Các cân nhắc về lựa chọn đồng hồ tăng tốc®Vòng tròn tích hợp Piezoelectric

Có một sự lựa chọn rộng rãi các máy đo gia tốc điện tích (PE) và mạch tích hợp Piezoelectric (ICP®) có sẵn cho một loạt các ứng dụng đo cú sốc và rung.Các tiêu chí lựa chọn nên bao gồm các thông số kỹ thuật điện và vật lý của máy đo tốc độ, đặc điểm hiệu suất, và các cân nhắc về môi trường và hoạt động.So sánh những lợi thế và hạn chế của hai hệ thống có thể hữu ích trong việc lựa chọn một máy đo tốc độ và hệ thống đo lường phù hợp nhất cho một phòng thí nghiệm cụ thể, lĩnh vực, nhà máy, dưới nước, trên tàu hoặc ứng dụng trên không.Khống chế cao, loại đầu ra sạc (PE) và ICP® với đầu ra cản thấp đặc trưng.một số yếu tố đóng một vai trò trong việc lựa chọn một máy đo tốc độ cho một ứng dụng cụ thểCác yếu tố này bao gồm môi trường, hoạt động, số lượng kênh và khả năng tương thích hệ thống

Lời giới thiệu
Bài báo này sẽ xem xét các cân nhắc lựa chọn cảm biến liên quan đến hai loại cảm biến piezoelectric chung.
Ngoài các đặc điểm điện và vật lý của cảm biến, một số yếu tố khác cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến.
đóng một vai trò trong việc lựa chọn một máy đo tốc độ cho một ứng dụng cụ thể. Các yếu tố này bao gồm môi trường, hoạt động, số lượng kênh
và khả năng tương thích hệ thống.

Các máy đo tốc độ theo kiểu PIEZO-ELECTRIC (PE)

Các máy đo tốc độ loại PE tạo ra điện tích điện tĩnh cao, phản ứng với căng thẳng cơ học được áp dụng cho phần tử cảm biến hình gốm hoặc tinh thể của nó.Bởi vì độ nhạy cao của nóQuartz, thường được công nhận là vật liệu ổn định nhất trong tất cả các vật liệu piezoelectric,cũng thường được sử dụng trong ICP mục đích chung®Các hệ thống đầu ra điện tích đã có sẵn trong khoảng 40 năm.Các máy đo tốc độ PE hoạt động thông qua cáp tiếng ồn thấp vào một bộ khuếch đại điện tích cản đầu vào cao, chuyển đổi tín hiệu sạc thành tín hiệu điện áp trở thấp có thể sử dụng cho mục đích thu thập.và điều chỉnh độ tăng/chỉ sốCác tùy chọn có thể bao gồm lọc, tích hợp cho vận tốc và / hoặc dịch chuyển và điều chỉnh hằng số thời gian đầu vào, xác định phản ứng tần số thấp.Các bộ khuếch đại điện tích hiện đại được thiết kế với các mạch tiếng ồn thấp hiệu quả hơn và có thể kết hợp màn hình LCD đơn giản và điều khiển kỹ thuật sốMột số mô hình "hai chế độ" hoạt động với cả PE và ICP®Lợi thế chính của hệ thống sạc phòng thí nghiệm là tính linh hoạt trong việc điều chỉnh và kiểm soát đầu ra sạc điện tĩnh của máy đo tốc độ PE.Bộ khuếch đại điện tích ở trạng thái rắn, thường có các đặc điểm cố định, đã được sử dụng trong lịch sử cho các ứng dụng trên không.Các máy đo tốc độ PE cũng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với các máy đo tốc độ ICP® với thiết bị điện tử tích hợpCác hạn chế chính của hệ thống sạc PE liên quan đến sự phức tạp của hệ thống, khó vận hành, duy trì các mạch cản cao trong môi trường bẩn thỉu và tăng tiếng ồn khihoạt động thông qua các cáp đầu vào dài.Các mạch cản cao thường dễ bị nhiễu điện hơn.

Đường mạch tích hợp (ICP)®) Các máy đo tốc độ

ICP®máy đo tốc độ có tích hợp tích hợp điện tích vi điện tử hoặc bộ khuếch đại điện ápcó chức năng chuyển đổi điện tĩnh trở cao từ các yếu tố cảm biến PE thành tín hiệu điện áp trở thấpTrong các thiết kế hàn kín, tất cả các mạch cản cao được niêm phong và bảo vệ điện bên trong máy đo tốc độ.®Các máy đo tốc độ lần đầu tiên được sản xuất vào giữa những năm 1960.®Các máy đo tốc độ hoạt động từ một nguồn điện điện giá rẻ, dòng điện không đổi trên một mạch hai dây với tín hiệu / điện được truyền qua một dây và dây khác phục vụ như đất.Cáp có thể là đồng trục thông thường hoặc dây ruy băng. Cáp âm thanh thấp không cần thiết.Điện liên tục để vận hành máy đo tốc độ đến từ một đơn vị điện riêng biệt hoặc nó có thể được kết hợp bên trong một dụng cụ đọc như một FFT phân tích hoặc thu thập dữ liệuCác máy đo tốc độ điện tử tích hợp có sẵn dưới một số tên thương hiệu khác nhau như ICP®(PCB Piezotronics), Isotron®(Endevco), Delta-Tron®(B&K), và Piezotron®(Kistler) để đề cập đến một vài. Mặc dù điện tử tích hợp là một "lợi dây chung", tất cả các máy đo tốc độ điện tử tích hợp không nhất thiết phải được trao đổi hoặc "tương thích" với nhau.Một số chứa các mạch MOSFETMột số sử dụng các bộ khuếch đại điện tích lai, vi điện tử, các bộ theo dõi điện áp khác.một số hoạt động từ mức 0.5 mA cho tiêu thụ năng lượng thấp và các loại khác hoạt động lên đến 20 mA cho lái xeCần kiểm tra các thông số kỹ thuật cảm biến và điện năng ICP® trước khi giả định khả năng tương thích.Ưu điểm chính của hoạt động kháng cự thấp là khả năng của các máy đo tốc độ ICP® để hoạt động liên tục trong môi trường bất lợi, thông qua các cáp đồng trục dài, thông thường, mà không làm tăng tiếng ồn hoặc mất độ phân giải. chi phí cho mỗi kênh thấp hơn, vì không cần cáp và bộ khuếch đại điện tích ồn thấp.Hạn chế chính liên quan đến hoạt động ở nhiệt độ cao, trên 325 ° F. Các máy đo tốc độ ICP®, được cấu trúc bằng các yếu tố cảm biến thạch anh và điện tử đặc biệt, hoạt động tốt ở nhiệt độ lạnh.Bảng 1 là một danh sách đầy đủ các lợi thế và hạn chế của máy đo tốc độ PE và ICP®Danh sách này đã được xem xét và đầu vào được cung cấp bởi các chuyên gia tư vấn bên ngoài với nhiều năm kinh nghiệm trong công nghệ sốc và rung.tùy thuộc vào các đầu vào bổ sung liên quan đến lợi thế và hạn chế.

Bảng I Các cân nhắc để lựa chọn các máy đo tốc độ PE & ICP®

Bộ cảm biến PE

Ưu điểm

- Tính linh hoạt trong việc điều chỉnh các đặc điểm đầu ra điện của máy đo tốc độ một cách thích hợp

- Phạm vi năng động rộng

- Hoạt động ở nhiệt độ cao hơn > 500 °F

-Khả năng thay thế trong các hệ thống sạc hiện có

-Phản ứng tần số thấp mở rộng

Những hạn chế

-Cần đào tạo và chuyên môn để hiểu và vận hành mạch cản cao

- Hiệu ứng dung lượng từ máy đo tốc độ và cáp làm tăng tiếng ồn và giảm độ phân giải

- Các mạch cản cao phải được giữ sạch sẽ và khô (máy cảm biến, cáp tiếng ồn thấp và bộ khuếch đại điện)

- Cần cáp âm thanh thấp đặc biệt để giảm thiểu tiếng ồn triboelectric

- Hệ thống trở kháng cao dễ bị nhiễu điện và RF hơn

-Kích thước và độ nhạy của máy tăng tốc PE có liên quan trực tiếp - Một tính toán về độ nhạy / kích thước / khối lượng tải

- Chi phí trên mỗi kênh cao hơn so với ICP®Loại (do cáp tiếng ồn thấp và bộ khuếch đại điện tích cần thiết)

Mỗi một trong những cân nhắc này sẽ được xem xét chi tiết hơn cho cả PE và ICP®máy đo tốc độ.

Ưu điểm của máy đo tốc độ PE

Sự linh hoạt-Một bộ khuếch đại điện tích "loại băng ghế" trong phòng thí nghiệm thường có các điều khiển để điều chỉnh và sửa đổi tín hiệu đầu ra từ máy đo tốc độ PE. Ít nhất, có các điều khiển để bình thường hóa độ nhạy,thiết lập tăng và phạm vi quy mô đầy đủCác bộ khuếch đại điện tích cũng có thể có khả năng lọc, tích hợp và điều chỉnh hằng số thời gian xả, xác định phản ứng tần số thấp.Các bộ khuếch đại điện tích hai chế độ cũng cung cấp dòng điện không đổi, cho phép hoạt động với cả hai ICP®, và bộ cảm biến điện tích PE.

Phạm vi động-Thông thường, máy đo tốc độ PE nhạy cao có thể hoạt động trong phạm vi động rộng (> 100 dB). Khi sử dụng với bộ khuếch đại điện tích trong phòng thí nghiệm,đầu ra toàn diện có thể được thiết lập cho bất kỳ mức g nào trong phạm vi tối đaPhạm vi động có thể được định nghĩa là phạm vi hoạt động từ độ phân giải đến phạm vi tối đa mà cảm biến sẽ vẫn trong thông số kỹ thuật.không xác định phạm vi động lực hoặc độ phân giải cho hầu hết các máy tăng tốc PE cấu trúc tinh thể gốmPhạm vi tối đa đôi khi được xác định bởi độ không tuyến tính tối đa được chấp nhận liên quan đến hoạt động ở phạm vi cao hơn..Độ phân giải dựa trên tiếng ồn hệ thống, được xác định bởi tăng cường khuếch đại và tải độ từ cáp đầu vào và máy tăng tốc trên đầu vào khuếch đại điện tích.

Hoạt động nhiệt độ cao-Vì máy đo tốc độ PE không có thiết bị điện tử tích hợp, nhiệt độ hoạt động chỉ bị giới hạn bởi các yếu tố cảm biến và vật liệu được sử dụng trong cấu trúc.Các máy đo tốc độ PE thường hoạt động ở nhiệt độ 500 °FCác mô hình đặc biệt có sẵn ở > 1000 ° F. Để chính xác nhất, máy đo tốc độ nên được hiệu chỉnh ở nhiệt độ hoạt động.

Khả năng thay thế- Gần như bất kỳ máy gia tốc PE nào cũng có thể thay thế trong một hệ thống đầu ra điện tích, ngoại trừ một số mô hình có thể có sức đề kháng cách điện rất thấp ở nhiệt độ cao.Các bộ khuếch đại điện tích đặc biệt có sẵn để hoạt động với đầu vào kháng cự thấp.

Phản ứng tần số thấp mở rộng-Các cảm biến lực thạch anh thường được sử dụng trong các ứng dụng xoay được kiểm soát lực. Khi được ghép vào các bộ khuếch đại điện tĩnh nghẹn cao (> 1012 ohm), các cảm biến lực thạch anh thường được sử dụng trong các ứng dụng xoay được kiểm soát lực.cảm biến lực thạch anh có hằng số thời gian xả theo thứ tự của hàng trăm, hoặc hàng ngàn giây, mang lại phản ứng tần số thấp tuyệt vời và khả năng hiệu chuẩn tĩnh

Hạn chế của máy đo tốc độ PE

Chuyên môn-Cần đào tạo và chuyên môn để hiểu, vận hành và duy trì các hệ thống đầu ra điện tích.ảnh hưởng của tải trọng công suất, tiếng ồn hệ thống, thiết lập điều khiển bộ khuếch đại điện tích, và giữ cho hệ thống sạch sẽ và không có độ ẩm.đơn giản hóa việc nhập độ nhạy và phạm vi thiết lập.

Nghị quyết-Mặc dù độ phân giải cho máy đo tốc độ PE có thể được coi là vô hạn, độ phân giải thường không được chỉ định trên trang dữ liệu, vì nó được xác định bởi tiếng ồn hệ thống.Cho đến khi giá trị điện dung cho cảm biến và chiều dài cáp đầu vào được xác định và tăng cường được thiết lập, độ phân giải không được biết. Điều này có thể gây ra sự không chắc chắn cho các phép đo ở mức thấp liên quan đến các dây cáp dài.nó ảnh hưởng đến tiếng ồn hệ thống và độ phân giảiThiếu khả năng điều khiển dây cáp dài là một trong những hạn chế chính của hệ thống đầu ra điện tích gia tốc PE.giảm thiểu vấn đề nàyTiếng ồn "triboelectric" tạo ra do chuyển động cáp đầu vào cũng có thể làm suy giảm độ phân giải.

Môi trường hoạt động-Các máy đo tốc độ PE xung cao và bộ khuếch đại điện tích phù hợp nhất để hoạt động trong điều kiện phòng thí nghiệm sạch. Chúng không hoạt động tốt trong môi trường nhà máy, tàu hoặc dưới nước bất lợi.Tất cả các thành phần cản cao, bao gồm cả máy đo tốc độ, cáp tiếng ồn thấp và bộ khuếch đại điện tích phải được giữ sạch sẽ và khô.và trục trặc đường cơ bản.

Cáp và bộ kết nối-Các máy đo tốc độ PE đòi hỏi phải sử dụng cáp đồng trục có độ chống nhiệt cao, tiếng ồn thấp.Cáp có tiếng ồn thấp có chất bôi trơn graphite nhúng trong lớp điện bao phủ để giảm thiểu ma sát và tạo ra điện tĩnh "triboelectric". Lượng điện tĩnh được tạo ra bởi chuyển động cáp giống như điện tích được tạo ra từ phần tử piezo. Máy khuếch đại điện tích không thể phân biệt giữa hai.Các đầu nối cáp thường là Microdot®10-32 đồng trục.

Kích thước so với độ nhạy-Kích thước, độ nhạy và phản ứng tần số của máy đo tốc độ PE đều liên quan trực tiếp.và ngược lạiKhi một ứng dụng đo lường đòi hỏi một máy đo tốc độ nhỏ cho các cân nhắc tải trọng thấp,sự thỏa hiệp có thể phải được thực hiện trong việc chọn một máy đo tốc độ lớn hơn cung cấp độ nhạy đầy đủ.

Chi phí-Giá của máy tăng tốc PE về cơ bản giống như một ICP tương đương®Tuy nhiên, vì máy đo tốc độ PE đòi hỏi phải sử dụng cáp tiếng ồn thấp và bộ khuếch đại điện tích, chi phí trên kênh cao hơn so với ICP®cáp và bộ khuếch đại là những cân nhắc chi phí chính trong các hệ thống đo nhiều kênh.

Ưu điểm của máy đo tốc độ ICP®

Hoạt động đơn giảnCác hệ thống tăng tốc ICP® cung cấp hoạt động đơn giản, đòi hỏi ít chuyên môn, đào tạo và sự chú ý của người vận hành.tín hiệu đầu ra xung thấp hầu như không bị ảnh hưởng bởi loại cáp, chiều dài, và điều kiện hoạt động môi trường.

Nghị quyết- Độ phân giải của máy đo tốc độ ICP® hầu như không bị ảnh hưởng bởi loại cáp hoặc chiều dài.mất độ phân giảiCác cáp đầu vào dài hàng trăm feet có thể hoạt động như một bộ lọc LP trên dữ liệu tần số cực cao.Điều này thường chỉ liên quan đến các cảm biến áp suất ICP® được sử dụng cho phép đo áp suất cú sốc và sóng nổ trong microsecond.

Môi trường hoạt động- Các máy đo tốc độ ICP® kín kín hoạt động tốt trong môi trường bất lợi. Chúng chống nhiễm, vì tất cả các mạch cản cao được kín kín an toàn bên trong máy đo tốc độ.Thiết kế hermetic hàn thường chống ô nhiễm hơn so với thiết kế được niêm phong epoxySự tương thích với môi trường bất lợi làm cho máy đo tốc độ ICP® là sự lựa chọn ưa thích cho việc giám sát sức khỏe máy công nghiệp, dưới nước, trên tàu, phương tiện và các ứng dụng thử nghiệm thực địa.

Cáp và bộ kết nối- Khả năng đầu ra xung thấp của máy đo tốc độ ICP® cho phép linh hoạt hoàn toàn về loại cáp và đầu nối.Các cân nhắc về cáp và đầu nối có thể quan trọng trong một số ứng dụng liên quan đến nhiệt độ cao hoặc thấp, áp suất, chân không, chất lỏng ăn mòn và nơi tải trọng khối lượng là một mối quan tâm.cho phép sử dụng cáp linh hoạt nhẹ để giảm thiểu tác động của căng và tải trọngCác máy đo tốc độ công nghiệp sử dụng các đầu nối lớn, chắc chắn và / hoặc kết nối hóa thạch để đạt được độ tin cậy trong môi trường bất lợi.Việc sử dụng cáp và đầu nối tiêu chuẩn trong các hệ thống số lượng kênh lớn thúc đẩy quản lý cáp hiệu quả và là một yếu tố quan trọng trong việc giảm chi phí.

Kích thước và độ nhạy- Bằng cách kết hợp tăng trong máy đo tốc độ ICP® thu nhỏ, có thể giải quyết các ứng dụng đòi hỏi máy đo tốc độ với khối lượng thấp, độ nhạy cao và phản ứng tần số cao.Lợi ích bên trong cũng cải thiện độ phân giải của các máy gia tốc ICP® có cấu trúc gốm kết hợp sạc laimột số ICP®Các máy đo tốc độ kết hợp các mạch tăng điện áp, và mặc dù mức tín hiệu được tăng để ghi lại và / hoặc sử dụng cáp, mức tiếng ồn cũng vậy.

Phạm vi động-ICP®Các máy đo tốc độ có phạm vi động rất rộng. "Phạm vi động giới hạn hoặc cố định" đôi khi được trích dẫn như một "miễn hạn" của ICP®Các máy đo tốc độ.®Các máy đo tốc độ có phạm vi động lớn hơn 100.000 đến 1 (> 100 dB).Cả phạm vi động và độ phân giải của ICP®thậm chí còn quan trọng hơn, các ICP®hệ thống không mất phạm vi động, do chiều dài cáp bổ sung và cấu hình hệ thống.

Năng lượng ICP®Máy đo tốc độ-Tùy thuộc vào mô hình cụ thể,®Các máy đo tốc độ có thể hoạt động từ 0,5 mA đến 20 mA điện liên tục ở bất cứ đâu từ 3 đến 30 VDC.Như đã cảnh báo trước đây, tất cả ICP®Các máy đo tốc độ không chứa cùng một mạch điện bên trong và do đó, chúng không nhất thiết phải tương thích với tất cả các nguồn điện điện không đổi.Sensor bias và điện áp cả hai ảnh hưởng đến phạm vi động. Điện cung ứng ảnh hưởng đến khả năng điều khiển cáp, đặc biệt là khi điều khiển tín hiệu điện áp cao ở tần số cao.với hoặc không có lợi nhuận, và vận hành bằng tay hoặc máy tính.®Các đơn vị điện đường cảm biến thường cung cấp dòng điện từ 2 đến 4 mA. Tuy nhiên, chúng thường có thể điều chỉnh đến 20 mA, có thể cần thiết khi điều khiển các cáp dài ở tần số cao.Nhiều thiết bị đọc thương mại, chẳng hạn như các máy phân tích FFT và bộ thu thập dữ liệu rung, kết hợp nguồn đầu vào dòng điện liên tục để kết nối trực tiếp với ICP®Các bộ khuếch đại điện tích hai chế độ kết hợp nguồn điện liên tục để cung cấp cho hoạt động với cả PE và ICP®máy đo tốc độ.

Cable Fault Monitor... Trong ICP®Các mạch cảm biến hai dây, tín hiệu / điện được truyền qua một dây và tín hiệu trở lại (đất) qua dây khác. Bằng cách theo dõi điện áp đặc trưng DC "biased" tồn tại trên dây tín hiệu / điện,có thể phát hiện cáp mở hoặc mạch ngắn. ICP®Các đơn vị năng lượng cảm biến thường kết hợp các đồng hồ có mã màu đỏ, xanh lá cây, vàng, hoặc đèn LED, để chỉ hoạt động bình thường hoặc lỗi cáp.

Hoạt động thông qua vòng trượt-Một số ứng dụng đo rung trên máy quay đòi hỏi phải hoạt động thông qua vòng trượt.®Các máy đo tốc độ tương thích với hoạt động thông qua các vòng trượt.

"TEDS" Transducer Electronic Data Sheet Việc kết hợp mạch nhớ "TEDS" vào ICP®máy đo tốc độ cho phép lưu trữ thông tin tự xác định như tên của nhà sản xuất, loại cảm biến, mô hình, số serial, độ nhạy, ngày hiệu chuẩn, ID kênh, vị trí cảm biến,và thông tin khácCác máy đo tốc độ TEDShoạt động trong chế độ tương tự hoặc kỹ thuật số "lộn lẫn". Một điều hòa tín hiệu TEDS được sử dụng để truy cập bộ nhớ kỹ thuật số qua cùng một dây thường được sử dụng cho phép đo tương tự.Một khi dữ liệu bộ nhớ đã được truy cậpChi phí - Mặc dù hầu hết các máy đo tốc độ ICP® và PE về cơ bản có giá tương tự, nhưng các máy đo tốc độ có thể được sử dụng để đo tốc độ.chi phí mỗi kênh của hệ thống ICP® thấp hơn đáng kể vì không cần cáp âm thanh thấp đặc biệt và bộ khuếch đại điện tích. Tiết kiệm có thể đáng kể khi so sánh chi phí của hệ thống đa kênh. Từ quan điểm hoạt động, cần ít chăm sóc, chú ý và nỗ lực hơn để vận hành và duy trì các hệ thống cản thấp.

Hạn chế của máy đo tốc độ ICP®
Lượng sản xuất cố địnhCác đặc điểm điện, chẳng hạn như độ nhạy, phạm vi, độ phân giải và hằng số thời gian xả, được cố định trong máy đo tốc độ ICP®.Hằng số thời gian xả cố định ít hạn chế với máy đo tốc độ hơn là với các cảm biến áp suất và lực lượng thạch anh, có thể hoạt động trong chế độ không đổi thời gian dài cho mục đích hiệu chuẩn gần tĩnh.Phạm vi nhiệt độ - Hầu hết các máy đo tốc độ ICP® có mục đích chung có phạm vi nhiệt độ hạn chế từ khoảng -65 ° F đến +250 ° FCác mô hình lạnh đặc biệt hoạt động xuống -320 ° F và các thiết kế nhiệt độ cao đến +325 ° F.

Tóm lạiHệ thống khuếch đại điện tích được hưởng lợi từ phạm vi động rất rộng của máy đo tốc độ PE bằng cách cung cấp tính linh hoạt trong việc điều chỉnh các đặc điểm đầu ra điện như độ nhạy và phạm vi.Chúng rất phù hợp để hoạt động ở nhiệt độ caoCác hệ thống sạc hiện đại có chức năng hoạt động tiếng ồn thấp được cải thiện, điều khiển kỹ thuật số đơn giản hóa và hoạt động đầu ra kép để hoạt động với sạc hoặc ICP®Các bộ cảm biến chế độ điện áp. Các mạch kháng cự cao không phù hợp với hoạt động trong môi trường không thuận lợi hoặc môi trường nhà máy.Độ phân giải của máy tăng tốc PE có thể không được chỉ định hoặc biết đến vì tiếng ồn là một cân nhắc hệ thống được xác định bởi chiều dài cáp và tăng cường khuếch đại. ICP®Các máy đo tốc độ hoạt động từ một nguồn điện dòng điện không đổi, cung cấp điện áp cao, trở kháng thấp, đầu ra mV / g cố định.cáp đồng trục trong môi trường bất lợi mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệuChúng có giới hạn nhiệt độ cao.®cảm biến dễ vận hành. Cả độ phân giải và phạm vi hoạt động đều được xác định. Chi phí mỗi kênh thấp hơn so với hệ thống PE,vì không cần dây cáp và bộ khuếch đại điện tích ồn thấp.