1 Конструкция и свойства

Разработка систем безопасности умного здания на основе датчика звука и датчика вибрации. Подключение датчика вибрации к Arduino.
1 Конструкция и свойства
2 Классификация
3 Применение в транспортной сфере
4 Какой датчик выбрать
5 Особенности использования
6 Видео по теме
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.

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:

Высокий показатель ударной стойкости
Высокий показатель собственной частоты
Низкие показатели уровня собственного шума.
Конструкция

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.

Классификация

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

По принципу работы. Генераторные — осуществляют прямое преобразование механической энергии в электрическую. Параметрические — имеют внешние источники питания, позволяют изменять сопротивление, частоту и другие электрические параметры за счет механического воздействия.

По способу получения информации. Контактные — непосредственно крепятся к объекту исследования. Бесконтактные — измерения проводятся параметрбез предварительного крепежа, на определенном расстоянии.
По механизму преобразователя сигнала выделяют три типа: оптические, пьезоэлектрические, трибоэлектрические, вихретоковые, радиоволновые.
Оптический датчик вибрации работает на основе эффекта Доплера. Он состоит из нескольких элементов:

Оптический датчик вибрации

Источник излучения, чаще всего лазерного
Приемник (оптическая схема)
Электронная схема, предназначена для обработки информации.
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:

Гомодинный метод. Предоставляет возможность изучения амплитуды и фаз вибрационных колебаний, но для получения достоверных результатов значения амплитуд не должны быть большими.

Гетеродинный метод. Применяются при любых значениях амплитуд, но предполагают наличие достаточно сложной аппаратуры и периодической калибровки.
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.

Трибоэлектрическое устройство

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:

Вихретоковый датчик

Бесконтактный вихревой пробник — металлический зонд, с одной стороны которого располагается диэлектрический наконечник, с другой коаксиальный кабель. Конструкция зонда зависит от места монтажа.

Драйвер — специальный электронный блок, который получает сигнал от пробника и определяет параметры полученной информации. На выходе получается электрический сигнал. Чаще всего представлен в виде герметичной металлической коробки, имеющей соединитель для коаксиального кабеля, клемы питания, заземления, проводов, выходных сигналов.
Кабель, предназначен для подключения бесконтактного вихревого пробника к драйверу. Конструкция может предполагать использование кабеля разной длины. Для обеспечения надежности и прочности все составные части кабеля армируются.
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.

Пьезоэлектрические устройства

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:

При возникновении вибрационных процессов возникают колебания, которые позволяют выработать электрический сигнал

Полученный сигнал с пьезокристалла направляется в преобразователь
Преобразователь обрабатывает полученную информацию и представляет ее в удобном для анализа виде.
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:

Резонаторные. При работе данных приборов устройство, уровень вибрации которого необходимо измерить, помещается в поле СВЧ резонатора. Такой способ обеспечивает их высокую точность. Но достаточно сложная конструкция, невозможность измерений на больших расстояниях, необходимость создания колебаний, достаточно сложный механизм анализа полученных результатов не позволяют использовать их во всех сферах промышленности.

Интерференционные — предполагают зондирование волнами СВЧ и их анализ в результате отражения от объекта. В результате электромагнитного воздействия и интерференции возникает стоячая волна, которая меняет свою амплитуду под воздействием вибраций. Провести такие измерения напрямую довольно сложно, необходимы определенные навыки и калибровка при изменении любого параметра.
Интерференционный датчик

Применение в транспортной сфере
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:

Механическое повреждение. Это может быть неправильная центровка, неисправности и искривления, ослабление креплений, повреждения соединительной муфты, дефекты в сборке, дефект фундамента и опорной рамы.

Электромагнитное воздействие: неправильное соединение отдельных элементов, замыкания или обрывы в обмотках, неравномерный зазор воздуха, дисбаланс ротора, образование трещин, излишние зазоры, дефект самих подшипников.
Аэродинамические причины — в результате воздействия вентиляторов, расположенных на роторе.
Схема 1

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

Вертикальном, в наивысшей точке подшипника

Горизонтально-поперечном, на уровне оси вала (перпендикулярно)
Горизонтально-осевом, на уровне оси вала.
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.

Схема 2

Какой датчик выбрать
Прежде чем приступить к изучению параметров, необходимо учитывать:

Какой принцип будет использоваться. Кинематический — измерения осуществляются в тот момент времени, когда исследуемый объект находится в состоянии покоя. Динамический — объект должен находиться в состоянии искусственного движения. Обеспечивают абсолютные показатели.

Способ измерения. Контактный или бесконтактный. Контактные датчики имеют достаточно простую конструкцию, просты в использовании, имеют точное положение на исследуемом объекте. Но их можно устанавливать не на все приборы, поэтому сфера применения достаточно узкая. Они подвержены различного рода механическим повреждениям, перепадам температур, другим атмосферным явлениям, которые сказываются на работе, приводят к сбоям и отказам работы. Кабель может мешать вращающимся элементам объекта. При выборе необходимо учитывать массу, для того чтобы сведения были достоверными. На достоверность также негативно может повлиять слабый уровень импульсов, собственный шум и звуковые помехи, необходимость периодической калибровки. Бесконтактные устройства особенно удобны в случае использования на объектах, где прямой физический контакт неудобен или недопустим. Они менее подвержены механическим воздействиям, инерционным процессам, что влияет на качество показателей. Позволяют получить информацию на разных расстояниях, при любых атмосферных и температурных условиях, в состоянии движения или покоя, от химически агрессивных и взрывоопасных объектов, а также находящихся в труднодоступных местах. С их помощью предоставляется возможность исследования объектов любой массы, форм и размера.
Особенности использования
К отличительным особенностям можно отнести:
Принцип установки. Датчики вибрации могут быть установлены стационарно или временно.
Сфера использования. Высокие показатели надежности и прочности позволяют применять данные прибор в различных сферах, в том числе в условиях пожаро- и взрывоопасности.
Технические характеристики. Простая конструкция, понятный принцип работы, чувствительность, точность характеристик, возможность представления информации в цифровой форме.