日本KYOWA共和放大器內(nèi)置壓電型加速傳感器

日本KYOWA共和放大器內(nèi)置壓電型加速傳感器

一、產(chǎn)品基礎(chǔ)定位

ASPD-A-45 屬于 KYOWA 共和 ASPD 系列一體化壓電加速度傳感產(chǎn)品，核心設(shè)計(jì)特點(diǎn)就是將前置放大電路集成在傳感器殼體內(nèi)部，區(qū)別于傳統(tǒng)分體式壓電采集方案。常規(guī)壓電傳感元件輸出的電荷信號(hào)十分微弱，很容易受線路電磁干擾影響，必須就近搭配外置電荷放大器才能傳輸至采集設(shè)備，現(xiàn)場布線空間受限、測(cè)點(diǎn)分散時(shí)整體布置難度較高。本款產(chǎn)品把電荷轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大模塊整合進(jìn)傳感器本體，壓電晶體產(chǎn)生的電荷在殼體內(nèi)部直接轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，后續(xù)可以使用普通屏蔽線纜遠(yuǎn)距離傳輸，大幅降低測(cè)試系統(tǒng)搭建的工作量。本款產(chǎn)品量程為 45G，屬于中小量程通用規(guī)格，適配工業(yè)設(shè)備日常振動(dòng)巡檢、零部件疲勞測(cè)試、貨品運(yùn)輸沖擊監(jiān)測(cè)、中小型結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)等大量常規(guī)工況。產(chǎn)品出廠階段已經(jīng)完成靈敏度校準(zhǔn)、溫漂修正、線性校驗(yàn)，單支設(shè)備即可獨(dú)立完成信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出，適配實(shí)驗(yàn)室研發(fā)、工廠產(chǎn)線運(yùn)維、第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)等不同使用場景。多支設(shè)備并行布設(shè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，單只傳感單元不需要預(yù)留放大器安裝位置，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)緊湊排布，適合空間狹小的設(shè)備內(nèi)部振動(dòng)采集工作。

二、壓電傳感核心工作原理

產(chǎn)品內(nèi)部核心感應(yīng)元件采用壓電陶瓷材料，依托正壓電效應(yīng)完成力學(xué)量向電量的轉(zhuǎn)換。被測(cè)物體產(chǎn)生振動(dòng)或者受到?jīng)_擊時(shí)，加速度傳遞至傳感器內(nèi)部壓電晶體，晶體隨慣性力產(chǎn)生形變，材料內(nèi)部就會(huì)生成對(duì)應(yīng)比例的電荷，外力消失后電荷也同步消散。壓電晶體輸出電荷量大小和所承受加速度數(shù)值呈正向線性關(guān)系，這也是加速度測(cè)算的基礎(chǔ)依據(jù)。傳統(tǒng)壓電傳感器需要外接電荷放大器，電荷信號(hào)經(jīng)由線纜傳輸過程中，線纜自身電容、外界電磁干擾都會(huì)造成信號(hào)損耗與畸變，對(duì)布線工藝要求嚴(yán)苛。ASPD-A-45 在腔體內(nèi)部就近布設(shè)放大電路，壓電晶體生成電荷之后，立刻送入內(nèi)置的電荷轉(zhuǎn)換模塊，先把電荷信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，再執(zhí)行濾波、阻抗提升處理。經(jīng)過處理后的高阻抗信號(hào)轉(zhuǎn)為低阻抗電壓信號(hào)，對(duì)外傳輸時(shí)受線纜電容變化的影響很小，即便布線距離較長，依舊可以保留原始振動(dòng)信號(hào)的特征。原廠針對(duì)壓電元件溫度漂移特性做了配套電路補(bǔ)償，降低環(huán)境溫度波動(dòng)帶來的輸出偏差。壓電元件固有高頻響應(yīng)優(yōu)勢(shì)得到保留，設(shè)備可以捕捉高頻微小振動(dòng)以及短促?zèng)_擊波形，適配寬頻段的振動(dòng)采集需求；內(nèi)置電路也限定低頻下限，規(guī)避極低頻環(huán)境擾動(dòng)造成的數(shù)據(jù)異常，讓輸出波形更貼合工業(yè)測(cè)試的實(shí)際需求。

三、內(nèi)置放大電路技術(shù)特點(diǎn)

內(nèi)置放大單元選用低噪聲運(yùn)算器件，電路整體功耗控制合理，長時(shí)間連續(xù)工作溫升幅度較低，不會(huì)因?yàn)殡娐钒l(fā)熱影響壓電元件工作狀態(tài)。電路內(nèi)部劃分電荷轉(zhuǎn)換、增益調(diào)節(jié)、降噪濾波三個(gè)功能區(qū)塊，壓電晶體輸出的微弱電荷首先送入電荷轉(zhuǎn)換電路，完成阻抗變換；之后進(jìn)入固定增益放大環(huán)節(jié)，把小幅電壓提升至適配采集設(shè)備讀取的區(qū)間；最后經(jīng)過 RC 濾波模塊濾除超出測(cè)量頻段的高頻雜波，降低工業(yè)現(xiàn)場射頻干擾對(duì)采集結(jié)果的影響。增益參數(shù)在出廠階段完成固化調(diào)校，使用者不需要手動(dòng)調(diào)整放大倍率，參照產(chǎn)品標(biāo)注的靈敏度參數(shù)，直接換算加速度數(shù)值即可。電路內(nèi)部增設(shè)過載防護(hù)結(jié)構(gòu)，瞬時(shí)沖擊超出量程上限，可限制輸出電壓峰值，降低后端采集設(shè)備被高壓脈沖沖擊損壞的概率；沖擊回落之后電路可以快速恢復(fù)正常工作狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間信號(hào)鎖死的情況。電路和壓電元件之間采用短距離線路連接，縮短電荷傳輸路徑，從源頭減少微弱電荷受外界干擾的概率。電路板通過灌封結(jié)構(gòu)固定在殼體內(nèi)部，可以抵御振動(dòng)帶來的焊點(diǎn)松動(dòng)、元件移位問題，適配長期處于振動(dòng)環(huán)境下的在線監(jiān)測(cè)工況。

四、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝特性

設(shè)備外殼采用高強(qiáng)度鋁合金一體切削成型，整體重量偏低，安裝在小型試件表面時(shí)，不會(huì)明顯改變被測(cè)構(gòu)件原本的質(zhì)量分布與固有頻率，采集得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)可以還原構(gòu)件真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。殼體側(cè)壁預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋孔，支持螺栓緊固、粘接兩種主流安裝方式，平整硬質(zhì)基面優(yōu)先選用螺栓固定，長期測(cè)試穩(wěn)定性更強(qiáng)；薄壁、異形試件可以使用專用粘接劑固定，適配更多受限測(cè)點(diǎn)。殼體內(nèi)部設(shè)置多層隔離腔體，壓電感應(yīng)組件、放大電路分開放置，中間加裝緩沖隔震墊層，外部傳來的高頻殼體振動(dòng)不會(huì)直接影響電路板元器件，降低內(nèi)部電路自振引發(fā)的信號(hào)噪聲。線纜引出位置配備耐彎折防水接頭，線纜根部增設(shè)應(yīng)力消除結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場布線拉扯、小幅彎折不會(huì)直接造成內(nèi)部接線斷裂，適配需要頻繁挪動(dòng)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)場景。殼體接縫位置配有密封膠圈，可以阻擋車間浮塵、少量潤滑油飛濺進(jìn)入腔體內(nèi)部，減緩內(nèi)部元件老化速度，延長設(shè)備服役周期。設(shè)備外形緊湊，可置入風(fēng)機(jī)殼體、泵體內(nèi)腔、工裝縫隙這類狹窄區(qū)域完成測(cè)點(diǎn)布設(shè)，解決大體積傳感設(shè)備無法安置的采集難題。

五、溫濕度與復(fù)雜工況適配能力

原廠針對(duì)常用工作溫度區(qū)間完成多點(diǎn)標(biāo)定，通過內(nèi)置電路補(bǔ)償零點(diǎn)、靈敏度隨溫度產(chǎn)生的變化。當(dāng)現(xiàn)場環(huán)境溫度平緩升降時(shí)，設(shè)備輸出的波動(dòng)范圍可以控制在允許區(qū)間內(nèi)，日常試驗(yàn)室、普通廠房環(huán)境中使用，不需要頻繁開展現(xiàn)場校準(zhǔn)。如果需要在溫差跨度較大的工況開展測(cè)試，可以提前將設(shè)備放置在目標(biāo)環(huán)境靜置一段時(shí)間，讓元件溫度和環(huán)境達(dá)成一致后再安裝采集，進(jìn)一步縮減溫度帶來的測(cè)量誤差。設(shè)備可適應(yīng)常規(guī)工業(yè)濕度環(huán)境，環(huán)境濕度低于 85% 無凝露時(shí)可以穩(wěn)定運(yùn)行；若現(xiàn)場存在持續(xù)水汽噴淋、腐蝕性霧氣，需要加裝簡易防護(hù)罩隔絕介質(zhì)，避免水汽順著線纜接頭滲入殼體內(nèi)部。外殼表層做陽極氧化防銹處理，存放、使用過程中不易出現(xiàn)銹蝕問題，閑置較長時(shí)間再次啟用后，性能衰減幅度較低。需要注意該型號(hào)不支持長期浸泡使用，涉及液體浸沒的工況需要選用專用防水型傳感產(chǎn)品。

六、信號(hào)傳輸與采集系統(tǒng)適配

設(shè)備輸出標(biāo)準(zhǔn)化電壓信號(hào)，可以直接接入數(shù)據(jù)記錄儀、動(dòng)態(tài)采集卡、振動(dòng)監(jiān)測(cè)終端等常見設(shè)備，無需額外購置電荷放大器，能夠縮減整套測(cè)試系統(tǒng)的采購成本。傳輸環(huán)節(jié)選用常規(guī)屏蔽線纜即可，布線時(shí)遠(yuǎn)離變頻器、大功率電機(jī)等強(qiáng)電磁源，屏蔽層采用單端接地的方式，就可以獲得質(zhì)量較好的采集波形。長線傳輸場景下，內(nèi)置電路輸出的低阻抗信號(hào)抗衰減能力優(yōu)于原始電荷信號(hào)，幾十米長度的布線依舊可以保障信號(hào)完整性，適合測(cè)點(diǎn)分散的整機(jī)振動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目。多臺(tái) ASPD-A-45 同步采集時(shí)，同批次產(chǎn)品靈敏度離散度小，各個(gè)通道的數(shù)據(jù)可比性強(qiáng)，便于開展多點(diǎn)位振動(dòng)幅值、相位對(duì)比分析。針對(duì)不同采樣速率的采集設(shè)備，這款傳感器自身頻率覆蓋范圍可以匹配絕大多數(shù)工業(yè)測(cè)試需求，不會(huì)成為整套系統(tǒng)采樣上限的約束條件。使用者原有電壓輸入型采集設(shè)備，不需要改造硬件結(jié)構(gòu)，就可以接入本款傳感器完成測(cè)試，設(shè)備換代適配成本較低。

七、主流應(yīng)用場景介紹

第一類應(yīng)用場景是工業(yè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備日常運(yùn)維監(jiān)測(cè)，包含風(fēng)機(jī)、水泵、電機(jī)、減速機(jī)這類工廠通用設(shè)備。將傳感器固定在設(shè)備軸承座位置，持續(xù)采集運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)，工作人員依據(jù)振動(dòng)幅值變化判斷軸承磨損、轉(zhuǎn)子失衡、基座松動(dòng)等故障，提前安排設(shè)備維保工作，規(guī)避突發(fā)停機(jī)造成的生產(chǎn)損失。45G 量程可以覆蓋常規(guī)設(shè)備穩(wěn)態(tài)振動(dòng)、啟停瞬時(shí)沖擊的測(cè)量需求，適配工廠長期在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。第二類應(yīng)用場景是零部件耐久試驗(yàn)，汽車零配件、工程機(jī)械小構(gòu)件、家電結(jié)構(gòu)件開展疲勞測(cè)試時(shí)，依靠本傳感器采集往復(fù)受力過程中的加速度參數(shù)，推算構(gòu)件承受的載荷水平，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否達(dá)到使用要求。內(nèi)置放大的結(jié)構(gòu)可以簡化試驗(yàn)臺(tái)布線，讓試驗(yàn)臺(tái)布局更加整潔，降低線路故障概率。第三類應(yīng)用場景是貨物運(yùn)輸沖擊檢測(cè)，把傳感器固定在包裝內(nèi)部產(chǎn)品表面，記錄物流運(yùn)輸過程中顛簸、跌落產(chǎn)生的沖擊數(shù)值，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化緩沖包裝結(jié)構(gòu)，降低貨品運(yùn)輸環(huán)節(jié)損壞概率。一體化的結(jié)構(gòu)不需要攜帶外置放大器，現(xiàn)場布設(shè)、回收操作都較為便捷。第四類應(yīng)用場景是建筑、路橋小型構(gòu)件模態(tài)試驗(yàn)，在試樣表面布設(shè)多支傳感器，獲取激勵(lì)作用下各點(diǎn)位振動(dòng)響應(yīng)，整理得到構(gòu)件固有頻率、阻尼等參數(shù)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供實(shí)測(cè)支撐。除此之外，小型特種設(shè)備振動(dòng)排查、工裝沖擊驗(yàn)證等小眾測(cè)試工作，同樣可以選用該型號(hào)完成數(shù)據(jù)采集。

八、安裝實(shí)操注意事項(xiàng)

正式安裝前先查看外殼有沒有磕碰凹陷、線纜外皮有無開裂破損，外觀狀態(tài)正常再開展裝配作業(yè)。選用螺栓固定時(shí)，清理安裝基面的銹跡、碎屑，保證傳感器底面和被測(cè)面貼合，均勻施加鎖緊力，單邊過度鎖緊會(huì)造成殼體形變，內(nèi)部元件受力偏移，引入額外測(cè)量誤差；采用粘接安裝時(shí)，選用適配工業(yè)振動(dòng)場景的粘接劑，保證粘接層厚度均勻，等待膠體固化之后再開展測(cè)試。布線階段預(yù)留少量線纜余量，設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生小幅位移時(shí)不會(huì)拉扯內(nèi)部接線；線纜盡量避開高溫部件、往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，減緩線纜老化磨損。設(shè)備安裝完成后先空載通電，確認(rèn)輸出基線平穩(wěn)，再啟動(dòng)測(cè)試工況。如果基線偏移幅度偏大，可以調(diào)整采集端零點(diǎn)參數(shù)，完成基準(zhǔn)校正之后再正式采集數(shù)據(jù)。測(cè)試過程中不要敲擊傳感器殼體，避免瞬時(shí)超量程沖擊損傷內(nèi)部壓電晶體。

九、日常維護(hù)與周期校驗(yàn)規(guī)范

單次測(cè)試結(jié)束后，使用干燥無塵軟布擦拭殼體表面污漬，不要使用強(qiáng)腐蝕性溶劑沖刷接頭位置，防止溶劑滲入密封結(jié)構(gòu)。定期檢查線纜外皮、接頭是否出現(xiàn)硬化開裂，發(fā)現(xiàn)損傷及時(shí)更換適配線纜，避免信號(hào)傳輸異常。收納時(shí)放置在干燥陰涼區(qū)域，上方不要堆放重物擠壓殼體。常規(guī)試驗(yàn)室環(huán)境使用時(shí)，每半年做一次精度比對(duì)校驗(yàn)；高振動(dòng)、粉塵較多的工業(yè)現(xiàn)場在線監(jiān)測(cè)場景，校驗(yàn)周期調(diào)整為三個(gè)月。校驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)標(biāo)定設(shè)備，核對(duì)靈敏度、線性區(qū)間、頻率響應(yīng)等關(guān)鍵參數(shù)；如果參數(shù)偏離允許范圍，需要送至原廠檢修調(diào)校，使用者不要自行拆開殼體調(diào)整內(nèi)部電路、壓電元件位置，私自拆解會(huì)破壞出廠標(biāo)定參數(shù)，導(dǎo)致設(shè)備無法正常使用。

十、選型搭配相關(guān)說明

選型階段需要先梳理工況最大加速度數(shù)值，預(yù)留合理余量后確定量程，本款 45G 適合常規(guī)振動(dòng)、中等強(qiáng)度沖擊場景；若需要測(cè)量高強(qiáng)度沖擊，可以選用該系列更大量程型號(hào)。后端采集設(shè)備優(yōu)先選用電壓輸入型采集模塊，直接匹配傳感器輸出規(guī)格；如果現(xiàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜，可以選用屏蔽性能更好的線纜，或是調(diào)整走線路徑，降低外界干擾。開展多通道同步測(cè)試時(shí)，優(yōu)先選用同一批次產(chǎn)品，各支傳感單元參數(shù)一致性更好，后續(xù)數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ入y度更低。如果測(cè)試需要極低頻率的振動(dòng)采集，可更換適配低頻特性的傳感型號(hào)；高頻振動(dòng)測(cè)試場景下，ASPD-A-45 自身頻率范圍可以覆蓋多數(shù)需求，搭配合理布線即可獲得優(yōu)質(zhì)采集數(shù)據(jù)。