振動(dòng)在許多應(yīng)用中造成嚴(yán)重破壞。從機(jī)器軸和軸承到硬盤性能，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)器損壞，提前更換，性能低下，并嚴(yán)重影響精度。
使用振動(dòng)分析作為確定機(jī)械問(wèn)題的具體原因和位置的工具可以加快維修并***大限度地降低成本。振動(dòng)傳感器可以測(cè)量和分析位移，線速度和加速度。這些參數(shù)在數(shù)學(xué)上是相關(guān)的，并且可以從各種傳感器導(dǎo)出。選擇與位移，速度或加速度成比例的傳感器取決于感興趣的頻率和所涉及的信號(hào)電平。
區(qū)分振動(dòng)傳感器的三個(gè)主要因素：固有頻率，阻尼系數(shù)和比例因子。比例因子將輸出與加速度輸入相關(guān)聯(lián)，并與靈敏度相關(guān)聯(lián)。固有頻率和阻尼系數(shù)一起決定了振動(dòng)傳感器的精度水平。在由彈簧和附著質(zhì)量組成的系統(tǒng)中，如果你要將質(zhì)量拉回平衡并釋放質(zhì)量，質(zhì)量將向前振動(dòng)(超過(guò)平衡)并向后振動(dòng)直至其停止。使質(zhì)量靜止的摩擦力由阻尼系數(shù)確定，質(zhì)量向前和向后振動(dòng)的速率是其固有頻率。
目前用于振動(dòng)傳感器的兩種基本壓電材料是合成壓電陶瓷和石英。在壓電傳感器或加速度計(jì)中，傳感元件是在受到壓縮時(shí)發(fā)射電荷的晶體。晶體與質(zhì)量結(jié)合，使得當(dāng)它受到“g”力時(shí)，質(zhì)量壓縮晶體并發(fā)出信號(hào)。信號(hào)值相對(duì)于施加的力。
晶體連接在中心柱和地震質(zhì)量之間。壓縮環(huán)或螺柱將預(yù)加載力施加到元件組件上，以確保剛性結(jié)構(gòu)和線性行為。在加速度下，質(zhì)量對(duì)傳感晶體產(chǎn)生剪切應(yīng)力，導(dǎo)致壓電材料產(chǎn)生成比例的電輸出。輸出由電極收集并通過(guò)輕質(zhì)引線傳輸?shù)狡渌娐坊蛑苯觽鬏數(shù)竭B接器。
該小加速度信號(hào)可以被放大用于加速度測(cè)量或者在傳感器內(nèi)被轉(zhuǎn)換成速度或位移信號(hào)。今天用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的大多數(shù)壓電傳感器包含內(nèi)部放大器 運(yùn)算放大器可用于將這些傳感器連接到A / D轉(zhuǎn)換器，無(wú)論是分立的還是微控制器。小心選擇高輸入阻抗運(yùn)算放大器以***小化電流。
記錄后，可以分析振動(dòng)數(shù)據(jù)以便立即診斷或保存以供以后或更深入的評(píng)估，例如，記錄機(jī)器運(yùn)行狀況中涉及的趨勢(shì)和歷史，金融和零售環(huán)境中的資產(chǎn)保護(hù)，或區(qū)分環(huán)境振動(dòng)和在ATM，自動(dòng)售貨機(jī)和售票機(jī)等應(yīng)用中的真實(shí)攻擊。
可以容納傳感元件以承受存在的任何環(huán)境條件。堅(jiān)固耐用的工業(yè)壓電傳感器固態(tài)結(jié)構(gòu)使其能夠在***惡劣的環(huán)境條件下運(yùn)行。它們不受污垢，油和大多數(shù)化學(xué)氣氛的影響。它們?cè)诤軐挼臏囟确秶鷥?nèi)表現(xiàn)良好，并且可以抵抗嚴(yán)重沖擊造成的損壞。
壓電陶瓷
雖然石英和陶瓷都適合成功的振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)，但其性能的差異允許設(shè)計(jì)靈活性。例如，與現(xiàn)代“定制”壓電陶瓷材料相比，天然壓電石英具有較低的電荷靈敏度并且表現(xiàn)出較高的本底噪聲。然而，大多數(shù)振動(dòng)傳感器制造商現(xiàn)在使用專為傳感器應(yīng)用開(kāi)發(fā)的壓電陶瓷材料。特殊配方產(chǎn)生優(yōu)化的特性，可在極端操作環(huán)境中提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù) 與石英相比，壓電陶瓷材料極高的輸出靈敏??度使得傳感器的設(shè)計(jì)具有更高的頻率響應(yīng)。
壓電陶瓷振動(dòng)傳感器可用于沖擊測(cè)量(爆炸和失效測(cè)試)，高頻測(cè)量和較慢的低頻振動(dòng)測(cè)量。這通過(guò)高于平均固有頻率來(lái)顯示。然而，該傳感器通常具有毫伏范圍的輸出，并且需要高輸入阻抗，低噪聲檢測(cè)器來(lái)解釋來(lái)自其壓電晶體的電壓。
另一個(gè)重要的應(yīng)用是振動(dòng)能量收集。這將由于機(jī)械振動(dòng)而浪費(fèi)的能量轉(zhuǎn)換成可用的電能。該酰胺 Volture例如，振動(dòng)能量收集器(圖1)使用通常脆性的壓電材料并采用壓電換能器封裝技術(shù)。Volture將壓電材料封裝在保護(hù)性皮膚中，并帶有預(yù)先連接的電引線和無(wú)焊線。它外形小巧，可在惡劣環(huán)境中使用，有多種尺寸可供選擇，可與多種應(yīng)用相媲美，并直接與COTS產(chǎn)品集成。應(yīng)用包括健康監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳感器，基于狀態(tài)的維護(hù)傳感器，無(wú)線HVAC傳感器，移動(dòng)資產(chǎn)跟蹤，輪胎壓力和油氣傳感器，空氣，陸地和海上車輛傳感器，以及電池和硬線電源更換。
圖1：Volture能量采集器的典型應(yīng)用。
用于這些應(yīng)用的加速度計(jì)的性能正在急劇增加。例如，ADXL001由ADI公司(圖2)提供高性能和寬的帶寬用于工業(yè)監(jiān)控，醫(yī)療儀器，體育診斷設(shè)備，并且其中寬的帶寬，小形狀因數(shù)，低功耗，和高的性能是軍事應(yīng)用危急。
圖2：傳感器頻率響應(yīng) - ADI公司的ADXL001。(由Analog Devices提供。)
ADXL001的特性包括±70 g，±250 g和±500 g寬帶可用性，22 kHz諧振頻率結(jié)構(gòu)，0.2%滿量程時(shí)的高線性度，4 mg /√Hz時(shí)的低噪聲，平面內(nèi)的敏感軸芯片，頻率響應(yīng)低至DC，全差分信號(hào)處理，以及高EMI / RFI阻抗。它還具有低功耗(典型值為2.5 mA)，采用8端子密封陶瓷LCC封裝。
另一個(gè)有趣的部分是Measurement Specialties 0-1002794-0懸臂壓電薄膜傳感器。該傳感器可以硬安裝在表面上，漂浮在慣性軸上，或者加載質(zhì)量以預(yù)偏置和校準(zhǔn)。輸出電壓擺幅可以直接觸發(fā)FET或CMOS輸入，并且可以通過(guò)偏移質(zhì)心獲得多軸響應(yīng)。當(dāng)壓電薄膜從機(jī)械中性軸偏移時(shí)，彎曲在壓電聚合物內(nèi)產(chǎn)生非常高的應(yīng)變，因此產(chǎn)生高電壓。當(dāng)組件通過(guò)直接接觸偏轉(zhuǎn)時(shí)，該器件充當(dāng)靈活的“開(kāi)關(guān)”，并且所產(chǎn)生的輸出足以直接觸發(fā)MOSFET或CMOS級(jí)。
如果組件由其觸點(diǎn)支撐并且留在“自由空間”中振動(dòng)(由于夾緊/自由梁的慣性產(chǎn)生彎曲應(yīng)力)，該裝置將表現(xiàn)為加速度計(jì)或振動(dòng)傳感器。通過(guò)夾緊來(lái)增加質(zhì)量或改變?cè)淖杂砷L(zhǎng)度可以改變傳感器的諧振頻率和靈敏度以適應(yīng)特定應(yīng)用。
振動(dòng)傳感器的未來(lái)使用可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于當(dāng)今的應(yīng)用。例如，在美***宇航局的艾姆斯研究中心，工程師正在研究光纖壓力和振動(dòng)傳感器。在這項(xiàng)研究中，傳感器使用通過(guò)暴露于外部場(chǎng)的光纖傳播的光的相位調(diào)制。檢索和處理相位調(diào)制以確定特定的場(chǎng)特性，通過(guò)光纖以高速中繼數(shù)據(jù)。應(yīng)變，壓力，溫度，聲學(xué)和振動(dòng)等外部干擾會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)中可測(cè)量的相位變化，這些變化由光纖的電氣單元測(cè)量。潛在的商業(yè)用途包括醫(yī)療應(yīng)用，例如人工語(yǔ)音盒，其中植入光纖聲學(xué)傳感器以放大患者喉嚨的振動(dòng)，
總結(jié)
全球競(jìng)爭(zhēng)和企業(yè)績(jī)效壓力使生產(chǎn)力成為任何企業(yè)的***要關(guān)注點(diǎn)。因此，通過(guò)充當(dāng)機(jī)械健康指標(biāo)，降低工業(yè)設(shè)備總體運(yùn)營(yíng)成本的一個(gè)好方法是機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)計(jì)劃。用于發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件的不平衡，機(jī)器軸，磨損部件或松動(dòng)軸承的對(duì)中問(wèn)題，振動(dòng)分析可以揭示即將發(fā)生的機(jī)械故障的所有這些明顯因素。
利用當(dāng)今的振動(dòng)傳感器，數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)，振動(dòng)分析比以往更便宜，更為主流。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是壓電陶瓷傳感器。本文研究了該傳感器的基本特性和優(yōu)點(diǎn)，并提供了當(dāng)前可用部件的代表性樣品。有關(guān)所討論產(chǎn)品的更多信息，請(qǐng)使用提供的鏈接訪問(wèn)Digi-Key網(wǎng)站上的產(chǎn)品信息頁(yè)面。