Krótki ruch potrafi zdradzić wielką historię. Drgania mówią o stanie maszyny, wytrzymałości konstrukcji i komforcie użytkownika. Coraz więcej zespołów inżynierskich szuka sposobu, by mierzyć je szybko i rzetelnie. Jednym z najczęstszych wyborów jest akcelerometr piezoelektryczny.
Spis treści
Czym jest akcelerometr piezoelektryczny i jak działa?
To czujnik, który zamienia przyspieszenie drgań na sygnał elektryczny dzięki zjawisku piezoelektrycznemu.
Wewnątrz znajduje się element piezoelektryczny i masa sejsmiczna. Gdy badany obiekt drga, masa ściska lub rozciąga kryształ. Wytwarza się ładunek elektryczny proporcjonalny do przyspieszenia.
Sygnał może mieć postać ładunku (czujnik ładunkowy) albo napięcia, gdy wbudowano elektronikę kondycjonującą zgodną z zasilaniem prądowym IEPE. Takie czujniki dobrze znoszą wysokie temperatury i duże przeciążenia. Są czułe w szerokim paśmie częstotliwości, jednak nie mierzą składowej stałej przyspieszenia, więc nie służą do oceny wyłącznie stałego obciążenia grawitacyjnego.
Jakie parametry techniczne trzeba znać przed pomiarem?
Kluczowe są czułość, pasmo, zakres przyspieszeń, szum, temperatura pracy i masa czujnika.
W praktyce znaczenie mają także szczegóły wykonania i okablowania. Przydatna lista:
Czułość, zwykle w mV/g lub pC/g. Decyduje o rozdzielczości i odporności na przesterowanie.
Zakres częstotliwości roboczych. Dolna i górna granica, w której charakterystyka jest płaska w zadanej tolerancji.
Częstotliwość rezonansowa. Im wyższa, tym łagodniejszy wpływ montażu na pasmo i niższe ryzyko artefaktów.
Zakres przyspieszeń i limit udaru. Określa odporność na przeciążenia i uderzenia.
Gęstość szumu i floor szumowy. Wyznaczają minimalny mierzalny poziom drgań.
Zakres temperatur i dryft. Stabilność w niskich i wysokich temperaturach oraz przy zmianach termicznych.
Czułość poprzeczna. Wpływ drgań spoza osi pomiaru na wynik.
Masa i gabaryty. Interakcja z badaną strukturą i możliwość montażu.
Typ obudowy i uszczelnienie, w tym klasa ochrony. Praca w kurzu, wilgoci lub pod wpływem olejów.
Typ złącza i kabla, ekranowanie, izolacja od masy. Odporność na zakłócenia i mikrofonowanie kabla.
Dołączany certyfikat kalibracji powinien wskazywać ślad do wzorca oraz wartość niepewności pomiaru i pochodzić z laboratorium akredytowanego (np. zgodnego z ISO/IEC 17025).
W jakich branżach i urządzeniach wykorzystuje się takie czujniki?
Stosuje się je w testach laboratoryjnych i w przemyśle do diagnostyki drgań i rozwoju produktów.
Przykładowe obszary:
Utrzymanie ruchu i diagnostyka maszyn wirnikowych.
Motoryzacja i mobilność. Badania komfortu, hałasu i drgań, testy komponentów.
Lotnictwo i kosmonautyka. Testy wytrzymałości, wstrząsów i środowiska wibracyjnego.
Energetyka, w tym wiatrowa. Monitorowanie turbin i generatorów.
Kolej i infrastruktura. Ocena wpływu drgań na tabor i obiekty.
Budownictwo i geotechnika. Monitoring drgań na placach budów i w sąsiedztwie obiektów.
Elektronika użytkowa i sprzęt AGD. Testy wstrząsów transportowych i trwałości.
Medycyna i biomechanika. Pomiary drgań narzędzi i urządzeń.
Jak montaż i kierunek pomiaru wpływają na wyniki?
Montaż i orientacja czujnika mają bezpośredni wpływ na pasmo, czułość i błędy pomiaru.
Najsztywniejsze połączenie zapewnia gwintowany trzpień i gładka, czysta powierzchnia. Klej obniża górną granicę pasma, ale bywa konieczny przy cienkich ściankach. Podstawa magnetyczna ułatwia szybkie pomiary, lecz dodaje masę i wprowadza dodatkową drogę przenoszenia drgań. Nierówna powierzchnia i zbyt mały moment dokręcenia pogarszają powtarzalność. Kierunek osi czujnika musi odpowiadać oczekiwanej składowej drgań. Drgania spoza osi wnoszą błąd zależny od czułości poprzecznej. Przebieg kabla potrafi generować sygnał przy tarciu lub uderzeniach, dlatego stabilne umocowanie przewodu zmniejsza mikrofonowanie. Naprężenia podstawy i różnice temperatur mogą wprowadzać składowe niskoczęstotliwościowe niezwiązane z drganiami.
Jak dobrać akcelerometr piezoelektryczny do konkretnego zadania?
Najpierw trzeba znać pasmo drgań, spodziewane poziomy przyspieszeń i warunki środowiskowe.
Jeśli kluczowe są niskie poziomy drgań, przydatna będzie wyższa czułość i niski szum. Gdy dominuje szerokie pasmo i duże udary, liczy się wysoki limit przyspieszeń i duża częstotliwość rezonansowa. Temperatura i obecność cieczy wymuszą dobraną obudowę i uszczelnienie. W ciasnych miejscach ważna jest mała masa czujnika, aby nie wpływać na badany układ. Pomiary w trzech kierunkach ułatwia czujnik trójosiowy, który skraca czas montażu i zwiększa spójność danych. W aplikacjach ciągłych w terenie liczy się prosty tor IEPE i odporne okablowanie. W laboratorium przydatne bywa rozwiązanie ładunkowe z zewnętrznym wzmacniaczem, które zwiększa elastyczność w wymagających pasmach. Kompletny ekosystem, obejmujący czujniki, wzbudniki, kalibratory, platformy akwizycji i oprogramowanie, upraszcza konfigurację i analizę.
Jak wygląda ścieżka sygnału od czujnika do analizy danych?
Sygnał biegnie od czujnika przez kondycjonowanie i akwizycję do oprogramowania analitycznego.
W torze IEPE czujnik wymaga zasilania prądowego i ma napięcie spoczynkowe, na którym nadbudowany jest sygnał zmienny. W torze ładunkowym wyjście to ładunek, który przetwarza się na napięcie w zewnętrznym wzmacniaczu. Dalej sygnał trafia do przetwornika analogowo-cyfrowego z filtrami antyaliasingowymi. Częstotliwość próbkowania powinna być wyższa niż dwukrotność najwyższej mierzonej częstotliwości. Oprogramowanie umożliwia analizę w czasie i w częstotliwości. W praktyce używa się między innymi widm FFT, gęstości mocy, obwiedni, wskaźników RMS, wartości szczytowych oraz funkcji do identyfikacji modalnej. Dane kalibracyjne czujnika służą do przeliczenia napięcia na przyspieszenie.
Jakie są ograniczenia i typowe źródła błędów?
Piezoelektryczny akcelerometr nie mierzy składowej stałej i jest wrażliwy na warunki montażu oraz środowisko.
Typowe problemy:
Zbyt niska częstotliwość próbkowania i aliasing, które zniekształcają widmo.
Przesterowanie toru, objawiające się spłaszczaniem szczytów i błędnym RMS.
Mikrofonowanie kabla i luźny montaż, wprowadzające sygnał niezwiązany z drganiami.
Naprężenia podstawy i gradienty temperatury, dające dryft niskoczęstotliwościowy.
Zakłócenia elektromagnetyczne przy słabym ekranowaniu i pętle masy.
Praca blisko rezonansu własnego czujnika, co sztucznie zawyża amplitudy.
Błąd orientacji i czułość poprzeczna, które mieszają kierunki drgań.
Brak aktualnej kalibracji, który zwiększa niepewność wyniku.
Jak zacząć testować i kalibrować akcelerometr w praktyce?
Najlepiej rozpocząć od krótkiej weryfikacji toru i prostych testów wzorcowych.
Pomocna sekwencja działania:
Sprawdzenie zgodności elektrycznej. W torze IEPE weryfikacja prądu zasilania i napięcia spoczynkowego.
Kontrola integralności kabel i złącza. Oględziny, pomiar ciągłości, ocena ekranowania.
Test funkcjonalny na kalibratorze drgań o znanej amplitudzie i częstotliwości. Porównanie odczytu z wartością wzorcową.
Próba na wzbudniku z akcelerometrem odniesienia w konfiguracji back-to-back. Wyznaczenie czułości w szerszym paśmie.
Sprawdzenie wpływu montażu. Porównanie wyników dla kleju, podstawy magnetycznej i śruby na przygotowanej powierzchni.
Walidacja w docelowym środowisku. Krótki zapis i analiza widma, ocena szumu własnego i zakłóceń.
Dokumentacja i zapis certyfikatu kalibracji wraz z niepewnością. Aktualizacja współczynników w oprogramowaniu analitycznym.
Dobrze zaplanowany dobór czujnika i toru pomiarowego oszczędza czas oraz zmniejsza ryzyko błędów. Spójny ekosystem sprzętu i oprogramowania, wsparcie merytoryczne oraz regularna kalibracja przekładają się na wiarygodne wnioski i szybsze decyzje w 2025 roku.
Skontaktuj się, aby dobrać akcelerometr i kompletny tor pomiarowy!
Do czego służy akcelerometr piezoelektryczny?
Krótki ruch potrafi zdradzić wielką historię. Drgania mówią o stanie maszyny, wytrzymałości konstrukcji i komforcie użytkownika. Coraz więcej zespołów inżynierskich szuka sposobu, by mierzyć je szybko i rzetelnie. Jednym z najczęstszych wyborów jest akcelerometr piezoelektryczny.
Spis treści
Czym jest akcelerometr piezoelektryczny i jak działa?
To czujnik, który zamienia przyspieszenie drgań na sygnał elektryczny dzięki zjawisku piezoelektrycznemu.
Wewnątrz znajduje się element piezoelektryczny i masa sejsmiczna. Gdy badany obiekt drga, masa ściska lub rozciąga kryształ. Wytwarza się ładunek elektryczny proporcjonalny do przyspieszenia.
Sygnał może mieć postać ładunku (czujnik ładunkowy) albo napięcia, gdy wbudowano elektronikę kondycjonującą zgodną z zasilaniem prądowym IEPE. Takie czujniki dobrze znoszą wysokie temperatury i duże przeciążenia. Są czułe w szerokim paśmie częstotliwości, jednak nie mierzą składowej stałej przyspieszenia, więc nie służą do oceny wyłącznie stałego obciążenia grawitacyjnego.
Jakie parametry techniczne trzeba znać przed pomiarem?
Kluczowe są czułość, pasmo, zakres przyspieszeń, szum, temperatura pracy i masa czujnika.
W praktyce znaczenie mają także szczegóły wykonania i okablowania. Przydatna lista:
W jakich branżach i urządzeniach wykorzystuje się takie czujniki?
Stosuje się je w testach laboratoryjnych i w przemyśle do diagnostyki drgań i rozwoju produktów.
Przykładowe obszary:
Jak montaż i kierunek pomiaru wpływają na wyniki?
Montaż i orientacja czujnika mają bezpośredni wpływ na pasmo, czułość i błędy pomiaru.
Najsztywniejsze połączenie zapewnia gwintowany trzpień i gładka, czysta powierzchnia. Klej obniża górną granicę pasma, ale bywa konieczny przy cienkich ściankach. Podstawa magnetyczna ułatwia szybkie pomiary, lecz dodaje masę i wprowadza dodatkową drogę przenoszenia drgań. Nierówna powierzchnia i zbyt mały moment dokręcenia pogarszają powtarzalność. Kierunek osi czujnika musi odpowiadać oczekiwanej składowej drgań. Drgania spoza osi wnoszą błąd zależny od czułości poprzecznej. Przebieg kabla potrafi generować sygnał przy tarciu lub uderzeniach, dlatego stabilne umocowanie przewodu zmniejsza mikrofonowanie. Naprężenia podstawy i różnice temperatur mogą wprowadzać składowe niskoczęstotliwościowe niezwiązane z drganiami.
Jak dobrać akcelerometr piezoelektryczny do konkretnego zadania?
Najpierw trzeba znać pasmo drgań, spodziewane poziomy przyspieszeń i warunki środowiskowe.
Jeśli kluczowe są niskie poziomy drgań, przydatna będzie wyższa czułość i niski szum. Gdy dominuje szerokie pasmo i duże udary, liczy się wysoki limit przyspieszeń i duża częstotliwość rezonansowa. Temperatura i obecność cieczy wymuszą dobraną obudowę i uszczelnienie. W ciasnych miejscach ważna jest mała masa czujnika, aby nie wpływać na badany układ. Pomiary w trzech kierunkach ułatwia czujnik trójosiowy, który skraca czas montażu i zwiększa spójność danych. W aplikacjach ciągłych w terenie liczy się prosty tor IEPE i odporne okablowanie. W laboratorium przydatne bywa rozwiązanie ładunkowe z zewnętrznym wzmacniaczem, które zwiększa elastyczność w wymagających pasmach. Kompletny ekosystem, obejmujący czujniki, wzbudniki, kalibratory, platformy akwizycji i oprogramowanie, upraszcza konfigurację i analizę.
Jak wygląda ścieżka sygnału od czujnika do analizy danych?
Sygnał biegnie od czujnika przez kondycjonowanie i akwizycję do oprogramowania analitycznego.
W torze IEPE czujnik wymaga zasilania prądowego i ma napięcie spoczynkowe, na którym nadbudowany jest sygnał zmienny. W torze ładunkowym wyjście to ładunek, który przetwarza się na napięcie w zewnętrznym wzmacniaczu. Dalej sygnał trafia do przetwornika analogowo-cyfrowego z filtrami antyaliasingowymi. Częstotliwość próbkowania powinna być wyższa niż dwukrotność najwyższej mierzonej częstotliwości. Oprogramowanie umożliwia analizę w czasie i w częstotliwości. W praktyce używa się między innymi widm FFT, gęstości mocy, obwiedni, wskaźników RMS, wartości szczytowych oraz funkcji do identyfikacji modalnej. Dane kalibracyjne czujnika służą do przeliczenia napięcia na przyspieszenie.
Jakie są ograniczenia i typowe źródła błędów?
Piezoelektryczny akcelerometr nie mierzy składowej stałej i jest wrażliwy na warunki montażu oraz środowisko.
Typowe problemy:
Jak zacząć testować i kalibrować akcelerometr w praktyce?
Najlepiej rozpocząć od krótkiej weryfikacji toru i prostych testów wzorcowych.
Pomocna sekwencja działania:
Dobrze zaplanowany dobór czujnika i toru pomiarowego oszczędza czas oraz zmniejsza ryzyko błędów. Spójny ekosystem sprzętu i oprogramowania, wsparcie merytoryczne oraz regularna kalibracja przekładają się na wiarygodne wnioski i szybsze decyzje w 2025 roku.
Skontaktuj się, aby dobrać akcelerometr i kompletny tor pomiarowy!