настройки стационарной системы и приведёт к ошибочной оценке вибрации, например, при установке одного датчика в зоне нагрузки.

Важно! измерения вибрации переносной и стационарной системы следует проводить с помощью одного и того же датчика, установленного в одном и том же месте.

Поэтому при настройке стационарной системы рекомендуется заново измерить величины вибрации с помощью размещенного в зоне нагрузки датчика и повторно определить пороги предупреждения и тревоги согласно ГОСТ 10816-3.

Какое направление является базовым в случае зубчатой и ремённой передачи?

  1. Направление нагрузки совпадает с обусловленным конструкцией механизма направлением действия силы на подшипник.
  2. В этом направлении энергия вибрации в подшипнике достигает максимальных значений.
  3. Поэтому рекомендуется при установке датчика выбрать базовое направление, противоположное направлению нагрузки.
  4. Для ремённой передачи механизмом обусловлено другое направление нагрузки и датчик ставится уже в другом направлении.
  5. Источник

Датчики ускорения и вибрации

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

Датчики ускорения и вибрации могут использоваться для вклю­чения системы пассивной защиты автомо­биля, выявления детонации и управления работой двигателя, а также контроля по­перечных ускорений и изменений скорости полноприводных автомобилей с ABS. Вот о том, какими бывают датчики ускорения и вибрации, мы и поговорим в этой статье.

Что измеряют датчики ускорения

Все датчики ускорения измеряют силы, воз­действующие на (инертные) массы m путем ускорения а согласно основному закону механики:

F=m·a 

Как и в случае с измерением силы, существуют системы для измерения и положения и ме­ханического напряжения. Первые особенно широко используются в области малых уско­рений.

Системы измерения положения также позволяют использовать компенсационный метод, в котором вызванное ускорением системное отклонение компенсируется эк­вивалентной восстанавливающей силой, так что в идеале система практически всегда работает очень близко к нулевой точке (высокая линейность, минимальная перекрестная чувствительность, стойкость к высоким тем­пературам).

Эти системы с управлением по положению также имеют большую жесткость и частоту отсечки, чем системы перемеще­ния того же типа. Здесь можно электронно создать любой недостаток механической амортизации.

Примеры типичных значений ускорений в автомобиле

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

Все датчики ускорения крепятся через пру­жины прямо к гравитационному маятнику (см. рис. «Датчики ускорения, измеряющие смещение«). Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчикиИными словами, инертная масса эластично соединяется с кузовом, ускорение которого требуется измерить. Это означает, что в ста­тическом случае сила ускорения находится в равновесии с восстанавливающей силой, воздействующей на пружину, отклоненную на х:

  • F = m·a = c·x
  • где с — постоянная пружины.
  • Следовательно, чувствительность измерения S будет равна:
  • S = x/a = m/c
  • Другими словами, большая масса вместе с небольшой жесткостью пружины (или по­стоянной пружины) дают высокую чувстви­тельность измерения. Если же уравнение записать полностью для статического и ди­намического случаев, то станет очевидно, что необходимо учитывать не только эластичность пружины, но и силу трения, и силу инерции:
  • F =т·а = сх+рх′+ т»

Эти компоненты пропорциональны логиче­ским выводам в отношении времени пере­мещения х (р — коэффициент трения). По­лучающееся дифференциальное уравнение описывает колеблющуюся (резонирующую) систему. Если трение считать ничтожно ма­лым (р ≈ 0), то резонансная частота системы будет равна:

  1. ω0 = √c/m
  2. Таким образом, чув­ствительность измерения S напрямую свя­зана с резонансной частотой ω0:
  3. S·ω02 = 1

Иными словами, можно ожидать, что при увеличении резонансной частоты вдвое чув­ствительность уменьшится в четыре раза. Конечно, такие пружинно-массовые системы демонстрируют адекватную пропорциональ­ность между измеренной переменной и ам­плитудой только при частоте, которая ниже их резонансной частоты.

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчикиВ случае чисто амплитудных систем не­обходимо обеспечить амортизацию, которая должна быть как можно точнее определена и как можно меньше зависима от температуры для получения как можно более унифицированного отклика частоты (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ) и предотвра­щения разрушительной остроты резонанса, которая может легко вывести систему из строя. Если коэффициент трения р нормали­зовать, то получим стандар­тизированный коэффициент амортизации D.

D = (p/2·c)·ω0 =p/(2·√c·m)

Этот коэффициент амортизации в значитель­ной степени определяет переходную и резо­нансную характеристики. В то время как при периодическом возбуждении с коэффициен­тами амортизации D >√2/2 ≈ 0,707 большей остроты резонанса уже не возникает (рис.

«Амплитудно-резонансная кривая» ), любое колеблющееся переходное состояние в случае ступенчатого возбуждения исчезает при коэффициенте D > 1.

Для достижения как можно более широкой полосы пропуска­ния на практике обычно используют компро­миссные значения D = 0,5-0,7.

Применение датчиков ускорения

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические биморфные упругие элементы (двухслойная пьезокерамика) используются в пусковых устройствах ава­рийных натяжителей ремней безопасности, подушек безопасности и штанг против опро­кидывания автомобиля (рис.

«Пьезоэлектрический датчик» ). Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчикиИх инерционная масса под действием ускорения вызывает деформацию, обеспечивающую достаточный динамический сигнал с благоприятными для обработки характеристиками (обычно предел по частоте равен 10 Гц).

Чувствительный элемент датчика располо­жен в герметичном корпусе, содержащем также предварительный усилитель сигнала. Иногда в целях физической защиты его по­мещают в гель. Принцип активации датчика можно также инверсировать. Дополнитель­ный активирующий электрод упрощает про­верку датчика (бортовая диагностика).

Продольные элементы используются в каче­стве датчиков детонации (датчиков ускорения) в отслеживающих системах зажигания.

С их по­мощью измеряется вибрационный шум в блоке двигателя (измеряемый диапазон ускорений составляет приблизительно 10g при обычной частоте колебаний 5-20 кГц).

Некапсулирован­ное пьезокерамическое кольцо измеряет силы инерции, воздействующие на сейсмическую массу той же формы. Однако сегодня для обна­ружения детонации почти исключительно ис­пользуются более современные поверхностно- микромеханические датчики.

Емкостные кремниевые датчики ускорения

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчикиПервое поколение микромеханических дат­чиков основывалось на анизотропии и се­лективных методах травления для получения необходимых свойств системы «пружина- масса» в пластине (объемная кремниевая микромеханика) и необходимого профиля пружины (рис. «Объемный кремниевый датчик ускорения» ).

Емкостные датчики оказались особенно эф­фективны при высокоточных измерениях от­клонения инерционной массы. В конструкции используются вспомогательные кремниевые или стеклянные пластины с противополож­ными электродами выше и ниже подпружи­ненной инерционной массы.

Создается трех­слойная конструкция, позволяющая защитить пластины и противоположные электроды от перегрузок. Заполнение герметично запаян­ной колебательной системы датчика точно отмеренным количеством воздуха — очень компактная, недорогая форма амортизации, которая также отличается низкой темпера­турной чувствительностью.

В существующих конструкциях для непосредственного соеди­нения трех кремниевых пластин почти всегда используется процесс плавления. Ввиду раз­ного теплового расширения у различных ком­понентов, их необходимо устанавливать на кассетную подложку. Это имеет решающее значение для точности измерений.

Использу­ется практически прямолинейный монтаж со свободной поддержкой в чувствительном диапазоне.

Датчики этого типа в основном исполь­зуются для определения ускорений низкого уровня (< 2g) и имеют двухпластинчатую конструкцию (пластина датчика + пластина CMOS со встроенной защитной функцией). Переход к расширенной оценке сигнала при­водит к автоматическому возврату сейсмиче­ской массы в нулевое положение, при этом активирующий сигнал используется как вы­ходная величина.

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчикиНыне также используются поверхностно-микромеханические датчики гораздо мень­шего размера (типичная длина края — 100— 500 мкм), изначально их использовали для больших ускорений (50-100g, в системах защиты пассажиров), но затем стали ис­пользовать и для меньших ускорений. Для построения пружинно-массовой системы на поверхности кремниевой пластины использу­ется аддитивный способ печати (рис. «Датчик ускорения, поверхностно-микромеханический с емкостным отводом» ).

Главным отличием этих датчиков от объ­емных кремниевых элементов является типичная емкость порядка 1 пФ (прежние имели 10-20 пФ). Поэтому оценочная элек­троника встраивается на одну пластину вме­сте с датчиком или очень близко к ней на той же подложке или рамке. Возможны также си­стемы с электростатической обратной связью с управлением по положению.

Для больших ускорений (в системах защиты пассажиров) используются микромеханические поверхностные датчики значительно меньших размеров (типичные значения длины находятся в пределах 100 мкм). Для построения пружинно-массовой системы на поверхности кремниевой пластинки исполь­зуется аддитивный способ печати.

Читайте также:  Не работает датчик уровня топлива: неправильно показывает уровень

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Как выбрать датчик вибрации

Датчики для вибромониторинга

В случае, если Вам достаточно знать амплитуду общей вибрации того или иного агрегата без выявления причины вибрации, то есть осуществлять вибромониторинг, то в таком случае достаточно применить следующие датчики:

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

Датчики осуществляют измерение среднеквадратичного значения (СКЗ) вибрации [м/с] на частотах от 0 до 1000 Гц, так как именно в этом спектре возникают все основные вибрации рабочего оборудования. Датчики вибрации имеют аналоговый выходной сигнал, пропорциональный диапазону измерения СКЗ.

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

Датчики измерения вибрации такого типа дают представление лишь об общем уровне вибрации оборудования и не позволяют определить конкретные дефекты (дисбаланс, износ подшипников, дефект зубчатого зацепления) на характерных им частотах. Вибрации из-за подобных дефектов могут превысить СКЗ и привести к внезапной поломке агрегата.

Работоспособность оборудования по величине СКЗ может определяться с опорой на ГОСТ ИСО 10816-1-97 или используя рекомендации производителей этого оборудования.

Датчики для вибродиагностики

В том случае, если требуется знать не только амплитуду вибрации, но и её причину, необходимо использовать более совершенные методы и осуществлять серьёзные вычисления. Для выполнения такого рода задач служит следующая группа датчиков в сочетании с контроллером VSE:

Датчики контроля вибрации серий VSA и VSP предназначены для измерения величины виброускорения [м/с2] на частоте вибраций от 0 до 16000 Гц, в зависимости от модели датчика. Принцип работы таких датчиков основан на технологии MEMS. Выходные сигналы датчиков не являются унифицированными и могут быть корректно обработаны только контроллером VSE.

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

Использование такой системы (датчики+контроллер) позволяет осуществлять полноценный спектральный анализ вибраций оборудования, благодаря чему можно выявить фактически любой дефект как целой конструкции, так и каждого её элемента в отдельности. Среди наиболее распространённых дефектов, определяемых этой системой можно выделить:

  • дисбаланс;
  • дефекты подшипников;
  • нарушение крепления к станине;
  • отсутствие или избыток смазки;
  • повреждение ротора/статора;
  • несоосность вала;
  • нарушение в зубозацепление;
  • дефекты зубчатой пары;
  • расцентровка.

Все представленные датчики вибрации применяются для стационарного контроля, т.е. устанавливаются непосредственно в корпус рабочего оборудования и производят измерения непрерывно, таким образом нет необходимости персоналу постоянно обходить каждый агрегат и снимать показания вручную.

Датчики для вибродиагностики должны располагаться максимально близко к объекту диагностики (подшипник, зубчатое колесо, вал и т.д.

), между датчиком и объектом диагностики не должно быть резиновых прокладок и прочих демпферов, ослабляющих вибрацию.

Монтаж датчиков осуществляется в резьбовые отверстия на корпусе агрегата напрямую, либо через конусную шайбу, а также посредством бобышки или магнитной рамки.

Чтобы избежать возможных ошибок при самостоятельном подборе датчика вибрации, обратитесь к специалистам компании «РусАвтоматизация». Инженеры компании сэкономят ваше время и помогут с выбором датчика вибрации, который наилучшим образом подходит для решений именно Ваших задач.

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

Датчик измерения вибрации

Кинематические характеристики механических колебаний определяются с помощью первичных преобразователей – датчиков измерения вибрации.

В зависимости от измеряемого параметра, датчики вибрации подразделяются на датчики виброперемещения, датчики виброскорости и датчики виброускорения.

Выбор того или иного типа датчика, в первую очередь, определяется частотным диапазоном измерений вибрации: в низкочастотной области предпочтительней использовать датчики виброперемещений, в области средних частот – датчики виброскорости, в высокочастотной– датчики виброускорений.

Благодаря самым высоким эксплуатационным качествам, наиболее популярны сегодня датчики виброускорения – акселерометры, среди которых, в свою очередь, наилучшие эксплуатационные характеристики показывают пьезоэлектрические датчики измерения вибрации.

Именно поэтому все современные приборы для измерений вибрации динамического оборудования оснащаются именно пьезоэлектрическими акселерометрами.

Применение пьезоэлектрического акселерометра, чувствительного к виброускорению, никак не сказывается на универсальности этих приборов, так как с помощью электронных интеграторов значения виброускорения легко преобразуются в значения виброскорости или виброперемещения без потери необходимой информации.

Пьезоэлектрические датчики контроля вибрации отличаются широким частотным и динамическим диапазонами, линейностью характеристик в этих диапазонах, прочностью конструкции, надежностью и долговременной стабильностью эксплуатационных параметров. Помимо этого, пьезоэлектрические акселерометры не требуют источника питания, так как сами генерируют электрический сигнал, и, благодаря отсутствию изнашиваемых деталей, обеспечивают исключительную долговременность работы.

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчикиРисунок 1. Варианты конструкции пьезоэлектрического акселерометра

Основными элементами пьезоэлектрического акселерометра является диск из пьезоэлектрической керамики и некоторая инерционная масса. Под действием вибрации инерционная масса вызывает растяжение, сжатие или сдвиг (в зависимости от конструкции акселерометра) пьезоэлектрического диска, в результате которого на его поверхностях генерируется заряд, пропорциональный воздействию инерционной массы.

Основными характеристиками датчиков контроля вибрации являются динамический и частотный диапазоны. Динамический диапазон большинства стандартных общепромышленных пьезоакселерометров имеет значения от 0,01 м/с2 до 200 м/с2.

Что касается частотного диапазона, то, несмотря на достаточность измерений в диапазоне 10÷ 1000 Гц для контроля вибрации большинства стандартных динамических машин, верхняя граница частотного диапазона акселерометра должна простираться до 5-10кГц или выше, так как частоты некоторых составляющих механических колебаний могут находиться именно в области высоких частот. Также при измерениях виброперемещений тихоходных машин необходимо расширение частотного диапазона в сторону частот, меньших 10 Гц. Для этих целей разработаны акселерометры с нижним частотным порогом менее 1 Гц.

Помимо ширины динамического и частотного диапазона и линейности рабочих характеристик пьезоакселерометра, для получения достоверных данных абсолютной вибрации машин очень важен правильный выбор и направление точек измерений, а также качество крепления акселерометра к исследуемой поверхности (см.рис.2).
Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики
Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчикиРисунок 2. Иллюстрация к выбору точек и направления измерений

Пьезоэлектрические датчики измерения вибрации входят в состав виброметров «БАЛТЕХ» (BALTECH VP-3405-2, BALTECH VP-3410, BALTECH VP-3470), обеспечивая высокую надежность, точность и повторяемость результатов.

Для повышения теоретических знаний и получения навыков работы с датчиками контроля и измерения вибрации, рекомендуется пройти обучение на курсе повышения квалификации ТОР-103 «Датчики контроля вибрации. Основы измерения вибрации» в одном из Учебных центров компании в Санкт-Петербурге, Астане или Любеке (Германия).

Вихретоковые датчиковые системы

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

© 2001 ГлобалТест

Вихретоковые датчиковые системы предназначены для бесконтактного измерения вибрации перемещения и частоты вращения электропроводящих объектов. Они применяются для диагностики состояния промышленных турбин, компрессоров, электромоторов. Наиболее часто объектом контроля является осевое смещение и радиальная вибрация вала ротора относительно корпуса.

Вихретоковая датчиковая система (eddy probe system / proximity sensor system) состоит из бесконтактного вихревого пробника, удлинительного кабеля и драйвера.

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

Вихревой пробник представляет собой металлический зонд с диэлектрическим наконечником на одном конце и небольшим отрезком коаксиального кабеля на другом. С помощью коаксиального удлинительного кабеля пробник подключается к драйверу. Драйвер представляет собой электронный блок, который вырабатывает сигнал возбуждения пробника и осуществляет выделение информативного параметра.

Выходным сигналом драйвера является, электрический сигнал пропорциональный расстоянию от торца вихревого пробника до контролируемого объекта.

Принцип работы

В торце диэлектрического наконечника вихревого пробника находится катушка индуктивности. Драйвер обеспечивает возбуждение высокочастотных колебаний в катушке, в результате чего возникает электромагнитное поле, которое взаимодействует с материалом контролируемого объекта.

Если материал обладает электропроводностью, на его поверхности наводятся вихревые токи, которые, в свою очередь, изменяют параметры катушки — ее активное и индуктивное сопротивление. Параметры, меняются при изменении зазора между контролируемым объектом и торцом датчика.

Драйвер преобразует эти изменения в электрический сигнал, осуществляет его линеаризацию и масштабирование.

Датчик вибрации: принцип работы, датчики вибрации электродвигателей, пьезоэлектрические датчики

КОНСТРУКЦИЯ

Наибольшее количество вариантов исполнения имеет пробник (зонд), поскольку его конструкция существенно зависит от места монтажа.

Использование соединительного кабеля, состоящего из двух частей — кабеля пробника и удлинительного кабеля выгодно с технологической точки зрения. С помощью типового набора удлинительных кабелей разной длины, удобно задавать общую длину системы. Для защиты от механического повреждения весь кабель или его отдельные части армируются.

Драйвер представляет собой герметичную металлическую коробку, на которой имеется коаксиальный соединитель для подключения кабеля, а также клеммы питания, земли, общего провода и выходного сигнала.

Частотные характеристики

Вихретоковые датчики обладают хорошим частотным откликом (реакция на изменение расстояния между торцом пробника и объектом контроля). Обычно частотный диапазон составляет 0 — 10000 Гц. При этом неравномерность амплитудно-частотной характеристики не превышает 0,5 дБ.

Вход и выход

Входным параметром вихретокового датчика является величина зазора между торцом пробника и электропроводящим объектом.

Величина измеряемого зазора составляет несколько миллиметров и зависит от диаметра катушки, заключенной в торце диэлектрического наконечника.

Выходной сигнал, пропорциональный измеряемому зазору, может быть представлен в виде напряжения, тока или в цифровом формате (определяется типом системы наблюдения).

Для драйверов с выходным сигналом в виде напряжения указывают чувствительность (коэффициент преобразования зазора в электрический сигнал), которая в большинстве случаев составляет 8мв/мкм. Часто для сопряжения вихретокового датчика с типовыми системами мониторинга необходимо дополнительное преобразование выходного напряжения в формат 4-20мА токовой петли или в цифровой вид.

Устройства, сочетающие функции драйвера и дополнительного формирователя называют трансмиттерами.

Области применения

Приоритетной областью использования вихретоковых измерителей является контроль осевого смещения и поперечного биения валов больших турбин, компрессоров, электромоторов, в которых используются подшипники скольжения. Применение для этих целей датчиков скорости и ускорения, хотя и допустимо, но неоправданно, поскольку из-за слабого отклика на низких частотах (

Датчики вибрации

Перейти к выбору и покупке датчиков вибрации

Датчик вибрации (виброметр) – прибор, позволяющий определять параметры вибрационных явлений. Наиболее часто виброметры используются для определения:

  1. Виброскорости
  2. Виброускорения
  3. Виброперемещения

Проще говоря, если вибрирующий объект считать простым осциллятором, то виброметр позволяет получить сведения как о базовых параметрах его колебаний (частота и амплитуда), так и, в некоторых случаях, получить спектральную характеристику колебательного процесса.

Читайте также:  Мультиметр dt-832: как пользоваться, подробная инструкция, схемы

Рисунок 1. Схема датчика вибрации.

Общая схема датчика вибрации содержит два основных блока (Рисунок 1): вибропреобразователь (1) и электронный блок обработки (2). Функциональное назначение первого блока – преобразование механических вибраций в электрический сигнал. Механизмов преобразования несколько:

  • Пьезоэлектрический
  • Оптический
  • Вихретоковый
  • Индукционный

Механизм преобразования в значительной мере определяет как характеристики прибора, так и его стоимость.

Второй блок – электронный блок обработки – служит для «расшифровки» полученного сигнала.

Как правило, на входе таких блоков стоит аналогово-цифровой преобразователь, и основная часть операций над сигналом производится уже в цифровом виде, что расширяет функциональные возможности процесса пост-обработки, улучшает помехоустойчивость и позволяет осуществлять вывод информации по внешнему интерфейсу.

При использовании на производстве стационарные виброметры могут входить в состав регулирующих систем в качестве датчиков обратной связи, для этих целей некоторые модели виброметров имеют аналоговый выходной сигнал (как правило, напряжение).

Для получения комплексной характеристики вибрационного процесса в состав измерительной системы может быть добавлен спектроанализатор. Если спектроанализатор многоканальный – он может служить основой распределённой системы вибрационной диагностики, содержащей более одного вибродатчика.

В настоящее время большинство виброметров относится к одному из двух типов:

  1. Оптический виброметр
  2. Пьезоэлектрический виброметр

Рассмотрим более подробно каждый тип датчиков.

Оптический виброметр

В основу работы оптического виброметра подобно ультразвуковым датчикам перемещения положен эффект Доплера. Прибор обычно содержит лазерный источник излучения, приёмную оптическую схему, а также электронную схему обработки (Рисунок 2).

При отражении излучения от неподвижного объекта длина волны принятого луча не отличается от истинной длины волны лазера.

Если объект перемещается вдоль оси излучения, происходит сдвиг длины волны отражённого излучения на некоторую величину (эффект Доплера), значение и знак которой несут информацию о скорости и направлении движения объекта, а используемая в составе приёмного оптического модуля интерферометрическая схема позволяет определить эту величину. Таким образом, колебания отражающей поверхности модулируют частотный сдвиг, и электронная обработка этого сигнала модуляции позволяет получить параметры вибрационных колебаний.

Рисунок 2. Схема оптического виброметра.

Несмотря на то, что в состав оптических виброметров входит источник лазерного излучения, такие приборы достаточно безопасны, поскольку за счёт высокой чувствительности приёмной оптической системы для проведения измерений достаточной оказывается весьма незначительная оптическая мощность.

Одним из основных достоинств оптических виброметров является то, что диагностика с их помощью может проводиться бесконтактно, при их использовании в стационарном измерительном комплексе требуется лишь однократная фокусировка на измеряемой поверхности. Кроме того, устройства этого типа обладают высокой точностью и быстродействием, поскольку лишены подвижных элементов. К недостаткам можно отнести довольно высокую цену.

Пьезоэлектрический виброметр

Как ясно из названия, в основу работы данного типа приборов положен пьезоэффект – явление возникновения разности потенциалов на пьезокристалле при его механической деформации. Внутри корпуса виброметра содержится инертное тело, подвешенное на упругих элементах, содержащих пьезоэлектрический материал (Рисунок 3).

Если корпус прибора прикреплён к вибрирующей поверхности, упругие элементы зарегистрируют колебания инертного тела, которое не прикреплено непосредственно к корпусу, а потому стремится сохранять своё первоначальное положение.

В целом, в данной конфигурации пьезоэлектрический виброметр есть не что иное, как акселерометр, и часто довольно сложно провести границу между этими видами чувствительных устройств.

Рисунок 3. Схема пьезоэлектрического виброметра.

Электрический сигнал с пьезокристалла, как правило, подаётся на аналогово-цифровой преобразователь, и его обработка осуществляется в цифровом виде.

В целом, как и в случае с оптическим виброметром, основным назначением приёмного чувствительного блока является преобразование вибрации в электрический сигнал, а характер его дальнейшей обработки определяется параметрами цифровой электронной схемы.

Основным недостатком этого класса приборов является необходимость соприкосновения чувствительной части с измеряемым объектом, что не всегда уместно в условиях производства. Кроме того, пьезоэлектрические приборы имеют, как правило, более узкий диапазон воспринимаемых частот, поскольку имеют механический тракт передачи вибрации, где максимальная частота определяется инертностью компонентов.

К достоинствам пьезоэлектрических виброметров можно отнести их относительно невысокую стоимость, а также относительно простое устройство, что обеспечивает надёжность и устойчивость к внешним воздействиям.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

Пьезоэлектрические датчики

Принцип работы пьезоэлектрических датчиков с вибрацией

Работа пьезоэлектрических сенсоров базируется на превращении механического вибровоздействия в ток. Для этого используется датчик вибрации, основным элементом которого является пьезокристалл.

С сенсора электромагнитный сигнал идет на схему, которая особым образом его анализирует и при превышении определенного амплитудного порога подает сигнал тревоги.

Один пьезоэлектрический датчик, смонтированный на обычной бетонной панели или стене из кирпича, контролирует площадь радиусом около двух метров.

Из продукции отечественных производителей наиболее широко распространенными и ходовыми считаются модели «Шорох» и «Грань».

Особенности пьезоэлектрического устройства с датчиком давления

Другой вид пьезоэлектрических сенсоров – устройства, механизм работы которых базируется на отслеживании резких колебаний оказываемого на датчик давления при применении к охраняемым объектам механической силы. Здесь также срабатывает пьезоэффект.

Минимальное изменение толщины сенсора при воздействии на датчик силы, даже самой незаметной, может привести к срабатыванию тревожной сигнализации. Подобного рода датчик давления обладает широкими возможностями регулировки критического порога срабатывания.

Поэтому устройство может использоваться для защиты от воров как крошечных – до 50 граммов, так и объемных предметов массой вплоть до 20 килограммов.

Как правило, пьезоэлектрический датчик такой конструкции используется в том случае, когда необходимо обеспечить:

  • безопасность картин и прочих предметов искусства, экспонатов;
  • ювелирной продукции;
  • дорогих приборов;
  • офисной техники.

В датчиках применяются чувствительные элементы двух видов: для защиты подвешенных и стоящих на собственных основаниях объектов. Приборы реагирует на приложенную силу. Кроме того, датчики обязательно включают в себя устройство мониторинга целостности и отслеживания утечек соединения с центральной схемой.

При размещении датчика нужно учесть следующие моменты:

  • нельзя монтировать сенсоры там, где возможно воздействие на датчик вибрации, сквозняка и других воздушных потоков;
  • нельзя допустить, чтобы сами защищаемые объекты или иные предметы давили на сенсоры острыми углами или ребрами;
  • не стоит прокладывать соединительные провода там, где возможно воздействие на датчик силы (например, в результате случайного удара мебелью);
  • обязательно нужно заземлить сенсор.

Самые распространенные на рынке изделия подобного типа – модели «Гюрза»

Наши тел.: (812) 642-05-98 или (812) 982-45-73

4.3. Датчики вибрации Пьезоэлектрические преобразователи

В настоящее время для измерения
динамических процессов, таких как
импульсы давления, вибрации и т. п.,
наиболее широко применяются
пьезоэлектрические преобразователи,
действие которых основано на прямом
пьезоэффекте в некоторых кристаллических
материалах.

Раньше пьезоэлектрические преобразователи
использовали только при измерении
ускорений в высокочастотном диапазоне
вибраций. Сейчас разработаны системы,
позволяющие использовать подобные
преобразователи для измерения
виброскорости и виброперемещения при
частотах вибрации от единиц и даже
десятых долей герца.

Рис. 4. 8. Конструкция простейшего пьезоэлектрического преобразователя.

ак и большинство других датчиков
вибрации пьезоэлектрические преобразователи
построены по принципу сейсмических
датчиков (рис. 4.8). Инерционный элемент
(сейсмическая масса) прикреплен к верхней
грани пьезоэлемента, нижняя грань
которого крепится к корпусу.

При установке
преобразователя на исследуемом объекте
преобразователь воспринимает вибрацию
объекта.

Вследствие стремления
инерционного элемента сохранить
состоянии покоя, пьезоэлемент деформируется
от действия на него инерционной силыF
=
ma, гдеm– масса инерционного элемента,a– ускорение объекта.

Так как деформация
пьезоэлемента и возникающий при этом
электрический заряд пропорциональны
ускорению, то эти преобразователи часто
называют пьезоакселерометрами1.

Рис. 4. 9. Конструкция высокочувствительного акселерометра.

сновными достоинствами
пьезоакселерометров являются широкий
диапазон рабочих частот, малая
чувствительность к магнитным полям,
большая вибрационная и ударная прочность,
возможность создания преобразователей
с малыми размерами и массой. Для повышения
ударной прочности применяют дополнительное
поджатие инерционной массы к пьезоэлементу,
как это сделано в акселерометрах типа
1ПА-6 и 1ПА-7.

Для повышения чувствительности
преобразователей увеличивают инерционную
массу, применяют пьезокерамику, обладающую
высоким пьезомодулем, а также используют
изгибные деформации пьезоэлемента
(рис. 4.9). В качестве примера
высокочувствительных акселерометрами,
построенных с использованием принципа
изгибных деформаций, можно привести
отечественные акселерометры Д19, ИС-598
и ИС-598А.

Наряду с чувствительностью, одной из
важнейших характеристик датчиков
вибрации является частотный диапазон.

Для снижения нижней границы частотного
диапазона в качестве предварительных
усилителей применяют усилители заряда,
а увеличение верхней граничной частоты
достигается снижением массы датчика и
качественным креплением его к объекту
(например, с помощью резьбового
соединения). Для уменьшения массы
корпуса акселерометра его изготавливают
из материалов малой плотности типа
титана и дюралюминия.

Табл. 4.6

Модель ЧувствительностьмВ∙с2/м fр, кГц Предельноеускорение, м/с2 Масса, г Габариты, мм
Отечественные
ИС-312 0,05 – 0,15 80 2000 22
1ПА-6 3,0 – 4,0 25 10 000 48 Ø20×30
1ПА-7 0,5 48 15 000 30 Ø20×24
Д-14 2,5 28 10 000 27 Ø16×29
Д-19 20 100 Ø42,5×43,5
«Брюль и Къер»
4349 0,6 – 1,2 40 – 50 20 000 18
4332 6 25 1000 30 Ø17×22
4335 2 35 2000 18 Ø14×20

Характеристики некоторых отечественных
и зарубежных пьезоэлектрических
преобразователей приводятся в таблице
4.6. Приведенная в таблице резонансная
частота fру большинства датчиков связана с верхней
границей частотного диапазонаfвсоотношением:

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *