1630-04C 1203-12A/084A100傳感器行業(yè)運用 PCB加速度傳感器

隨著工廠的預(yù)測性維護團隊力圖更加全面掌握設(shè)備的健康狀況，高頻振動測量已成為識別電機和泵中的軸承缺陷、高速齒輪箱的輪齒不一致等故障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因而，對具有高頻響應(yīng)的振動傳感器的需求也與日俱增。

哪些因素決定了加速度傳感器的諧振頻率，從而決定了其高頻響應(yīng)呢？要尋求答案，需要先了解下物理學(xué)及彈簧-質(zhì)量諧波隔振器的有關(guān)知識。

彈簧-質(zhì)量諧波隔振器由彈簧、重物和支撐件組成。彈簧垂直懸掛在支撐件上，重物固定在彈簧的末端。將重物下拉一段距離，然后松開，重物和彈簧組成的系統(tǒng)將以平衡位置為中心，上下做正弦波振蕩，速度和距離兩方面都很平穩(wěn)。

 理論上，振蕩的幅值可以用牛頓的運動第二定律（F=ma）計算，但本文關(guān)心的主要是振蕩的速度。振蕩速度可以用Robert Hooke 于十七世紀(jì)七十年代晚期提出的胡克定律進行理論計算。按照胡克定律，固有/諧振頻率是剛度和質(zhì)量的函數(shù)，如下式所示。在上文的彈簧-質(zhì)量諧波振蕩器例子中，重物的質(zhì)量以及彈簧剛度都是預(yù)設(shè)好的，因此，系統(tǒng)的振蕩頻率也就固定了。

根據(jù)上面的公式，可以看到：諧振頻率和質(zhì)量成反比關(guān)系，和剛度成正比關(guān)系。具體到加速度傳感器，重物質(zhì)量和加速度傳感器的質(zhì)量相關(guān)，彈簧質(zhì)量和傳感器的安裝情況相關(guān)。為實現(xiàn)高頻測量，加速度傳感器的質(zhì)量應(yīng)盡可能小，安裝剛度應(yīng)盡可能大。下面的內(nèi)容對這兩個因素進行了詳細的探討。
第一個因素：傳感器安裝方式的剛度

振動傳感器有幾種常用的安裝方式，包括：螺柱安裝、粘接安裝、使用安裝墊安裝以及磁座安裝。下面將從最大頻響、設(shè)備改動/安裝永久性、能否在曲面上安裝等三個方面描述每種安裝方式的特性。

螺柱安裝
最大頻響：將加速度傳感器通過螺柱直接安裝到設(shè)備上，可提供最大的安裝剛度，從而提供最高的頻率響應(yīng)。
設(shè)備改動/安裝持久性：要把傳感器通過螺柱安裝到設(shè)備上，需要對安裝面锪孔及對導(dǎo)向孔攻絲，以配合傳感器的安裝螺紋。移去傳感器后，會留有安裝痕跡。
可否在彎曲表面上安裝：否。
粘接安裝
最大頻響：將加速度傳感器通過粘接方式安裝到設(shè)備上，可提供僅次于螺柱安裝方式的安裝剛度。和螺柱安裝方式相比，頻率響應(yīng)有輕微的下降（大約10-15%）。
設(shè)備改動/安裝持久性：借助合適的溶解劑，粘接安裝的加速度傳感器可以輕松地從設(shè)備上移除。移除后，沒有明顯的安裝痕跡。
能否在彎曲表面上安裝：否。
使用安裝墊安裝
最大頻響：安裝墊可以粘接或焊接到設(shè)備表面上，然后，通過安裝墊上的螺紋孔，將傳感器以螺柱安裝的形式安裝到安裝墊上。這種安裝方式被認為是大剛度的螺柱安裝方式和靈活的磁座安裝方式的折中之舉。和螺柱安裝相比，頻響范圍大約下降35%。
設(shè)備改動/安裝持久性：焊接的安裝墊是相對比較持久的安裝，而對于粘接安裝的安裝墊，借助合適的溶解劑，可以輕松地從設(shè)備上移去。
可否在彎曲表面上安裝：否。
磁座安裝
最大頻響：通過磁座安裝加速度傳感器是一種非常靈活的安裝方式。磁座安裝的傳感器的頻響有顯著下降，下降量可達80-85%。
設(shè)備改動/安裝持久性：不需對設(shè)備進行改動以及安裝的臨時性是磁座安裝被廣泛應(yīng)用的重要原因。磁座安裝為基于路徑的測量和數(shù)據(jù)采集提供了方便的傳感器臨時安裝方法。
可否在彎曲表面上安裝：使用雙軌磁座，可以將傳感器安裝在彎曲表面上。

第二個因素：傳感器質(zhì)量
為滿足客戶對傳感器高頻測量能力的需求，傳感器制造商一直在致力于生產(chǎn)越來越小的加速度傳感器。由于傳感器經(jīng)常用于惡劣環(huán)境，因而還對傳感器的堅固性提出了要求。因此，制造商必須兼顧傳感器的小型化和堅固性，這使得他們的工作極具挑戰(zhàn)性

多數(shù)工業(yè)界的客戶要求：

堅固的殼體
對于工業(yè)加速度傳感器，其殼體的堅固程度不是取決于單個因素，而是取決于多個因素，包括：殼體材料、殼體提供的密封等級以及殼體的電氣隔離等。針對化學(xué)物質(zhì)的侵蝕及工作溫度的范圍大等情況， 多數(shù)工業(yè)加速度傳感器的殼體采用304或316不銹鋼，并氣密封裝。殼體隔離使得加速度傳感器可以安裝在電氣接地不好的設(shè)備上，而不會影響傳感器輸出的信號。隔離方法通常是采用法拉第籠，將傳感器的電氣部分包裹起來，達到排除噪聲的目的。
堅固的接頭
傳感器的電氣接頭必須能夠經(jīng)受起在惡劣環(huán)境下重復(fù)使用的考驗。推薦使用接頭，因為它們和配套電纜都能夠用于極端環(huán)境下。

盡管存在各種挑戰(zhàn)，但傳感器制造商，比如PCB?壓電公司，已經(jīng)成功地將工業(yè)加速度傳感器的尺寸縮小到了 接近1英寸（約2.54厘米）  。PCB?最新的高頻加速度傳感器型號為 639A91，是一款三軸ICP? 加速度傳感器，尺寸僅為0.95英寸x0.95英寸（不包括側(cè)出接頭），三個軸向上的頻響均達13kHz。它的殼體采用316L不銹鋼，殼體隔離，接頭為堅固的4針M12接頭。
結(jié)論：
隨著預(yù)防性維護從業(yè)者力圖更加全面掌握設(shè)備的健康狀況，高頻測量的重要性日益凸顯。傳感器的尺寸和安裝方式的剛度是決定傳感器高頻測量能力的兩個主要因素

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