Инструменты, цифровые технологии, связь, измерения

Критерии выбора пьезоэлектрических датчиков и влияние внешних факторов

11 ноября 2019 г. в 20:47

При выборе пьезоэлектрических датчиков всегда надо обращать внимание на условия их применения. Пьезоэлектрические датчики характеризуются более, чем сорока параметрами, служащими для оценки их работоспособности, точности и применимости для конкретных измерительных целей.

Технические характеристики делятся на метрологические и эксплуатационные.

К важнейшим метрологическим характеристикам относятся:

  • коэффициенты преобразования;
  • частота установочного резонанса, определяющая верхнюю границу рабочего диапазона частот;
  • относительный коэффициент поперечного преобразования;
  • рабочий диапазон частот с установленной неравномерностью АЧХ;
  • рабочий диапазон ускорений с установленной нелинейностью АХ;
  • рабочий диапазон температур.

К основным эксплуатационным характеристикам могут относиться:

  • масса и габаритные размеры;
  • способ крепления на контролируемом объекте;
  • защищённость от воздействия окружающей среды и источников помех.

Пьезоэлектрические преобразователи по типу выходного сигнала делятся на две группы:

  1. с зарядовым выходом;
  2. со встроенной электроникой (выходы по току, напряжению, цифровой).

Каждая группа обладает своим рядом недостатков и преимуществ. Если при проведении измерений нужно обеспечить высокую стойкость датчика к температуре (более 150 °С) или большим значениям амплитуд измеряемых ускорений (более 500 000 м/с2), то выбирать лучше из ряда датчиков с выходом по заряду.

В остальных случаях целесообразно использовать преобразователи со встроенной электроникой, обладающие более помехоустойчивыми характеристиками, возможностью использования более длинных кабельных линий (пьезоэлектрический преобразователь — согласующее устройство) до 500 метров (для питания током 2 мА — до 50 м). При этом паразитный сигнал, пропорциональный внешним факторам может внести существенное влияние в полезный сигнал пропорциональный контролируемым механическим колебаниям.

Технические характеристики пьезоэлектрических датчиков


Виды воздействий на пьезодатчик

Влияние температуры окружающей среды

Изменение осевой чувствительности и электрической ёмкости от температуры
Изменение осевой чувствительности и электрической ёмкости от температуры

Пьезоэлектрические датчики работоспособны в широком диапазоне температур. При отклонении температуры от нормальной изменяются как осевая чувствительность, так и электрическая ёмкость преобразователей. Эти изменения носят обратимый характер и при установлении нормальной температуры восстанавливаются.

На рисунке приведены характерные температурные зависимости чувствительности и емкости для пьезопреобразователей (датчиков) с чувствительным элементов из пьезокерамики.

При известной температуре эксплуатации пьезопреобразователей по этим зависимостям при необходимости можно откорректировать результаты измерения ускорений. Наименьшей чувствительностью к изменению температуры обладают датчики с чувствительными элементами из кварца.

Поперечная чувствительность

Поперечная чувствительность пьезопреобразователей не превышает 5% от осевой чувствительности. В паспорте на каждый датчик приводится только максимальное значение поперечной чувствительности. С целью снижения влияния поперечной чувствительности на результаты измерения необходимо по возможности точно совместить ожидаемое направление действия ускорения с рабочей осью чувствительности пьезопреобразователя.

Влияние деформации объекта испытаний

При установке пьезопреобразователей на сильно деформирующуюся в процессе удара или вибрации поверхность возможно появление паразитного сигнала вследствие передачи деформации через основание корпуса чувствительному элементу. Большинство вибропреобразователей ООО «ГлобалТест» имеют сдвиговую схему работы пьезоэлемента и отличаются малой деформационной чувствительностью, которая в основном не превышает величины 5∙10-3 g∙м/мкм при деформации 250 мкм/м.

Влияние переменного магнитного поля

Основную роль в формировании чувствительности пьезопреобразователей к переменному магнитному полю играет магнитная восприимчивость материалов основных элементов конструкции. В связи с этим основные элементы конструкции пьезопреобразователей выполнены из неферромагнитных материалов, магнитная восприимчивость которых близка к нулю. Чувствительность пьезопреобразователей ООО «ГлобалТест» к переменному магнитному полю не превышает 10-4 g/A∙м-1 и заметное влияние её возможно лишь при измерении ускорений низкого уровня.

Акустическая чувствительность

Акустические поля высокого давления оказывают незначительное влияние на выходной сигнал пьезопреобразователей. При уровнях звукового давления около 140 дБ на частоте 250 Гц акустическая чувствительность пьезопреобразователей АР составляет десятые доли «g».

Влияние кабельного эффекта

Монтаж соединительного кабеля — один из наиболее важных аспектов установки вибропреобразователя на объекте контроля. Особое внимание необходимо уделять трем основным моментам: длине кабеля, выбору направления монтажа и заземлению.

Влияние кабельного эффекта

В вибропреобразователях АР используется антивибрационный малошумящий кабель. Однако при измерении ускорений низкого уровня (единицы «g») могут появляться эффекты, связанные с трибоэлектрическими явлениями в кабеле. При ударных нагружениях данный эффект пропорционален длине колеблющейся (незакреплённой) части кабеля и длительности ударного нагружения. При длительностях ударного нагружения до 10–20 мс его влияние на результат измерений незначительно. В то же время при низкочастотных колебаниях влияние трибоэлектричества на результат измерения может оказаться
решающим. Поэтому при измерениях вибропреобразователями АР ускорений низкого уровня целесообразно:

  • уменьшать длину участков кабеля, подвергающихся вибрационным или ударным возмущениям;
  • уменьшать длину участка кабеля, расположенного между последней точкой крепления его на подвижном объекте и первой неподвижной точкой;
  • производить крепление кабеля на объекте испытаний без натяжения и провисания при помощи хомутов, скоб, мастик и т.д. с шагом 200–300 мм и первой точкой крепления, отстоящей на 30–50 мм от вибропреобразователя (2–5 мм для АР1019, AP2019);
  • перед испытаниями (если возможно) определять уровень сигнала, обусловленного трибоэлектричеством в кабельных линиях вибропреобразователь — регистрирующая аппаратура, используя в процессе испытаний «фоновые» линии связи (или фоновые вибропреобразователи, например AP1077И).

Выбор направления монтажа кабеля и электромагнитные помехи

Портативные радиостанции, шины питания и даже электростатические искровые разряды могут вызвать сигнал помехи. Правильно выбранное направление монтажа кабеля позволит минимизировать сигнал помехи. Соединительные кабели не должны проходить вдоль шин питания переменного тока. Кабели должны пересекать шины питания переменного тока под прямым углом. Кроме того, кабели следует направлять в противоположную сторону от радиопередающих устройств, двигателей, генераторов и трансформаторов.

Влияние контуров заземления

Заземление кабеля и паразитные контуры с замыканием через землю

Для исключения сигналов помехи, обусловленной протекающими через шины заземления объектов контроля и регистрирующей аппаратуры паразитными токами, необходимо уделять особое внимание заземлению кабеля в зависимости от схемы подключения вибропреобразователя к регистрирующей аппаратуре.

Паразитный контур в результате неправильного заземления

Паразитный контур с замыканием через шину заземления возникает, когда общая шина «вибропреобразователь — регистрирующая аппаратура» заземлена в двух местах с различными электрическими потенциалами. В условиях возможного возникновения паразитных контуров рекомендуется применять вибропреобразователи с внешней электрической изоляцией корпуса или использовать изолирующие шпильки (AH1005, AH1006, AH1010) и изолирующие магниты (AM05, AM08). В вибропреобразователях с чувствительным элементом и встроенным усилителем, электрически изолированными от корпуса, возникновение паразитных контуров не происходит (АР2028В, АР2028I, АР2035 и АР2036 (без металлорукава), АР208501, АР2086).

Паразитный контур в результате неправильного заземления


Смещение нулевой линии

Смещение нулевой линии в вибропреобразователях может проявляться в виде смещения постоянной составляющей, которая возвращается к нулевой линии по экспоненте. Причиной появления смещения нулевой линии может быть влияние кабельного эффекта, нерациональное заземление объекта испытаний и регистрирующей аппаратуры, а также конструктивные особенности вибропреобразователей. Вибропреобразователи АР с чувствительным элементом, работающим на сдвиг, наименее подвержены явлению смещения нулевой линии и в этом отношении превосходят вибропреобразователи других конструкций.

Требования к электропитанию вибропреобразователей со встроенной электроникой

В вибропреобразователях со встроенным предусилителем типа IEPE электропитание и передача сигнала осуществляется по двухпроводной линии связи. Устройство питания должно обеспечивать питание предусилителя типа IEPE постоянным током 2 ... 20 мА при напряжении питания 15 ... 30 В и подключение вибропреобразователя к регистрирующей аппаратуре через разделительный конденсатор емкостью ≥ 10 мкФ × 35 В для отделения полезного сигнала от постоянной составляющей напряжением 8 ... 13 В.

Величина тока питания зависит от длины соединительного кабеля (емкостной нагрузки) и условий эксплуатации вибропреобразователя. При температуре окружающей среды t > 100 °C, когда важен фактор теплового рассеяния, оказывающий влияние на коэффициент передачи усилителя, ток питания не должен превышать 6 мА.

Если в регистрирующей аппаратуре отсутствует устройство питания, отвечающее выше перечисленным требованиям, подключение вибропреобразователей к регистрирующей аппаратуре следует производить через блок питания AS01 или согласующие устройства AG01 (AG013), AG02 (AG023). Применение согласующих устройств AG02 (AG023) снижает влияние переходных процессов при переключении каналов на результат измерения в низкочастотной области.

Для использования других схем питания вибропреобразователей со встроенной электроникой требуется консультация с изготовителем.

Источник: Компания «ГлобалТест»

👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Информация о компании

ООО «ГлобалТест» — специализированное научно-производственное предприятие с замкнутым циклом разработки и изготовления измерительной датчиковой аппаратуры. Дата основания — 1991 г.
Читайте также
Новости по теме
Объявления по теме

ПРОДАМ: Компасы

Инерциальные датчики — это составные части инерционной системы навигации, основанной на свойствах тел, не требующих внешних ориентиров или сигналов для определения их положения в пространстве. Инерциальное измерение производится акселерометрами, определяющими значение линейного ускорения, и гироскопами, определяющими угловую скорость. В нашем каталоге представлен широкий ассортимент электронных и электромеханических компонентов и готовых решений ведущих мировых производителей. Мы напрямую работаем с производителями, поэтому готовы предложить полный ассортимент товаров каждого бренда, включая те, что производятся под индивидуальный заказ. Для точной подборки или поиска нужных аналогов по техническим параметрам, оставьте заявку для связи с нашим специалистом. Мы подберем варианты оптимального решения для Вашей задачи из полного ассортимента технических каталогов товаров производителей.
Воронцова Марина · ИНЕЛСО · 11 июня · Россия · г Санкт-Петербург
Компасы

ПРОДАМ: Датчик измерения вибрации ВД06А широкого применения

Вибродатчик используют во всех областях профессиональных виброизмерений - системах диагностики, мониторинга и аварийного отключения в электро- и теплоэнергетике, гидроэнергетике, на транспорте и в др. отраслях. Цена на датчики вибрации оптимальна и ниже, чем аналоги у других поставщиков и производителей. Принцип действия По принципу действия датчики являются пьезоэлектрическими вибропреобразователями. Восемь преимуществ пьезоэлектрического датчика вибрации Малый коэффициент гармоник выходного сигнала за счет сдвоенного пьезоэлектрического чувствительного элемента. Высокие метрологические характеристики и предельно малые размеры датчика за счет применения специальных конструктивных решений и материалов (сейсмической массы из сплава вольфрама). Долговременная стабильность параметров датчика вибрации в самых неблагоприятных условиях эксплуатации без потери точности измерений за счет использования герметичного корпуса из полированной нержавеющей стали, посадочной плоскости, притёртой по 10-му классу чистоты и специально состаренных пьезоэлементов. Виброизмерение всех известных типов механизмов (вращающихся, возвратно-поступательных, неповторяющихся и т.д.) за счет расширенного диапазона частот. Подключение датчика вибрации на значительном расстоянии от вторичной аппаратуры (до 20...30 м) за счет встроенного усилителя. Стандартный тип выхода – ICP. Широкий диапазон рабочих температур датчика вибрации. Влагобрызгозащищённое исполнение. Четыре особенности датчика вибрации Возможность стационарной и временной установки датчика на объекте контроля. При стационарной установке он крепится на шпильку М5, при временной - на магнитное крепление, поставляемое отдельно. Миниатюрный коаксиальный разъём типа СР50-267 для подключения к внешним устройствам. Для преобразования сигнала ВД06А (а также вибродатчиков любых типов) в выходной стандартный токовый сигнал 4-20 мА используется интегрирующий преобразователь сигнала датчика вибрации ИПВ-3. Для крепления датчика к поверхности...
Ивкина Лидия · НТФ Микроникс · 27 мая · Россия · Омская обл
Датчик измерения вибрации ВД06А широкого применения

ПРОДАМ: Тороидальный датчик тока Д. 250/0, 125 (1: 2000).

Датчик тока предназначен для использования в системах измерений, контроля и автоматики в электроустановках до 1000 В частотой 50 Гц. Конструктивно датчик представляет собой тороидальный трансформатор тока; определяет величину действующего значения переменного синусоидального тока в контролируемом проводе первичной обмотки. Изготавливается в пластиковом корпусе. Материал сердечника — электротехническая сталь. Исполнения: — Д. 100/0,1 — ток 5-100 А, коэффициент трансформации (±2%) — 1:1000 — Д. 250/0,125 — ток 5-250 А, коэффициент трансформации (±2%) — 1:2000
Симахин Иван · ООО "ЭНЕРГИС-АВТОМАТИКА" · 13 июня · Россия · Кировская обл
Тороидальный датчик тока Д. 250/0, 125 (1: 2000).

ПРОДАМ: Инклинометры RION Technology, BLITZ Sensor

Инерциальные датчики — это составные части инерционной системы навигации, основанной на свойствах тел, не требующих внешних ориентиров или сигналов для определения их положения в пространстве. Инерциальное измерение производится акселерометрами, определяющими значение линейного ускорения, и гироскопами, определяющими угловую скорость. В нашем каталоге представлен широкий ассортимент электронных и электромеханических компонентов и готовых решений ведущих мировых производителей. Мы напрямую работаем с производителями, поэтому готовы предложить полный ассортимент товаров каждого бренда, включая те, что производятся под индивидуальный заказ. Для точной подборки или поиска нужных аналогов по техническим параметрам, оставьте заявку для связи с нашим специалистом. Мы подберем варианты оптимального решения для Вашей задачи из полного ассортимента технических каталогов товаров производителей.
Воронцова Марина · ИНЕЛСО · 11 июня · Россия · г Санкт-Петербург
Инклинометры RION Technology, BLITZ Sensor

ПРОДАМ: Датчики давления серии MPM — новинка

Модельный ряд: • MPM489 • MPM486 • MPM480 • MPM430 • MPM388 • MPM380 MPM489 — пьезорезистивный датчик давления, с возможностью подстройки нуля и диапазона измерения. В изготовлении датчика используется высокостабильный и надёжный сенсор давления. Области применения: • Металлургия • Энергетика • Нефтяная промышленность • Химическая промышленность • Машиностроение • Коммунальное хозяйство Особенности: • Диапазон давления: -0,1…0~0,01…100 МПа • Точность: ±0,5% • Выходной сигнал: 4~20мА; 0/1~5В • Сенсор: кремниевый пьезорезистивный MPM486 — интеллектуальный датчик давления с высокой точностью, стабильностью и цифровым индикаторным устройством. Пользователь может осуществлять настройку датчика с помощью HART коммуникатора, либо с помощью кнопочного интерфейса на месте установки датчика. Также HART протокол позволяет получать данные, диагностировать и настраивать датчик удалённо. Области применения: • Металлургия • Энергетика • Нефтяная промышленность • Химическая промышленность • Машиностроение Особенности: • Диапазон давления: -0,1…0~0,01…100 МПа • Точность: 0,1%; 0,25%; 0,5% • Выходной сигнал: 4~20мА + HART • Сенсор: кремниевый пьезорезистивный MPM480 — датчик давления состоит из пьезорезистивного чувствительного элемента, изолированного от измеряемой среды стальной мембраной. Данный сенсор проходит автоматическое тестирование, лазерную подстройку нуля в широком температурном диапазоне. Усилительная схема, расположенная в корпусе из нержавеющей стали, преобразует сигнал от сенсора в стандартный выходной сигнал. Благодаря строгому контролю при изготовлении комплектующих частей, начиная с обработки и заканчивая готовым изделием, датчик давления имеет высокую стабильность и надёжность. Области применения: • Металлургия • Энергетика • Нефтяная промышленность • Химическая промышленность • Машиностроение • Коммунальное хозяйство Особенности: • Диапазон давления: -0,1…0~0,01…100 МПа • Точность: 0,25%; 0,5% • Выходной сигнал: 4~20 мА; 0~10/20 мА; 0/1~5/10 В • Сенсор:...
Смолич Елена · НПК Электроэнергетика · 11 июня · Россия · Московская обл
Датчики давления серии MPM — новинка
Autonics - международная компания из Южной Кореи, которая занимается производством компонентов промышленной автоматики. Компания производит датчики, контроллеры, устройства движения, измерительное оборудование, системы лазерной маркировки, соединительное оборудование и другое. Номенклатура продукции превышает 15000 наименований. Продукция отличается высоким качеством, надежностью и доступной ценой, что делает ее лидером продаж в Корее. На рынке автоматизации компания присутсвует больше 40 лет.