پرسش و پاسخ
سنسورهای اندازه گیری لرزش و ارتعاش
IEPE sensor چیست؟ آیا با ICP® sensor یکی است؟
IEPE مخفف نوعی سنسور عمومی به نام سنسور پیزوالکتریک با الکترونیک یکپارچه (Integrated Electronic PiezoElectric) است.
شرکت PCB Piezotronics این نوع سنسور IEPE را تحت نام تجاری ICP® عرضه میکند.
«Signal conditioner» چیست و آیا در سیستم IEPE همیشه لازم است؟
سیگنال کاندیشنر بخش مهمی از یک سیستم سنسور IEPE است، زیرا دو وظیفهٔ حیاتی انجام میدهد:
- تأمین منبع تغذیهی ثابت ۳۰–۱۸ ولت DC برای سنسور IEPE که برای عملکرد الکترونیک داخلی سنسور ضروری است.
- حذف ولتاژ بایاس از سیگنال سنسور تا دستگاه قرائت بتواند دادههای دقیق و قابلاعتماد دریافت کند.
تفاوت ولتاژ تغذیه (Supply Voltage) و ولتاژ تحریک (Excitation Voltage) با یکدیگر چیست؟
ولتاژ تغذیه (Supply Voltage) ولتاژی است که مستقیماً از سیگنال کاندیشنر تأمین میشود و معمولاً در بازه ۱۸ تا ۳۰ ولت DC قرار دارد. این ولتاژ باید از طریق یک دیود محدودکننده جریان عبور داده شود تا به مدار الکترونیکی سنسور آسیب نرسد. سنسورهای استاندارد IEPE برای عملکرد صحیح به حداقل ۲ میلیآمپر جریان نیاز دارند، اما ممکن است تا ۲۰ میلیآمپر نیز جریان مصرف کنند. در فرآیند محدودسازی جریان، دیود معمولاً ۱ ولت از ولتاژ را مصرف میکند. ولتاژ باقیمانده (یعنی ولتاژ تغذیه منهای ولتاژ مصرفشده توسط دیود)، ولتاژ تحریک (Excitation Voltage) نام دارد.
برای کاهش خطر آسیبدیدن یا خرابی سنسورهای IEPE چه اقدامات احتیاطی باید انجام شود؟
چندین اقدام احتیاطی مهم وجود دارد که باید رعایت شوند، از جمله:
- به سنسورهای IEPE یا تقویتکنندههای خطی بیش از ۲۰ میلیآمپر جریان ثابت اعمال نکنید.
- ولتاژ تغذیه را از ۳۰ ولت DC بیشتر نکنید.
- بدون حفاظت جریان ثابت ولتاژ اعمال نکنید؛ جریان ثابت برای عملکرد صحیح الزامی است.
- سنسور را در معرض دماهای بالاتر از ۲۵۰ درجه فارنهایت (۱۲۱ درجه سانتیگراد) قرار ندهید.
- سنسور را در معرض رطوبت بالا یا محیطهای مرطوب قرار ندهید.
- سنسور را در معرض ضربههای مکانیکی شدید قرار ندهید.
سنسورهای پیزوالکتریک چه چیزی را میتوانند اندازهگیری کنند؟
اندازهگیریهای دینامیکی (یعنی اندازهگیریهایی که بهسرعت در طول زمان تغییر میکنند)
سنسورهای پیزوالکتریک قادر به اندازهگیری کمیتهای استاتیک نیستند، زیرا کریستالهای یک سنسور پیزوالکتریک هنگام اعمال فشار، بار الکتریکی تولید میکنند، اما این بار بهمرور زمان به صفر نشت میکند.
طرحهای ساختاری پایهای که در تولید سنسورهای پیزوالکتریک استفاده میشوند کداماند؟
این طرحها شامل خمشی (Flexural)، فشاری (Compression) و برشی (Shear) هستند. هر سه نوع طراحی دارای اجزای اصلی شامل المان پیزوالکتریک، جرم لرزهای (Seismic Mass)، پایه (Base) و بدنه (Housing) میباشند.
مواد اصلی مورد استفاده در ساخت المانهای پیزوالکتریک کداماند؟
کوارتز و سرب زیرکونات تیتانات (سرامیک) دو ماده رایج در ساخت المانهای پیزوالکتریک هستند.
سنسورهای کوارتزی حساسیت ولتاژی بالایی دارند و برای پردازش سیگنال به تقویتکننده ولتاژ نیاز دارند.
سنسورهای مبتنی بر سرامیک خروجی بار الکتریکی بالا و ظرفیت خازنی بالایی ارائه میدهند.
روشهای مختلف نصب سنسورها کداماند؟
چهار روش مختلف نصب وجود دارد: نصب با پیچ (Stud Mounted)، نصب با چسب (Adhesive Mounted)، نصب مغناطیسی (Magnetically Mounted) و استفاده از نوک پروب (“Stingers”).
هر روش، پاسخ فرکانسی بالا سنسور را تحت تأثیر قرار میدهد.
نصب با پیچ گستردهترین پاسخ فرکانسی و محکمترین و قابلاعتمادترین اتصال را فراهم میکند.
تمام روشهای دیگر، حد بالای فرکانس سنسور را کاهش میدهند. با جدا کردن سنسور از تماس مستقیم با نقطه اندازهگیری و قرار دادن قطعات نصب جایگزین مانند پدهای چسبی، آهنرباها یا نوک پروبها، رزونانس نصبشده ایجاد میشود. این رزونانس نصبشده کمتر از رزونانس طبیعی سنسور است و حد بالای فرکانس را کاهش میدهد. هرچه سنسور از نقطه اندازهگیری فاصله بیشتری داشته باشد، رزونانس نصبشده کمتر و محدوده فرکانسی قابل استفاده پایینتر خواهد بود.
شکل فوق این تغییر رزونانس نصبشده را نشان میدهد.
نصب مغناطیسی روشی راحت برای انجام اندازهگیریهای سریع و قابل حمل فراهم میکند و معمولاً برای پایش وضعیت ماشینآلات، تعمیر و نگهداری پیشبینانه، بررسیهای موردی و کاربردهای ترندینگ ارتعاش استفاده میشود.
نصب با چسب اغلب برای نصب موقت یا زمانی که سطح جسم آزمایش قابل آمادهسازی برای نصب با پیچ نیست، به کار میرود.
روش نصب با پیچ (Stud Mounting) نیازمند سطح تماس صاف و مسطح برای عملکرد صحیح است و برای نصبهای دائمی و/یا محکم توصیه میشود. نصب با پیچ برای آزمایش در فرکانسهای بالا توصیه میگردد.
تفاوت بین سنسور IEPE و سنسور بار (Charge Sensor) چیست؟
سنسور IEPE دارای مازول های الکترونیک داخلی است، در حالی که سنسور بار چنین الکترونیکی ندارد.
در نتیجه، سنسور IEPE میتواند سیگنال بار با امپدانس بالا را در داخل خود به سیگنال ولتاژ با امپدانس پایین تبدیل کند، در حالی که سیگنال بار با امپدانس بالا از سنسور بار باید در یک تقویتکننده بار خارجی تبدیل شود.
از آنجا که سنسور بار الکترونیک داخلی ندارد، میتوان آن را در دمای بالاتر از سنسورهای IEPE استفاده کرد، زیرا محدودیت دما توسط حد دمای کریستالها تعیین میشود و نه مازولهای الکترونیک داخلی.
پاسخ فرکانسی چیست؟
پاسخ فرکانسی، دامنه فرکانسی است که در آن سنسور پاسخ خطی ارائه میدهد.
حد بالای پاسخ فرکانسی توسط فرکانس رزونانس سنسور تعیین میشود و حد پایین پاسخ فرکانسی توسط ثابت زمانی تخلیه سنسور تعیین میگردد.
فرکانس رزونانس چیست؟
فرکانس رزونانس، فرکانسی است که سنسور در آن تمایل دارد با بیشترین دامنه نوسان کند.
هر جسمی در جهان ذاتاً فرکانس رزونانس مخصوص به خود را بر اساس ساختار مکانیکیاش دارد.
فرکانس رزونانس با فرمول زیر تعیین میشود:
فرکانس رزونانس = (سختی / جرم لرزهای)√
ثابت زمانی تخلیه (discharge time) چیست؟
ثابت زمانی تخلیه، زمان لازم برای کاهش سیگنال به میزان ۶۳٪ را اندازهگیری میکند.
هرچه ثابت زمانی تخلیه بالاتر باشد، سیگنال کندتر تخلیه میشود و بنابراین پاسخ فرکانسی پایین بهتری دارد.
ثابت زمانی تخلیه با فرمول زیر تعیین میشود:
ثابت زمانی تخلیه = مقاومت × ظرفیت خازنی
حساسیت عرضی (Transverse Sensitivity) چیست؟
حساسیت عرضی، حساسیت (به درصد) یک سنسور تکمحوره به شتاب عمود بر محور اصلی آن در یک بازه فرکانسی مشخص است.
حساسیت اسمی (nominal sensitivity) شتابسنج چیست؟
حساسیت اسمی شتابسنج، مشخصه انحرافی را تعریف میکند که در محدوده حساسیت قابل قبول در نظر گرفته میشود.
به عنوان مثال: اگر حساسیت یک شتابسنج ±۱۰٪ از ۱۰ میلیولت بر g تعریف شده باشد،
حساسیت واقعی سنسور پس از کالیبراسیون میتواند در بازه ۹ تا ۱۱ میلیولت بر g باشد و همچنان مشخصات شتابسنج مورد نظر را برآورده کند.
دامنه اندازهگیری (measurement range) من چیست؟
اگر حساسیت و دامنه اندازهگیری شتابسنج را در هم ضرب کنیم، باید برابر ۵ ولت شود.
به عنوان مثال:
حساسیت سنسور ۱۰ میلیولت بر g است.
دامنه اندازهگیری سنسور باید محاسبه شود:
دامنه اندازهگیری شتابسنج = خروجی کامل شتابسنج ÷ حساسیت شتابسنج = ۵۰۰۰ میلیولت ÷ ۱۰ میلیولت بر g = ۵۰۰ g
محافظت در برابر شوک/حد بارگذاری بیش از حد چیست؟
این مشخصه دامنه شتاب ورودی بر حسب g را تعریف میکند که سنسور در صورت مواجهه با آن، قادر به بازیابی باشد.
آیا سنسورهای حالت برشی (Shear Mode) از حالت فشاری (Compression Mode) برتر هستند؟
سنسورهای حالت خمشی (Flexure Mode) چطور؟
در سالهای اخیر، سنسورهای Shear Mode محبوبیت یافتهاند، در حالی که سنسورهای Compression Mode اغلب به عنوان “تکنولوژی قدیمی” در نظر گرفته میشوند. در همین حال، سنسورهای حالت خمشی که زمانی برای کاربردهای صنعتی خیلی شکننده محسوب میشدند، اکنون با استفاده از تکنیکهای طراحی ویژه دوباره مطرح شدهاند.
هر روش ساخت دارای مزایا و معایب ذاتی خود است. روش ساخت سنسور کمتر از عملکرد آن اهمیت دارد. برای هر مدل، ویژگیهایی مانند کرنش پایه (Base Strain) و حدود شوک در برگه مشخصات quant میشوند و قابل مقایسه هستند.
برای مثال، یک سنسور حالت فشاری با طراحی مناسب ممکن است کرنش پایه پایینتری نسبت به یک سنسور حالت برشی داشته باشد. اگرچه این ممکن است با شهود بسیاری از افراد مغایرت داشته باشد.
در طراحیهای پیشرفته امروز، انتخاب سنسور مناسب برای یک کاربرد با توجه به عملکرد حاصل از تکنیکهای طراحی مختلف تعیین میشود.
آیا شتابسنجهای عمومی ۱۰۰ mV/g را میتوان برای اندازهگیری ماشینآلات با سرعت پایین استفاده کرد؟
در حالی که بسیاری از شتابسنجهای عمومی ۱۰۰ mV/g دارای مشخصه فرکانس پایین -3dB بین ۰.۲ تا ۰.۵ هرتز هستند، اما آنها بهترین گزینه برای اندازهگیری دقیق روی ماشینآلات با سرعت پایین نیستند. دلیل این است که بیشتر شتابسنجهای عمومی ۱۰۰ mV/g سطح نویز فرکانس پایین بسیار بالاتری نسبت به شتابسنجهای طراحی شده برای اندازهگیریهای فرکانس پایین دارند.
برای این کاربرد، باید از شتابسنجهای ۵۰۰ mV/g با فرکانس پایین استفاده شود، زیرا نسبت سیگنال به نویز به مراتب بهتری ارائه میدهند.
آیا سنسورهای ۵۰۰ mV/g صرفاً به دلیل بهره الکترونیکی بالاتر نسبت به سنسورهای عمومی ۱۰۰ mV/g حساستر هستند؟
خیر، سنسورهای ۵۰۰ mV/g صرفاً به دلیل افزایش بهره الکترونیکی داخلی حساستر نیستند. اگر تنها بهره الکترونیکی افزایش یابد، دامنه خروجی سیگنال ارتعاش افزایش مییابد، اما همزمان سطح نویز داخلی سنسور نیز بالا میرود.
حساسیت بالاتر بدون افزایش نویز تنها با تقویت مکانیکی سیگنالها ممکن است، که از طریق افزایش جرم سنسور و یا استفاده از کریستال حسگر با خروجی بالاتر انجام میشود.
در سنسور با حساسیت خروجی بالاتر، آیا سنسور فرکانس پایین بهراحتی دچار اورلود نمیشود؟
با توجه به حساسیت بالای خروجی و در نتیجه دامنه پایین سیگنالها، سنسورهای فرکانس پایین، خروجی بالا در معرض اورلود شدن هستند، بهویژه زمانی که ارتعاشات فرکانس بالای قابل توجه وجود داشته باشد.
به همین دلیل، یک فیلتر پایینگذر (Low-Pass) در الکترونیک این سنسورها قرار داده شده است.
این فیلتر حد فرکانس بالای سنسور را کنترل کرده و سیگنالهای فرکانس بالا را تضعیف میکند. با عدم پردازش دادههای فرکانس بالا (که معمولاً دارای سطح ارتعاش بالایی هستند)، احتمال اورلود شدن سنسور کاهش مییابد.
ولتاژ بایاس (Bias Voltage) چیست؟
ولتاژ بایاس، که گاهی به آن ولتاژ استراحت (Rest Voltage) نیز گفته میشود، برای اندازهگیری سیگنالهای AC با استفاده از تقویتکنندههای تکسیمه دو سیمه لازم است.
این ولتاژ DC بایاس، حامل سیگنال AC است که روی آن قرار میگیرد. معمولاً این ولتاژ در نقطهای بین منبع تغذیه و زمین انتخاب میشود، یعنی تقریباً نیمه راه بین ولتاژ تغذیه و زمین.
تفاوت بین زمان روشن شدن (Turn-On Time) و زمان تثبیت (Settling Time) چیست؟
زمان روشن شدن (Turn-On Time): مدت زمانی است که سنسور برای رسیدن به ولتاژ بایاس یا ولتاژ استراحت نهایی خود نیاز دارد (معمولاً در حدود ۱۰٪ از مقدار نهایی) هنگام روشن شدن سنسور.
زمان تثبیت یا زمان بازیابی از شوک (Settling Time or Shock Recovery Time): مدت زمانی است که سنسور برای بازیابی از اورلود تقویتکننده ناشی از ضربههای مکانیکی با دامنه بالا مانند نصب با آهنربا نیاز دارد.
آیا همه سنسورها زمان روشن شدن یکسانی دارند؟
خیر. بهطور کلی، سنسورهای فرکانس بسیار پایین کندتر از سنسورهای عمومی عمل میکنند.
زمان روشن شدن معمولی سنسورهای عمومی: کمتر از ۳ ثانیه
سنسورهای فرکانس پایین: معمولاً تا ۸ ثانیه زمان روشن شدن نیاز دارند
آیا حالت کاری سنسور (Operating Mode) بر کاربرد من تأثیر میگذارد؟
بله.
سنسورهای فشاری (Compression) و برشی (Shear) معمولاً برای کاربردهای عمومی، صنعتی و فرکانس بالا استفاده میشوند.
سنسورهای خمشی (Flexural) به دلیل حساسیت طراحی، معمولاً محدود به کاربردهای تخصصی لرزهنگاری (Seismic) هستند.
آیا بین سنسورهای فشاری (Compression) و برشی (Shear) تفاوت کاربردی وجود دارد؟
اگرچه از دید طراحی سنسور تفاوتهایی وجود دارد، این تفاوتها معمولاً برای کاربر نهایی مشهود نیستند.
به طور کلی:
سنسورهای برشی (Shear) برای یک حساسیت مشخص، فرکانس رزونانس بالاتری ارائه میدهند.
همچنین سنسورهای برشی نسبت به تغییرات حرارتی ناگهانی (Thermal Transients) حساسیت کمتری دارند.
تفاوتهای کاربردی بین سنسورهای مبتنی بر کوارتز و پیزوسرامیک چیست؟
سنسورهای پیزوسرامیک خروجی بار بسیار بالاتری نسبت به سنسورهای مبتنی بر کوارتز دارند. این موضوع نویز الکترونیکی سنسور را کاهش داده و امکان اندازهگیری سیگنالهای سطح پایینتر را فراهم میکند. بنابراین، سنسورهای پیزوسرامیک باید برای پایش ماشینآلات با سرعت پایین که معمولاً در کاربردهای صنعتی یافت میشوند، استفاده شوند.
چه اتفاقی میافتد وقتی سنسورهای لرزش سنج مبتنی بر کوارتز روی ماشینآلات با سرعت پایین استفاده شوند؟
به دلیل خروجی پایین عنصر حسگر و نویز بالاتر تقویتکننده متناظر، اثر شیب اسکی (Ski Slope Effect) در فرکانسهای پایین مشاهده میشود.
اگر سیگنال شتاب به سرعت (Velocity) انتگرالگیری شود، نویز الکترونیکی بیشتر تقویت شده و پاسخ شیب اسکی بهطور قابل توجهی بزرگنمایی میشود.
انواع اصلی سنسورهای ارتعاش سنج مورد استفاده در کاربردهای صنعتی کداماند؟
شتابسنجهای عمومی (100 mV/g)، شتابسنجهای فرکانس پایین (500 mV/g) و ترنسدیوسرهای پیزوولاسیتی (100 mV/ips) بسته به سرعت ماشینآلات، سطح دامنه ارتعاش و روشهای اندازهگیری مشخص میشوند.
هدف اصلی در انتخاب سنسور، حداکثر کردن نسبت سیگنال به نویز اندازهگیری است.
تفاوت بین شتابسنجهای عمومی و فرکانس پایین چیست؟
شتابسنجهای فرکانس پایین از جرم هسته بزرگتر استفاده میکنند تا خروجی عنصر حسگر افزایش یابد. این کار نویز الکترونیکی تقویتکننده را کاهش داده و خروجی ولتاژ بالاتری از سنسور فراهم میکند.
خروجی ولتاژ بالاتر سنسورهای فرکانس پایین به غلبه بر نویز دستگاه جمعآوری داده هنگام اندازهگیری سیگنالهای با دامنه پایین کمک میکند.
معایب این روش: کاهش فرکانس رزونانس سنسور است.
ترنسدیوسرهای IEPE سرعت سنج ارتعاش چیست؟
ترنسدیوسرهای لرزش سنج IEPE در واقع شتابسنجهای فرکانس پایین هستند که دارای مدار انتگرالگیری داخلی میباشند. انتگرالگیری سیگنال تأثیر نویز دستگاه جمعآوری داده را کاهش میدهد.
همچنین، مدار انتگرالگیری به عنوان یک فیلتر عمل میکند و سیگنالهای الکتریکی و مکانیکی فرکانس بالا که ممکن است بر اندازهگیریهای فرکانس پایین تأثیر بگذارند را حذف میکند.