Vibration und Sensorik I
Inhaltsverzeichnis
3. Prinzipien und Merkmale von Vibrationssensoren
3.1 Wirbelstromsensor (VS-Serie) - Wegsensor
3.2 Laser (LD-Serie) - Wegsensor
3.3 Piezoelektrischer Sensor (Ladeausgang/eingebauter Verstärker) (Serie NP-2000/3000)
1. Was ist Vibration?
Vibrationen werden in drei Typen eingeteilt:
- Lineare Vibrationen
- Biegevibrationen
- Torsionsvibrationen
Um solche Schwingungen quantitativ zu behandeln, verwenden wir die folgenden drei Parameter:
Jeder Parameter kann durch Differential oder Integral in einen anderen transformiert werden. Wenn die Geschwindigkeit über der Frequenz konstant ist, sind Verschiebung und Beschleunigung über der Frequenz wie in der folgenden Grafik beschrieben.
Dieses Diagramm zeigt, dass die Verschiebung bei einer niedrigen Frequenz am empfindlichsten ist, aber dass die Beschleunigungsempfindlichkeit die der anderen bei einer hohen Frequenz übersteigt. Dies bedeutet, dass für eine empfindliche Messung die Verschiebung bei niedrigen Frequenzen verwendet werden sollte; und Beschleunigung sollte bei hohen Frequenzen verwendet werden. Für Anwendungen wie Anlagendiagnose werden Verschiebung und Geschwindigkeit bei Frequenzen unter mehreren hundert Hertz und Beschleunigung bei höheren Frequenzen verwendet.
2. Wahl des Vibrationssensors
Berücksichtigen Sie die folgenden Punkte, um den besten Vibrationssensor für Ihre Anforderungen auszuwählen:
* Was soll gemessen werden?
Beschleunigung
der Verschiebungsgeschwindigkeit
* Objektgröße
Es gibt zwei Arten von Sensoren: Kontakttyp und berührungsloser Typ. Wenn Sie einen Sensor vom Kontakttyp verwenden, sollten Sie den Masseneffekt berücksichtigen (wird später beschrieben). Außerdem sollten Sie unabhängig vom Sensortyp die Messgröße des Sensors (S) und die Objektgröße (S') berücksichtigen. Wenn S'/S nicht größer als 1 ist, ist eine exakte Messung unmöglich.
* Vibrationsamplitude und Frequenzbereich
Sie sollten den Amplituden- und Frequenzbereich des Objekts schätzen, da eine Fehleinschätzung den Sensor beschädigen könnte.
* Umfeld
Überprüfen Sie die Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit sowie die Temperatur des Objekts und ob die Umgebung frei von Staub, Öl oder Wasser ist. Einige Messmethoden können von diesen Faktoren beeinflusst werden.
Diese Überlegungen helfen Ihnen bei der Auswahl des besten Sensors für Ihre Anforderungen. Der Einfachheit halber ist unsere Produktlinie unten dargestellt.
Produktkorrespondenztabelle
Anmerkung
- Kontaktsensoren und berührungslose Sensoren
Kontaktsensor
- Vorteile: Relativ billig, einfach zu bedienen
- Achtung: Massenwirkung
Masseneffekt bezieht sich auf die Fähigkeit der Sensormasse, die Eigenfrequenz eines Objekts zu beeinflussen. Da die Eigenfrequenz von der Masse abhängt, hat ein Objekt, an dem ein Sensor angebracht ist, eine niedrigere Eigenfrequenz als das Objekt selbst. Wenn eine Sensormasse zu groß ist, verringert der Sensor die Eigenfrequenz des Objekts, was zu Messfehlern führt. Wenn die Masse des Objekts, die Masse des Sensors und die Eigenfrequenz des Systems M, m bzw. fe sind, nimmt die Eigenfrequenz gemäß der in der Abbildung unten gezeigten Gleichung um Delta fe ab. Es wird empfohlen, dass die Sensormasse weniger als ein Fünfzigstel der Objektmasse beträgt. Wenn m ein Fünfzigstel von M ist, beträgt die Frequenzabweichung Delta fe/fe 0,01. Beachten Sie, dass M NICHT die Masse des gesamten Objekts ist, sondern die Masse des Teils, an dem der Sensor angebracht wird. Das Teil kann unerwartet leicht sein.
Berührungsloser Sensor
- Vorteil: Keine Auswirkung auf Vibrationen
Berührungslose Sensoren können effektiv verwendet werden, um Objekte zu messen, wie z. B. einen Rotator, die ein Kontaktsensor nicht messen kann.
- Achtung: Sensoren sollten von Vibrationen isoliert werden.
3. Prinzipien und Merkmale von Vibrationssensoren
Die Prinzipien und Merkmale der in der obigen Tabelle aufgeführten Sensoren sind wie folgt:
Prinzip
Dieser Sensor verwendet die Kapazität zwischen dem Sensor und dem Objekt, um den Abstand (Verschiebung) zu messen. Daher ist das Objekt auf einen Leiter beschränkt. Die Kapazität C ist eine Funktion der gegenüberliegenden Leiterfläche S und des Spalts D. Wenn der Sensor und das Objekt parallele flache Platten sind, können wir die obige Gleichung verwenden. Der Spalt D ist umgekehrt proportional zur Kapazität C, wenn die Fläche S als konstant betrachtet wird. Somit können wir den Abstand D erhalten, indem wir die Kapazität C messen.
Vorteile
- Berührungslose Messung
- Keine Kalibrierung für alle Leiter erforderlich
- Hohe Genauigkeit und hohe Stabilität
- Selbst ein extrem kleiner Abstand kann gemessen werden.
- Messung bei DC möglich
Vorsicht
- Leitfähigkeit erforderlich
- Messung leicht beeinflussbar durch Öl, Wasser und andere Substanzen auf der Oberfläche des Objekts
- Relativ großer Messbereich
3.1 Wirbelstromsensor (VS-Serie) - Wegsensor
Prinzip
Da dieser Sensor Wirbelstrom verwendet, ist das Material des Objekts auf Metall beschränkt. Der aus der Sensorspuleninduktivität L und der Wandlerkapazität C bestehende LC-Schwingkreis wird durch einen Kristalloszillator in Resonanz versetzt. Befindet sich ein metallischer Gegenstand in der Nähe der Hochfrequenzspule, erzeugt das magnetische Wechselfeld in der Spule Wirbelströme im Metall. Da dieser Wirbelstrom von der Magnetkraft an der Metalloberfläche oder dem Abstand zwischen Spule und Objekt abhängt, ändert sich die Induktivität L mit dem Wirbelstrom, wodurch sich die Klemmenspannung des Schwingkreises als Funktion des Abstands ändert. Die Erkennung dieses Signals gibt den Abstand vom Sensor zum Objekt an.
Vorteile
- Berührungslose Messung
- Für alle Metalle
- Unempfindlich gegen Wasser und Öl auf der Objektoberfläche
- Betrieb bei hoher Temperatur möglich
- Messung bei DC möglich
Vorsicht
- Relativ großer Messbereich
- Gegenseitige Beeinflussung von zwei oder mehr Sensoren nebeneinander
3.2 Laser (LD-Serie) - Wegsensor
Prinzip
Dies ist ein Wegsensor, der optische Trigonometrie verwendet. Die Verwendung eines Lasers als Lichtquelle gewährleistet eine hohe Genauigkeit und hohe Stabilität. Den Aufbau dieses Sensors zeigt die obige Abbildung. Wenn der Laser die Objektoberfläche erreicht, wird ein Teil des diffus reflektierten Lichts auf einen Positionserfassungsdetektor (PSD) fokussiert. Die Objektpositionen bei A (nah) und B (entfernt) bilden einen fokussierten Fleck bei a bzw. b auf dem PSD. Wir können die Objektverschiebung messen, indem wir den Punkt erfassen, der sich mit der Verschiebung ändert.
Vorteile
- berührungslose Messung
- kleiner Messbereich
- große Amplitude messbar
- Messung bei DC möglich
Vorsicht
- Hat Schwierigkeiten beim Messen kleiner Amplituden
- Kann nicht bei hohen Frequenzen messen (bis zu 2 kHz)
3.3 Piezoelektrischer Sensor (Ladeausgang/eingebauter Verstärker) (Serie NP-2000/3000)
Prinzip
Äußere Kraft erzeugt elektrische Veränderungen auf der Oberfläche solcher Materialien wie Einkristall und Bariumtitanat. Dies wird als piezoelektrischer Effekt bezeichnet, und solche Materialien werden als piezoelektrische Materialien (piezoelektrische Vorrichtungen) bezeichnet. Ein piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer verwendet ein piezoelektrisches Gerät als Feder für ein seismisches System und einen mechanoelektrischen Wandler. Dieser Sensor gibt ein elektrisches Signal aus, das proportional zur Schwingungsbeschleunigung ist. Der piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer wird durch die Kraftaufbringungsrichtung in zwei Haupttypen eingeteilt: Kompressionstyp und Schertyp. Die obigen Abbildungen zeigen ihre Strukturen; Der Kompressionstyp hat ein piezoelektrisches Gerät, das sich zwischen einer Sensorbasis und einem Gewicht befindet. Der Schertyp hat eine piezoelektrische Vorrichtung, die zwischen einem Pfosten senkrecht zu einer Basis und einem Gewicht befestigt ist. Der Kompressionstyp war in der Vergangenheit beliebt, aber der Schertyp hat sich in letzter Zeit aufgrund seiner Immunität gegenüber Basenverzerrung und schnellen Temperaturänderungen durchgesetzt. Die meisten unserer piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer sind vom Schertyp.
Vorteile
- Ziemlich einfach zu bedienen
- Preiswerter Aufbau
- Hohe Stabilität, mit wenigen weltlichen Änderungen
Vorsicht
- Masseneffekt und Kontaktresonanz sollten berücksichtigt werden, da es sich um einen Kontaktsensor handelt.
- Es ist unmöglich, eine Bewegung mit konstanter Beschleunigung zu messen
Abhängigkeit der Frequenzcharakteristik von der Art der Sensorbefestigung
Die Befestigung eines Sensors wirkt sich auf die Frequenzeigenschaften des Sensors aus; siehe obige Abbildung. Sie sollten die Anordnung wählen, die dem für Ihre Messung erforderlichen Frequenzbereich am besten entspricht.
Wir werden in unserem nächsten Bericht einen Laser-Doppler-Schwingungssensor sowie einen Torsionsschwingungssensor besprechen.