تغییری در سرعت نسبت به زمان است. در اندازه‌گیری‌های دینامیکی، شتاب کمیتی بنیادی است که توسط شتاب‌سنج‌ها اندازه‌گیری می‌شود و معمولاً برحسب واحد g یا m/s2 بیان می‌گردد، که در آن 1g≈9.80665 m/s2 است.
شتاب‌سنج (Accelerometer)
نوعی ترنسدیوسر ویژه است که برای اندازه‌گیری شتاب طراحی شده است. این دستگاه‌ها بر پایهی نیروی لَختی ایجاد شده هنگامی که جرم داخلی (جرم لرزشی) متصل به المان پیزوالکتریک تحت شتاب خارجی قرار می‌گیرد، کار می‌کنند. انواع مختلف آن عبارت‌اند از:
– شتاب‌سنج پیزوالکتریک (Piezoelectric Accelerometer): ابزار استاندارد برای اندازه‌گیری‌های دینامیکی.
– شتاب‌سنج با خروجی بار (Charge Mode Accelerometer): خروجی دارای امپدانس بالا به‌صورت بار الکتریکی تولید می‌کند.
– شتاب‌سنج سه‌محوره (Triaxial Accelerometer): دارای سه عنصر حسگر عمود بر هم برای اندازه‌گیری شتاب در سه جهت X, Y, Z
ارتعاش (Vibration)
حرکت مکانیکی‌ای است که با تغییرات متناوب شتاب و کاهش شتاب پیرامون یک نقطهی مرجع مشخص می‌شود. این حرکت معمولاً تناوبی یا نوسانی است و اغلب بر حسب مقادیر جابه‌جایی، سرعت یا شتاب بیان می‌شود. ارتعاش ممکن است در یک یا چند محور (محوری، شعاعی یا سه‌محورۀ متعامد) رخ دهد؛ تحلیل چندمحوری برای دستگاه‌های با حرکت پیچیده کاربرد دارد.
پایش وضعیت Condition Monitoring یا CM
فرآیند نظارت بر پارامترهای ماشین، از قبیل ارتعاش، دما یا کیفیت روغن، برای شناسایی انحراف‌های قابل توجهی است که نشانگر وقوع یا رشد خرابی در دستگاه‌ها هستند. پایش وضعیت، اساس تجربی اجرای راهبردهای نگهداری پیش‌بینانه است.
خودکارسازی فرایند (Process Automation)
به‌کارگیری سامانه‌های کنترلی مانند PLC یا DCS جهت مدیریت و بهره‌برداری از تجهیزات و فرایندهای صنعتی با حداقل دخالت انسان است؛ این سامانه‌ها معمولاً از بازخورد حسگرها برای کنترل حلقه‌بسته (closed loop) استفاده می‌کنند.
پاسخ فرکانسی (Frequency Response)
مشخصه‌ای که تغییر حساسیت حسگر (مقدار خروجی نسبت به ورودی) را در سراسر محدودهی فرکانسی عملیاتی آن بیان می‌کند. یک حسگر ایده‌آل دارای پاسخ فرکانسی کاملاً تخت در پهنای باند مشخص‌شده است.
فرکانس تشدید (Resonant Frequency)
فرکانس طبیعی المان حسگر یا ساختار داخلی آن است؛ فرکانسی که در آن دامنهی نوسان به بیشینه مقدار خود می‌رسد و احتمال اعوجاج سیگنال وجود دارد، مگر آن‌که ساختار نصب دارای میرایی زیاد باشد.
ثابت زمانی Time Constant یا Discharge Time Constant
در مدارهای تقویت‌کننده‌ی بار یا مدار حسگر، زمانی است که طول می‌کشد تا سیگنال حاصل از ورودی پله‌ای (مانند ورودی شتاب ثابت) به مقدار (حدود مقدار اولیه) کاهش یابد. این پارامتر تعیین‌کننده‌ی حد قطع پایین‌فرکانس سیستم است.
پیزوالکتریسیته (Piezoelectricity)
ویژگی برخی مواد بلوری مانند کوارتز یا PZT است که بر اثر اعمال تنش یا کرنش مکانیکی، بار الکتریکی متناسبی تولید می‌کنند. این پدیده، اساس عملکرد اغلب حسگرهای دینامیکی را تشکیل می‌دهد.
نسبت سیگنال خروجی حسگر به مقدار کمیت فیزیکی اندازه‌گیری‌شده است. برای شتاب‌سنج‌ها، معمولاً بر حسب mV/g یا pC/g بیان می‌شود و در فرکانس مرجع معمولاً 1 Hz=1 cycle per second استانداردسازی می‌گردد.
طراحی حسگر و پارامترهای فنی
این بخش به ویژگی‌های الکتریکی و مکانیکی خاصی می‌پردازد که برای عملکرد حسگرهای دینامیکی با کارایی بالا اهمیت دارند.
سیگنال خروجی ناخواسته‌ای است که در اثر تنش مکانیکی یا خمش ایجادشده روی سطح نصب، بدون اینکه شتاب واقعی وجود داشته باشد، تولید می‌شود. این پارامتر نشاندهندهی میزان تأثیر نیروهای مکانیکی بیرونی بر دقت حسگر است. مقدار معمول برای حسگرهای صنعتی کمتر از است.
تقویت‌کننده‌ی بار (Charge Amplifier)
مداری الکترونیکی است که در حسگرهای «حالت بار» استفاده می‌شود. این مدار، خروجی با امپدانس بالا (بر حسب کولن یا پیکوکولن) را به سیگنال ولتاژی با امپدانس پایین (بر حسب میلی‌ولت) تبدیل می‌کند تا اندازه‌گیری آسان‌تر و مصون از نویز شود. ورودی با امپدانس بین 10¹³ تا 10¹⁵ Ω و نسبت تبدیل معمول mV/pC 1 .
مقدار بار الکتریکی تولیدشده توسط حسگر به ازای هر واحد شتاب اعمالی است. این مقدار معمولاً بر حسب pC/g بیان می‌شود. این ویژگی برای انتخاب تقویت‌کننده‌ی بار مناسب ضروری است.
ولتاژ بایاس (Bias Output Voltage – BOV) سطح ولتاژ DC است که در خروجی حسگر وجود دارد، حتی زمانی که ورودی مکانیکی صفر است (یعنی هیچ شتابی اعمال نمی‌شود). این پارامتر به‌ویژه برای حسگرهای ICP® یا IEPE حیاتی است، زیرا نشان‌دهنده وضعیت سلامت مدار داخلی و بایاس ترانزیستور FET است.
انتگرال‌گیری (Integration)
عملیات ریاضی‌ای که بر سیگنال انجام می‌شود: انتگرال‌گیری مرحله‌ی اول، شتاب را به سرعت تبدیل می‌کند و انتگرال‌گیری مرحله‌ی دوم، شتاب را به جابه‌جایی (تغییر مکان) تبدیل می‌نماید. این تبدیل‌ها معمولاً برای تحلیل رفتار ارتعاشی و محاسبه انرژی جنبشی انجام می‌گیرند. تبدیل دو‌مرحله‌ای (شتاب→سرعت→جابجایی)، نویز فرکانس پایین می‌تواند باعث رانش (drift) شود؛ لذا فیلتر high‑pass پیشنهاد می‌شود.
جداسازی الکتریکی بین بدنه‌ی حسگر (ground reference) و سازه‌ی محل نصب است. این جداسازی برای جلوگیری از وقوع حلقه‌های زمین (Ground Loops) و کاهش تداخل نویزی بسیار حیاتی است. در صورت عدم جداسازی زمین، جریان‌های حلقه نویز تا چند mV می‌توانند سبب خطای داده شوند.
بار جرمی (Mass Loading)
اثری فیزیکی است که در آن جرم حسگرِ نصب‌شده بر سازه‌ی مورد آزمون، پاسخ دینامیکی سازه (از جمله سختی مؤثر و فرکانس تشدید) را تغییر می‌دهد. این اثر در اندازه‌گیری‌های دقیق باید به حداقل برسد؛ به‌ویژه در سازه‌های سبک و نازک.
فرکانس طبیعی (Natural Frequency)
فرکانسی است که در آن جرم لرزشی داخلی حسگر در صورت توقف ناگهانی تحریک، آزادانه نوسان خواهد کرد. این فرکانس باید به‌مراتب بالاتر از بیشترین فرکانس موردعلاقهی اندازه‌گیری باشد تا از تشدید ناخواسته جلوگیری شود.
ضریب دمایی فرکانس طبیعی و حساسیت (Temperature Coefficient)
نشان‌دهنده تغییر نسبی در حساسیت حسگر یا ولتاژ بایاس آن در اثر هر درجه تغییر دما است. معمولاً بر حسب درصد در هر درجهی سلسیوس بیان می‌شود. این پارامتر پایداری عملکرد حسگر را در محیط‌های صنعتی با نوسان حرارتی توصیف می‌کند.
کالیبراسیون (Calibration)
فرآیند مقایسه‌ی خروجی حسگر با استاندارد مرجع شناخته‌شده و ردیابی‌پذیر در شرایط کنترل‌شده است تا دقت دستگاه تعیین و مقدار واقعی حساسیت تثبیت شود. این فرآیند معمولاً از طریق شیکر و مرجع لیزری انجام می‌گردد.
روش «پشت‌به‌پشت» (Back-to-Back Calibration)
روشی برای کالیبراسیون مقایسه‌ای است که در آن حسگر مورد آزمون و حسگر مرجع استاندارد به‌صورت مجاور بر روی شیکر نصب می‌شوند تا هر دو تقریباً ورودی ارتعاشی یکسانی را تجربه کنند؛ سپس خروجی‌های آنها با هم مقایسه می‌شود.
خطی بودن (Linearity)
سنجشی از میزان تطابق رابطه‌ی ورودی–خروجی حسگر با یک خط مستقیم ایده‌آل در کل محدودهی دینامیکی تعریف‌شده‌ی آن است. انحراف از خط مستقیم معمولاً بر حسب درصدی از «محدودهی تمام‌مقیاس» (Full Scale Range, %FSR) بیان می‌شود.
توانایی حسگر در ارائه‌ی نتایج خروجی ثابت و قابل بازتولید، در صورتی که ورودی‌ها و شرایط محیطی چندین‌بار به شکل یکسان تکرار شوند. تکرارپذیری بالا نشان از پایداری الکترونیکی و مکانیکی حسگر دارد. تکرارپذیری تحت تأثیر دما، رطوبت و نوع نصب نیز قرار دارد.
کوچک‌ترین تغییر در کمیت فیزیکی اندازه‌گیری‌شده (مانند شتاب یا نیرو) که سیستم اندازه‌گیری می‌تواند با اطمینان تشخیص دهد. این مقدار عمدتاً توسط «کف نویز» (Noise Floor) سامانه محدود می‌شود.
ریشه مجموع مربعات (RSS)
برای ترکیب مقادیر برداشت‌شده از مؤلفه‌های ارتعاش مستقل (مثلاً محورهای X، Y، Z یا ترکیب سرعت و جابه‌جایی) استفاده می‌شود.
در این حالت میزان کل براساس رابطه زیر به‌دست می‌آید:
L_total = √(L₁² + L₂² + … + Lₙ²)
نمایش سیگنال زمانی پس از تبدیل آن (اغلب با تبدیل فوریه سریع – FFT) است تا بزرگی (دامنه) مؤلفه‌های ارتعاش را در فرکانس‌های مشخص نشان دهد. این نوع تحلیل برای تشخیص عیوب اجزای ماشین حیاتی است؛ به‌عنوان مثال، می‌توان از آن برای شناسایی عدم تعادل، ناهم‌محوری، یا خرابی یاتاقان‌ها استفاده کرد. در تحلیل دامنه زمان، شاخص‌هایی مانند Crest Factor و Dispersion برای تشخیص شوک مفیدند.
اندازه‌گیری در حوزه زمان (Time Domain Measurement)
اندازه‌گیری مستقیم و نمایش دامنهی لحظه‌ای خروجی حسگر به‌عنوان تابعی از زمان است. این نمایش برای بررسی وقایع گذرا (Transient Events)، ضربه‌ها، و شکل موج‌های لحظه‌ای (مانند آزمون شوک – Shock Test) اهمیت ویژه دارد.
سطح ارتعاش پهن‌باند (Broadband Vibration Level)
میزان کلی ارتعاشی که در یک بازهی وسیع از فرکانس‌ها اندازه‌گیری می‌شود، نه فقط در یک فرکانس خاص.
به زبان فنی‌تر، وقتی یک حسگر ارتعاش (مثل سنسور IEPE) سیگنال ارتعاش را ثبت می‌کند، این سیگنال ترکیبی از موج‌هایی با فرکانس‌های مختلف است. اگر همهی آنها را با هم — مثلاً از 10 Hz تا 10 kHz — جمع کنیم و به‌صورت میانگین توان یا RMS محاسبه کنیم، به آن مقدار می‌گویند سطح ارتعاش پهن‌باند.
استفاده از حسگرهای ارتعاشی برای ارزیابی یکپارچگی سازه‌های بزرگ مانند پل‌ها، ساختمان‌های بلند، و مخازن تحت شرایط عملیاتی یا محیطی (مانند زلزله یا باد).
استفاده از داده‌های ارتعاشی برای پیش‌بینی زمان احتمالی شکست قطعات ماشین‌آلات (مانند یاتاقان‌ها، گیربکس‌ها، و روتورها) قبل از وقوع خرابی کامل، با استفاده از روش‌های تحلیل روند (Trending).
اندازه‌گیری ارتعاش ماشین‌آلات جدید در سایت نصب برای اطمینان از اینکه پارامترهای ارتعاشی آنها در محدوده مشخص شده در قرارداد (مانند استاندارد ISO 10816) قرار دارند.
خطی بودن دامنه (Amplitude Linearity)
ثبات و یکسانی خروجی حسگر نسبت به افزایش تدریجی ورودی؛ برای مشاهده مقدار واقعی به واژه Linearity مراجعه شود.
فرکانس زاویه‌ای (Angular Frequency – ω)
نسبت مستقیم با فرکانس f طبق رابطه‌ی ω=2πf \omega = 2\pi f ω=2πf.
پاد‌رزونانس (Antiresonance)
فرکانسی که در آن سختی دینامیکی سیستم در کمینه‌ی خود قرار می‌گیرد و پاسخ ارتعاشی کاهش می‌یابد.
فیلتر باندگذر (Band‑Pass Filter)
مداری که تنها سیگنال‌های واقع در یک بازهی فرکانسی مشخص را عبور می‌دهد و سایر مؤلفه‌ها را حذف می‌کند.
جداسازی پایه (Base Isolation)
مکانیزمی مکانیکی که برای جدا کردن حسگر یا تجهیزات از ارتعاشات زمین یا پایه استفاده می‌شود تا نویز محیطی کاهش یابد.
ولتاژ بایاس خروجی (Bias Output Voltage – BOV)
به بخش مربوطه در قسمت دوم مراجعه شود؛ ولتاژ مرجع DC موجود در خروجی حسگر.
نویز باند گسترده (Broadband Noise)
نویز تصادفی با گستره‌ی وسیع فرکانسی که در کل پهنای باند سیستم پراکنده است.
ظرفیت (Capacitance)
خاصیتی از سیستم‌های الکتریکی (نظیر حسگر بار و ورودی تقویت‌کننده) که توانایی ذخیره بار الکتریکی دارد و در تخمین رفتار دینامیکی مدار حسگر مؤثر است.
جداسازی بدنه (Case Isolation)
اطمینان از عدم اتصال الکتریکی بدنه‌ی حسگر با سطح نصب برای جلوگیری از حلقه‌های زمین (Ground Loops).
ترنسدیوسر بار (Charge Converter)
وسیله‌ای برای تبدیل یا پردازش سیگنال‌های خروجی مبتنی بر بار الکتریکی.
حالت فشاری (Compression Mode)
طراحی‌ای که در آن نیروی ورودی به موازات محور بلور پیزوالکتریک اعمال می‌شود.
پایش وضعیت (Condition Monitoring)
رجوع شود به بخش مقدمه؛ فرآیند نظارت بر پارامترهای ماشین به‌منظور شناسایی و پیش‌بینی خرابی‌ها.
میرایی (Damping)
پدیده‌ی فیزیکی اتلاف انرژی ارتعاشی، که معمولاً به‌صورت درصدی از میرایی بحرانی بیان می‌شود و نقش مهمی در کنترل پاسخ دینامیکی دارد.
دسی‌بل (Decibel – dB)
واحد لگاریتمی برای بیان نسبت دامنه یا توان بین دو سیگنال؛ ۲۰ log₁₀ نسبت دامنه‌ها.
درجه‌های آزادی (Degrees of Freedom – DOF)
تعداد مسیرهای مستقل حرکت سیستم؛ برای مثال، حرکت یک جسم صلب سه‌بعدی شامل شش درجه آزادی است (۳ خطی + ۳ دورانی).
ورودی تفاضلی (Differential Input)
روشی در اندازه‌گیری الکتریکی که دو سیگنال با مرجع مشترک مقایسه می‌شوند تا نویز مشترک حذف گردد.
جابجایی (Displacement)
فاصله‌ی طی‌شده از مکان مبدأ تا موقعیت جدید؛ معمولاً از دو بار انتگرال‌گیری سیگنال شتاب به دست می‌آید.
پاسخ فرکانسی تخت (Flat Frequency Response)
ویژگی حسگر که در آن حساسیت خروجی در تمام محدودهی کاری تقریباً ثابت باقی می‌ماند.
مد خمشی (Flexural Mode)
نوعی حالت ارتعاشی که با خمش سازه یا المان حسگر مشخص می‌شود.
تبدیل فوریه (Fourier Transform)
پایهی ریاضی تحلیل فرکانسی و الگوریتم FFT که سیگنال را از حوزه‌ی زمان به حوزه‌ی فرکانس تبدیل می‌کند.
ارتعاش آزاد (Free Vibration)
نوسان سامانه بدون نیروی محرک خارجی، تنها تحت تأثیر وضعیت اولیه.
طیف فرکانسی (Frequency Spectrum)
نمودار دامنه در برابر فرکانس، نمایش گرافیکی محتوای فرکانسی سیگنال.
بهره (Gain)
ضریب تقویت‌کننده یا نسبت بزرگی خروجی به ورودی در سامانه‌ی اندازه‌گیری.
حلقه زمین (Ground Loop)
مسیر جریان ناخواسته در سیستم‌های دارای چند مرجع اتصال زمین که موجب تداخل نویزی می‌شود.
هارمونیک (Harmonic)
مؤلفه‌ای از سیگنال که مضربی صحیح از فرکانس بنیادی است. وجود هارمونیک‌ها در طیف فرکانسی نشانگر پدیده‌های غیرخطی یا نقص‌های مکانیکی در ماشین است.
فیلتر بالاگذر (High‑Pass Filter)
نوعی فیلتر الکترونیکی که تنها سیگنال‌های با فرکانس بالاتر از مقدار قطع مشخص را عبور می‌دهد.
پسماند (Hysteresis)
اختلاف مقدار خروجی حسگر هنگامی که ورودی از مسیر افزایش به نقطه‌ای می‌رسد، در مقایسه با همان نقطه هنگام کاهش ورودی؛ بیانگر اثرات مکانیکی یا خستگی در المان حسگر است.
حسگر ICP® (Integrated Circuit Piezoelectric)
نوعی حسگر پیزوالکتریک دارای مدار داخلی نیمه‌هادی (FET) که خروجی ولتاژی با امپدانس پایین فراهم می‌کند.
حسگر IEPE (Integrated Electronics Piezo‑Electric)
اصطلاح عمومی برای حسگرهای ICP®؛ هر دو نوع عملاً عملکرد یکسانی دارند و تنها تفاوت در نام تجاری است.
سر امپدانس (Impedance Head)
ترنسدیوسری ویژه است که به‌طور همزمان نیرو و حرکت را اندازه‌گیری می‌کند و معمولاً در آزمون‌های ارتعاشی نیرو و صلبیت به کار می‌رود. برای اندازه‌گیری همزمان نیروی ورودی و پاسخ لرزشی در آزمایش انتقال نیرو استفاده می‌شود.
انتگرال‌گیری (Integration)
به بخش ۲ مراجعه شود؛ تبدیل ریاضیِ شتاب به سرعت یا جابه‌جایی.
PZT – تیتانات زیرکونات سرب (Lead Zirconate Titanate)
سرامیک پیزوالکتریک رایج در ساخت حسگرها به دلیل حساسیت بالا و خواص الکتریکی پایدار.
خطی بودن (Linearity)
رجوع شود به بخش ۳؛ نشاندهندهی انطباق پاسخ حسگر با خط مستقیم ایده‌آل در کل محدودهی کاری.
حسگر تغذیه از حلقه جریان (Loop‑Powered Sensor)
نوع حسگر که توان مورد نیاز خود را مستقیماً از جریان اندازه‌گیری حلقه (مثلاً ۴–۲۰ میلی‌آمپر) تأمین می‌کند.
امپدانس مکانیکی (Mechanical Impedance)
نسبت نیروی اعمال‌شده به سرعت ارتعاشی؛ شاخصی از مقاومت دینامیکی سیستم در برابر حرکت است.
گشتاور نصب (Mounting Torque)
نیروی پیچشی لازم برای محکم کردن حسگر نصب‌شده؛ تأثیر مستقیم بر پاسخ فرکانسی دارد.
جرم (Mass)
کمیت لَختی در طراحی جرم لرزشی حسگر که بر حساسیت و فرکانس تشدید تأثیرگذار است.
کمیت اندازه‌گیری‌شده (Measurand)
پارامتر فیزیکی واقعی که حسگر باید آن را اندازه‌گیری کند (مثلاً شتاب، نیرو، یا فشار).
فرکانس طبیعی (Natural Frequency)
مراجعه شود به بخش ۲؛ بالاترین فرکانس عملکردی مفید در طراحی حسگر.
نویز (Noise)
سیگنال‌های الکتریکی ناخواسته که موجب کاهش وضوح اندازه‌گیری می‌شوند.
نرمال‌سازی (Normalization)
مقیاس‌دهی داده‌ها نسبت به یک مرجع استاندارد برای مقایسه‌ی دقیق‌تر نتایج.
دامنه اوج (Peak Amplitude)
بیشترین مقدار لحظه‌ای سیگنال در بازهی زمانی مشخص.
شتاب‌سنج پیزوالکتریک (Piezoelectric Accelerometer)
نوع استاندارد حسگر دینامیکی، ر.ک. بخش ۱.
دقت (Precision)
میزان نزدیکی اندازه‌گیری‌های متوالی به یکدیگر در شرایط مشابه.
خودکارسازی فرایند (Process Automation)
ر.ک. بخش ۱؛ استفاده از سامانه‌های کنترل صنعتی برای مدیریت فرایندها.
خروجی پیروالکتریک (Pyroelectric Output)
تولید بار الکتریکی ناخواسته در اثر تغییر دما در ماده پیزوالکتریک؛ معمولاً عامل نویز در حسگرهاست.
مدار شبه‌تفاضلی (Quasi‑Differential Circuit)
تکنیک پردازش سیگنال برای کاهش نویز مشترک و افزایش دقت تفاضلی.
رزونانس (Resonance)
ر.ک. فرکانس تشدید، حالتی که دامنهی ارتعاش به بیشینهی خود می‌رسد.
حالت برشی (Shear Mode)
طراحی حسگر که نیرو عمود بر محور قطبش بلور پیزوالکتریک وارد می‌شود؛ مقاومت بالاتری در برابر تنش پایه دارد.
حد شوک (Shock Limit)
بزرگ‌ترین شدت ضربه یا شتاب آنی که حسگر می‌تواند بدون آسیب تحمل کند.
آنالیزور طیفی (Spectrum Analyzer)
دستگاه تحلیل فرکانسی برای انجام FFT و نمایش طیف ارتعاش.
سختی (Stiffness)
میزان مقاومت سازه در برابر تغییر شکل مکانیکی.
ولتاژ تغذیه (Supply Voltage)
توان الکتریکی لازم برای کارکرد مدار داخلی حسگرهای IEPE/ICP®.
ضریب دمایی (Temperature Coefficient)
ر.ک. بخش ۲؛ میزان تغییر حساسیت نسبت به دمای کارکرد.
ر.ک. بخش ۱؛ پارامتر تعیین‌کننده‌ی نقطهی قطع پایین‌فرکانس.
ترنسدیوسر (Transducer)
ر.ک. بخش ۱؛ ترنسدیوسر انرژی مکانیکی به الکتریکی.
قابلیت انتقال (Transmissibility)
نسبت شتاب انتقال‌یافته به پایه در مقایسه با شتاب جرم لرزشی داخلی.
سرعت (Velocity)
نرخ تغییر جابه‌جایی، حاصل از انتگرال‌گیری سیگنال شتاب.
VibraLINK®
رابط اختصاصی داده برای اتصال حسگرهای ارتعاش به سیستم‌های پایش.
تحلیل ارتعاش (Vibration Analysis)
مطالعه رفتار دینامیکی سازه‌ها بر پایهی داده‌های ارتعاشی.
تعادل صفر (Zero Balance)
تنظیم برای حذف ولتاژ یا جریان اولیه‌ی ناخواسته در خروجی حسگر.
بازگشت به صفر (Zero Return)
مدت زمان لازم برای بازگشت خروجی حسگر به حالت سکون پس از یک تحریک گذرا.
حسگر IEPE و ICP®
حسگرهای IEPE (Integrated Electronics Piezo‑Electric) از لحاظ عملکرد با حسگرهای ICP® مشابه هستند. تفاوت فقط در نام تجاری است. هر دو نوع دارای مدار داخلی تقویت‌کننده هستند و خروجی ولتاژی با امپدانس پایین تولید می‌کنند؛ توان مورد نیازشان از طریق منبع جریان ثابت تأمین می‌شود.
واحد تنظیم‌کننده سیگنال (Signal Conditioner) در سیستم ICP®
واحد تنظیم‌کننده یا منبع تغذیه، جریان ثابت لازم را برای حسگر فراهم می‌کند و مشخصات خروجی حسگر را برای تحلیل بعدی تبدیل می‌نماید. حسگرهای حالت بار به واحد تبدیل‌کنندهی خارجی برای تبدیل بار به ولتاژ نیاز دارند، اما حسگرهای ICP® یا IEPE فقط به منبع جریان ثابت نیاز دارند.
ولتاژ تغذیه (Supply Voltage)
مربوط به توان DC مورد نیاز برای عملکرد مدارهای داخلی نیمه‌هادی حسگر (مانند تقویت‌کننده FET).
ولتاژ تحریک (Excitation Voltage)
جریان ثابت تأمین‌شده برای حسگرهای IEPE/ICP® جهت تغذیه و کنترل خروجی ولتاژی ترنسدیوسر.
اصول حفاظتی حسگرهای ICP®
جلوگیری از اضافه‌ولتاژ (Overvoltage Protection).
عدم تجاوز از حد شوک مکانیکی حسگر (Mechanical Shock Limit).
استفاده از کابل‌های هم‌محور کم‌نویز و اتصالات صحیح برای جلوگیری از اتصال کوتاه.
زمین‌کردن مناسب در یک نقطهی منفرد جهت جلوگیری از حلقه‌های زمین و نویز الکتریکی.
بازهی کاری و کالیبراسیون شتاب‌سنج‌های ICP®
اغلب شتاب‌سنج‌های استاندارد نوع ICP® دارای محدودهی فرکانسی مفید بین ۱۰ هرتز تا ۱۰٬۰۰۰ هرتز (۱۰ kHz) در گواهی‌های کالیبراسیون خود هستند. البته بسته به مدل حسگر و سطح نویز مجاز در سیستم، در عمل، محدودهی قابل‌استفاده آنها ممکن است کمی وسیع‌تر از این مقدار باشد. این محدوده تضمین می‌کند که پاسخ حسگر در ناحیهی کاری صنعتی تقریباً خطی باقی بماند و دقت اندازه‌گیری در طیف ارتعاشات واقعی حفظ شود.
حسگرهای پیزوالکتریک ذاتاً برای سنجش کمیت‌های دینامیکی طراحی شده‌اند؛ یعنی پارامترهایی که با زمان تغییر می‌کنند و شامل ارتعاشات، امواج گذرا یا نیروهای متناوب هستند. اصلی‌ترین کاربرد آنها در اندازه‌گیری شتاب (Acceleration) است، اما بسته به نوع طراحی و کالیبراسیون، همین فناوری می‌تواند برای اندازه‌گیری نیرو (Force)، کشش یا تنش (Strain) و فشارهای گذرا (Dynamic Pressure) نیز به کار رود. از آن‌جا که پدیده‌ی پیزوالکتریک بر پایهی تولید بار الکتریکی در اثر تغییر مکان مکانیکی لحظه‌ای عمل می‌کند، این حسگرها به‌طور طبیعی برای اندازه‌گیری‌های ایستا یا DC مناسب نیستند؛ زیرا در شرایط بدون تغییر ورودی، بار تولیدی به مرور نشت کرده و سیگنال خروجی افت می‌کند. فقط در طراحی‌های ویژه با مدارهای جبران‌سازی، امکان ثبت فرکانس‌های پایین یا شبه‌استاتیک فراهم شده است.
طراحی‌های اصلی مکانیکی در حسگرهای پیزوالکتریک
حسگرهای پیزوالکتریک بسته به نوع کاربرد و شرایط کاری در سه ساختار مکانیکی اصلی طراحی می‌شوند. در حالت فشاری (Compression Mode)، نیرو به‌صورت محوری بر بلور پیزوالکتریک اعمال می‌شود؛ این ساده‌ترین و متداول‌ترین نوع طراحی است و در اغلب شتاب‌سنج‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حالت برشی (Shear Mode)، نیرو به‌طور جانبی و مماس بر سطح بلور وارد می‌شود؛ این پیکربندی نسبت به تغییرات دما و تنش‌های پایه مقاوم‌تر بوده و سیگنال خروجی نویز کمتری دارد. در نهایت، حالت خمشی یا کانتی‌لیور (Bending/Cantilever Mode) شامل اعمال خمش بر بلور است و معمولاً در حسگرهای آموزشی، کم‌حساسیت یا کاربردهای خاص به‌کار می‌رود. هر سه ساختار مبتنی بر پدیده‌ی پیزوالکتریسیته هستند، به این معنا که تنش مکانیکی وارد بر بلور موجب تولید بار الکتریکی متناسب با مقدار نیرو خواهد شد.
مواد تشکیل‌دهنده‌ی اجزای پیزوالکتریک
مواد اصلی حسگرهای پیزوالکتریک با توجه به حساسیت، پایداری و دمای کاری انتخاب می‌شوند:
کوارتز (Quartz)
طبیعی، دارای پایداری حرارتی و نویز پایین؛ مناسب برای دماهای بالا و اندازه‌گیری دقیق.
تیتانات زیرکونات سرب (PZT)
سرامیکی مهندسی‌شده با ضریب پیزوالکتریکی بالا؛ پرکاربردترین ماده در حسگرهای صنعتی.
ترکیبات پلی‌کریستالی ویژه
سرامیک‌های طراحی‌شده برای شرایط خاص مانند دما یا حساسیت بسیار بالا، مانند اکسید باریوم–استرانسیم–تیتانات.
روش‌های نصب حسگر و تأثیر آن بر اندازه‌گیری
روش نصب نقش مهمی در دقت اندازه‌گیری دارد، مخصوصاً در فرکانس‌های بالا:
پیچی (Stud Mounting)
بهترین تماس مکانیکی و پاسخ فرکانسی بالا.
چسبی (Adhesive Bonding)
مناسب سطوحی که نباید سوراخ شوند؛ دقت متوسط.
مغناطیسی (Magnetic Mounting)
سریع و موقت، اما با افت پاسخ در فرکانس‌های زیاد.
پایه ایزوله (Isolation Base)
برای کاهش نویز و لرزش کم‌فرکانس در سازه‌های بزرگ.
تماس مکانیکی ضعیف یا چسب نرم می‌تواند باعث افت حساسیت و ایجاد رزونانس ناخواسته شود.
IEPE (Integrated Electronics Piezo-Electric) که غالباً با نام تجاری ICP® (Integrated Circuit Piezoelectric) شناخته می‌شود، یک معماری حسگر ارتعاشی است که شامل یک مدار تقویت‌کننده کوچک (معمولاً مبدل امپدانس) در داخل بدنه حسگر است.
مزایای IEPE:
حسگرهای IEPE سیگنال خروجی با امپدانس پایین (ولتاژ) تولید می‌کنند که در برابر نویز محیط و طول کابل‌ها مقاوم است. این حسگرها نیازمند یک منبع تغذیه جریان ثابت هستند.
منبع جریان ثابت (Constant Current Source)
این منبع، جریانی پایدار را از طریق کابل کواکسیال به حسگر می‌فرستد. این جریان، ولتاژ مورد نیاز برای عملکرد مدار پیش‌تقویت‌کننده (معمولاً یک ترانزیستور اثر میدان – FET) را تأمین کرده و در عین حال، ولتاژ خروجی متناسب با شتاب را به سیستم اندازه‌گیری منتقل می‌کند.
ملاحظات کابل‌کشی
برای حفظ دقت اندازه‌گیری، کابل‌های IEPE باید دارای شیلد مناسب باشند و طول آنها باید با توجه به مشخصات الکتریکی حسگر و منبع تغذیه بهینه شود تا افت ولتاژ و نویز تداخلی به حداقل برسد.
حسگرهای IEPE نیاز به کالیبراسیون دوره‌ای برای اطمینان از صحت حساسیت دارند. این کالیبراسیون اغلب با استفاده از شتاب‌سنج‌های مرجع استاندارد (مانند کوارتز) و در فرکانس‌های مرجع انجام می‌شود.
نمایه‌ی موضوعی (Thematic Index – Summary by Field)
این بخش واژه‌ها را بر اساس حوزه‌ی کاربرد مرتب کرده تا دستیابی به مفاهیم مرتبط ساده‌تر شود:
نظریه‌ی پایهی حسگرها (Fundamental Sensor Theory):
پیزوالکتریسیته (Piezoelectricity) – ترنسدیوسر (Transducer) – حساسیت (Sensitivity) – فرکانس طبیعی (Natural Frequency) – بارگذاری جرمی (Mass Loading) – وضوح (Resolution) – تکرارپذیری (Repeatability)
اندازه‌گیری‌های صوتی (Acoustic Measurements):
حساسیت صوتی (Acoustic Sensitivity) – قابل‌انتقالی حرکتی (Motion Transmissibility)
فناوری اتصال (Mounting Technology):
گشتاور نصب (Mounting Torque) – نصب با پیچ (Stud Mounting)
اندازه‌گیری فشار (Pressure Measurement):
فشار مطلق (Absolute Pressure) – خروجی پیروالکتریک (Pyroelectric Output)
نیرو، بار و گشتاور (Force, Load & Moment):
نیرو (Force) – حالت برشی (Shear Mode) – حالت فشاری (Compression Mode) – سر امپدانس (Impedance Head)
شرایط و کابل‌ها (Powering & Cabling Conditions):
تقویت‌کننده بار (Charge Amplifier) – واحد تغذیه (Power Supply Unit) – ولتاژ بایاس (Bias Voltage) – جداسازی زمین (Ground Isolation) – ICP® – IEPE – ولتاژ تغذیه (Supply Voltage)