Пьезоэлектрический датчик вибрации

Датчик вибрации представляет собой устройство, которое реагирует на вибрационные явления и регистрирует их. Предназначен для определения виброскорости, виброперемещения и виброускорения. Своевременное определение показателей позволяет выявить недостатки и неисправности в работе приборов, предотвратить поломки. Применяются в различных аппаратах, которые требуют учет вибрационных процессов, различных диагностических системах, теплоэнергетике, электроэнергетике, транспорте.

Используйте датчик вибрации для обнаружения ударов, тряски и незваных гостей.

Видеообзор

Термин «пьезо» происходит от греческого слова «давить» или «сжимать». В 1880 году братья Жак и Пьер Кюри обнаружили, что при механической деформации некоторых материалов вырабатывается электричество. Это явление получило название пьезоэлектрический эффект. Братья Кюри открыли и обратный пьезоэлектрический эффект, если подвести к такому материалу напряжение, они меняют форму.

Открытие имело важное значение для науки и техники: пьезоэлектрики нашли применение в кварцевых часах, электронных будильниках и весах, системах зажигания и даже в зажигалках.

Подключения и настройка

Датчик вибрации отдаёт два аналоговых сигнала, при подключении к управляющей плате понадобятся два аналоговых пина. По одной линии передается текущий сигнал с пьезо-диска, а по второй — интегрированные измерения за последнюю сотню миллисекунд. Это значение отражает общий уровень вибрации. Такой же принцип организован в
датчике шума.

При подключении к Arduino или Iskra JS удобно использовать Troyka Shield.

С Troyka Slot Shield можно обойтись без лишних проводов.

Пример использования

#define VIBRO_PIN A5
#define VIBRO_INTEGRATED_PIN A4
 
setup

// открываем монитор Serial-порта
Serial.

 
loop

// считываем показания с пьезодиска
vibroValue analogReadVIBRO_PIN
// считываем показания уровня вибрации
integratedVibroValue analogReadVIBRO_INTEGRATED_PIN
Serial.vibroValue
Serial.
Serial.integratedVibroValue

Элементы платы

Пьезодиск и электронная обвязка модуля

Пьезодиск преобразует механические колебания в колебания электрического тока. Если этот сигнал напрямую подключить к аналоговым входам микроконтроллера, такого как Arduino, результат скорее всего будет неудовлетворительным. Сигнал с пьзодиска предварительно необходимо усилить, избавиться от отрицательной полуволны и сгладить сигнал. Все эти действия выполняет электронная обвязка модуля.

Почему мы не можем просто взять пьезодиск?

Сигнал с пьзодиска — это всегда колебания. Поэтому показания вибрации очень зависят от того, в какой момент времени произошло измерение напряжения микроконтроллером. Даже при самой сильном землетрясении analogRead может вернуть 0.

Как видим, даже измерение максимальных значений амплитуды не даст четкую информацию об уровне вибрации. Чтобы получить эту информацию, нужно делать измерения максимально часто и подвергать эти данные математической обработке. Численной характеристикой вибрации является площадь под графиком мгновенной вибрации. Именно её и «считает» электронная обвязка модуля.

Потенциометр регулировки чувствительности

Потенциометр регулирует коэффициент усиления усилителя сигнала с пьзодиска. Он бывает полезен, если необходимо изменить условия срабатывания вашего устройства без изменения его прошивки.
Чем выше чувствительность модуля, тем выше доля помех в полезном сигнале датчика. Мы рекомендуем начинать работу с модулем при среднем положении потенциометра. В таком случае чувствительность модуля будет легко изменить в любую сторону.

Контакты подключения трёхпроводного шлейфа

Модуль подключается к управляющей электронике двумя трёхпроводными шлейфами.

Принципиальная и монтажная схемы

Характеристики

Приборы данного типа определяют вибрации электродвигателей, высокий уровень которых непосредственно влияет на надежность двигателя, снижает надежность подшипников. Все виды нагрузок от вибрирующего ротора разрушают масляную пленку подшипников скольжения, приводят к появлению механических повреждений.  Также подвержен разрушению подшипники качения, появление трещин, сколов, разрыв сепараторов приводит к выходу их из строя. Ускоряется изнашивание обмоток, вала, появляются трещин статора, возникают повреждения опорной рамы. Задача измерения уровня вибрационных процессов, их характера необходима для устранения причин, которых может быть множество:

Для предотвращения повреждений, измеряются показатели на всех подшипниках электродвигателей в 3 направлениях:

Полученные показатели вибросокорости варьируются от 2.8 до 4.5 мм/с, в зависимости от числа оборотов (от 600 до 6000 об/мин).

Измерение проводится двумя способами: контактным и бесконтактным. Первый способ предполагает пьезоэлектрический датчик вибрации. Он устанавливается непосредственно на саму рабочую поверхность, например на подшипник. Наиболее предпочтительным в данном случае является резьбовое соединение. Необходимо учитывать, что штифт должен быть установлен в направлении вибрации. Не менее важным показателем является масса, которая должна быть не более 5% массы самого электродвигателя. Бесконтактным способом измерения проводятся с помощью вихретоковых датчиков или ультразвука. Проводить измерения лучше всего в режиме холостого хода для получения более точных результатов.

Видео по теме

Выделяют несколько классификаций в зависимости от параметра, положенного в основу:

Оптический датчик вибрации работает на основе эффекта Доплера. Он состоит из нескольких элементов:

В состоянии покоя длина волны луча лазера при отражении соответствует истинной длине луча. При возникновении вибрационных процессов происходит сдвиг длины волны. Определение значения и направления величин, на которую меняется длина волн лазерного луча, позволяет определить скорость и направление движения. С помощью интерферометрической схемы, которая располагается в приемнике, определяется данная величина. Таким образом, определяются тип вибрационных колебаний. Оптические ДВ делятся на 2 типа:

Применяются чаще всего в исследовательских лабораториях, в строительстве. К основным преимуществам можно отнести высокую чувствительность, быстродействие, компактность и пожаробезопасность. Кроме того, диагностика может осуществляться бесконтактным способом. В качестве недостатков можно выделить высокую стоимость, необходимость подключения сложного оборудования. Такие приборы потребляют большое количество энергии, чувствительны к качеству и чистоте поверхности, окружающей среде, атмосферным явлениям. При работе необходимо обязательное соблюдение мер предосторожности и использование дополнительных средств защиты.

Принцип работы трибоэлектрического устройства заключается в обнаружении каких-либо процессов деформации конструкции. Для этого предусмотрен специальный чувствительный элемент, особенностью которого является эффект трибэлектричества. Применяется чаще всего в оборудовании охранных систем, ограждении территорий.

Вихретоковые датчики вибрации предполагают бесконтактный способ работы. С их помощью можно провести замеры перемещения, а также частоты вращения. Состоят из трех основных элементов:

На диэлектрическом наконечнике расположена катушка индуктивности, в которой возникают высокочастотные колебания с помощью драйвера. В результате этого образуется электромагнитное поле, которое необходимо для обеспечения взаимодействия с исследуемым объектом. На поверхности под действием электромагнитного поля возникают вихревые токи, способные изменить параметры самой катушки, ее активное и индуктивное сопротивление.  Все изменения преобразуются драйвером в электрические сигналы.

Конструкция может отличаться в зависимости от того в каком варианте выполнен пробник и длины удлинительного кабеля (их может быть несколько). Они высокочувствительны, не имеют нижних пределов по частоте, позволяют получить достаточно точные результаты, которые не требует математической обработки. Предназначен, в основном, для проверки в сфере тяжелой промышленности, диагностики турбинных установок, электромоторов.

В основу работы пьезоэлектрических устройств положен пьезоэффект. Пьезоэффект — это явление при котором возникает разность потенциалов на пьезокристалле при условии его механической деформации. Располагается пьезокристалл внутри чувствительного элемента.

Работает по следующему принципу:

Таким образом, чувствительный элемент предназначен для преобразования обнаруженных механических волн в электрический сигнал. Раньше их использовали только для определения ускорений, в настоящее время они позволяют измерить весь диапазон вибрационных характеристик с высоким уровнем точности.

Такие датчики вибрации, как пьезоэлектрические, достаточно распространены и доступны за счет относительного простого устройства, надежности, устойчивости к механическим воздействиям. К основным недостаткам можно отнести невозможность определения вибрационных колебаний без непосредственного контакта с предметом исследования. Кроме того, механические способ передачи не позволяет уловить весь спектр воспринимаемых частот.

Радиоволновые приборы относятся к типу бесконтактных, предоставляют возможность измерения различных параметров. Используются в любых условиях, на различных расстояниях, не чувствительны к загрязнениям, повреждениям поверхности. В основе работы используется принцип зависимости исследуемых параметров от величины параметров электромагнитных систем, которые можно контролировать, например, амплитуда сигнала, число колебаний, их частота, время прохождения волны от предмета исследования до источника. Выделяют 2 группы:

Какой датчик выбрать

Прежде чем приступить к изучению параметров, необходимо учитывать:

Особенности использования

К отличительным особенностям можно отнести:

Конструкция и свойства

Основной характеристикой данного прибора является чувствительность. Она может быть разной и варьируется в диапазоне от 0.5 mB/g для миниатюрных моделей до 100 mB/g для промышленных агрегатов и свыше 500 mB/g для высокочувствительных.

К основным свойствам относятся:

Представляют собой конструкцию, состоящую из двух блоков: вибропреобразователя и электронного блока. Первый представляет собой чувствительный элемент, предназначен для улавливания вибрационного движения и преобразования данного механического сигнала в электрический. Второй компонент выполняет функцию дешифровщика полученного электрического импульса и вывода информации в доступной форме, например цифровой. Современные модели оборудован микропроцессорным блоком управления. С его помощью возможна цифровая обработка сигналов, а также использование сложные алгоритмы, с их помощью учитывается весь спектр вибрационного воздействия.