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压电加速度传感器工业振动测量中的应用
电荷输出与低阻电压输出传感器在工业振动测量中的应用:
工业振动测量传感器的实际应用根据测量对象和与测量系统的组合一般可分成两大类:1) 对测量对象进行实时监测即所谓在线监测 2) 定期对测量对象巡回检测。工业振动测量的周边环境相对都比较恶劣, 在线监测的传感器到数字采集系统一般都有一定的距离,因此高阻抗的电荷信号就非常容易受干扰。除现场是高温测量外, 工业振动在线监测用的传感器通常都选用带内置电路的电压输出型。而对巡回检测用传感器往往因为出于对成本的考虑大多使用电荷输出型压电加速度传感器。
一: 传感器的测量频率范围和灵敏度选择
工业振动测量传感器的灵敏度选择一般都以适中为多,50mV/g, 100mV/g 和 200 mV/g可以满足大部分工业振动测量的需要;电荷输出型的传感器灵敏度的选择大部分是在30 pC/g ~50 pC/g。然而对传感器的频率范围则必须根据不同的测量对象进行选择。需要指出的是传感器的安装形式和质量好坏以及不同的电缆配备都会直接影响到传感器的高频使用。比如在频率响应较高的传感器上加配吸铁座,这样传感器的高频使用范围将直接受到吸铁座制约;螺钉安装平面不能达到的平度要求也会降低其实际使用的高频截止频率;传感器的输出接头不同形式或电缆重量的增加也可能直接影响传感器的高频响应。这些影响频响的因素虽不能从传感器的技术指标上完全反映,但都 是工业振动测量传感器使用中常见的问题。如果客户对实际应用有疑问,可直接与生产厂商咨询。
二:工业环境: 环境噪声对信号的干扰,温度,湿度和腐蚀对传感器的影响
环境噪声对测量信号的影响在工业振动测量传感器选用中是一个重要而又容易忽视的问题。 由于振动信号的大小和频率范围等综合因素, 通用工业用传感器的灵敏度一般都在50mV/g到200mV/g之间。对噪声判断的重点应考虑如何确定工业现场的环境噪声以及如何防止外界噪声对测量信号的影响;这要比传感器自身的电噪声更为重要。最大限度地降低环境噪声对测量传感器的影响是工业振动传感器选择和使用中必须考虑的问题。
首先是对地回路这主要是由于传感器和测量系统中的其他仪器多点接地引起的接地回路,解决这个问题的一般方法是在传感器的信号地(传感器的外壳)和被测物体间采用绝缘安装座。使传感器浮地这样便可避免接地回路的形成。
其次在传感器安装周围有较强的电磁场(大电机或高电压电器),这将直接影响传感器输出信号。在这种情况下传感器应选用双层屏蔽壳设计,双层壳屏蔽形式可以将外界电磁场对传感器的干扰减少到最小。当然传感器也因为重量增加以及引入额外的机械耦合,使传感器的高频响应将会受到一定的影响。
高温环境下的振动测量对压电型加速度传感器一直是一个挑战。对带内置式电路的传感器其指标一般多为125ºC,衡量内置电路型传感器在高温下是否能正常工作的关键是传感器的偏置电压稳定与否。如果传感器的偏置电压不稳定,这将直接影响测量信号。                                                                                                                         三:湿度和各种腐蚀对压电传感器的影响
压电加速度传感器为保证敏感芯体高绝缘一般均采用全密封形式,因此绝大多数工业振动测量传感器都能满足在一般工业现场的湿度条件长期使用。如对传感器的工作环境湿度有特殊要求,客户应与制造厂家联系。
不锈钢材料通常被用于压电加速度传感器的壳体,因此传感器的耐腐蚀能力能适合大部分工业现场测试的条件。然而对电缆外包装材料则由于存在各种不同选择,客户应根据不同的实际工业现场条件选择与其相适应电缆。
四:传感器的信号输出接头形式和电缆的选择
接头选择是否恰当能直接影响到测量信号,特别是对双层壳屏蔽的传感器。双芯外加屏蔽的电缆与传感器联体的形式很为普遍,但安装不如可拆卸电缆接头方便。双芯可拆卸的传感器接头成本较高,且其可靠性不如联体电缆。对单层壳的传感器M6和TNC都是经常选用的接头。
由于工业测量现场环境条件复杂多变,因此在电缆选择时首先要确保信号的质量,将外部噪声对信号的干扰降低到最小;其次是考虑电缆的寿命和使用方便程度。双重屏蔽电缆对电荷输出的传感器是必需的。 但对低阻抗电压型传感器而言,带屏蔽的双绞线电缆一般都能满足工业现场的要求。而普通的同轴屏蔽电缆则按不同的环境条件来确定是否合适。需要指出的是,如果传感器选用双层屏蔽壳设计形式,其对应的电缆则必然是屏蔽的双绞线电缆或双重屏蔽电缆。
电缆外绝缘层的材料选择将直接影响现场条件下电缆的寿命。电缆外绝缘材料和直径尺寸则根据具体测量现场条件(温度,接触介质和机械特性)选定,最经常使用的材料为PVC和四氟。PVC 为最经常使用的电缆外绝缘材料,但PVC在耐油方面和高温环境下使用都不如聚四氟乙烯材料;聚四氟乙烯材料虽在温度和防腐蚀优于其它绝缘材料,但其成本较高。在环境特别恶劣的场合,金属铠甲也常被采用以保护电缆,防止意外损伤。必须认识到由于金属铠甲自身重量较重,作为传感器的附加质量将会导致传感器高频响应发生变化 (高频截止降低) 以至测量误差增加,所以在选用时应谨慎。
五: 传感器的安装形式
工业测量传感器的安装一般采用以下3 种方法,巡回检测常用吸铁安装座或手持测量,而在线监测则采用螺钉安装。吸铁安装座因使用方便而在巡回检测应用中非常普遍,这种安装方式一般适合中低频率的测量。另外因吸铁撞击的作用,传感器与被测物体之间的冲击可达数千g,这对带内置电路型的加速度传感器可能造成偏置电压的飘移,使测量数据直接受到影响。对手持传感器振动测量,由于方向上的不稳定性和很低的频率响应范围,这种形式仅用于低频振动的定性或对比数据的测量。在螺钉安装形式中,带有中心通孔的传感器具有360度可旋转的特点,方便于侧向电缆输出传感器的安装。由于压电式传感器是通过与被测对象直接接触来获取信号,而工业设备本身都有一定的电位差,所以工业振动测量传感器一般要求安装底座对地绝缘或采用双层壳屏蔽。

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