צעדים בבחירת מד התאוצה הנכון

צעדים בבחירת מד התאוצה הנכון

במבט ראשון, עלול להיראות קטלוג יצרן של מדי תאוצה או אתר אינטרנט שכזה – דבר מפחיד. הן לטירון, ולעתים קרובות גם למשתמש מנוסה יותר. מדי תאוצה מוצעים במגוון טכנולוגיות, צורות, גדלים, טווחים וכו’.

מאמר זה יספק ציוני דרך שהמשתמש יוכל לעקוב אחריהם, באופן שיוביל אל הבחירה למד התאוצה האופטימלי עבור יישום מסוים.

בחירת טכנולוגיה

השלב הראשון בתהליך הבחירה הוא לקבוע מהו סוג המדידה שיש לבצע. ישנן שלוש טכנולוגיות שנמצאות בשימוש נרחב למדידות האצה.

מד פיאזואלקטרי (PE)

אלו הם מדי התאוצה הנפוצים ביותר ליישומי בחינה ומדידה. מכשירים אלה מציעים טווח תדר מדידה רחב מאוד (מכמה הרץ עד 30 קילוהרץ), והם זמינים במגוון רחב של רגישויות, משקולות, גדלים וצורות. צריך לקחת את מדי התאוצה האלה בחשבון הן במדידות זעזועים והן במדידות רטט. מדי תאוצה PE זמינים בפלט מטען או מתח (IEPE), שיידונו בהמשך מאמר זה.

מדי תאוצה במוליכות פייזואלקטרית (PR)

למדי תאוצה אלה ישנה בדרך כלל רגישות נמוכה – מה שהופך אותם למתאימים למדידות זעזוע. הם משמשים גם באופן נרחב בבחינות ריסוק. בגלל הרגישות הנמוכה, הם נמצאים פחות בשימוש במדידות רטט. למדי תאוצה PR יש בדרך כלל רוחב פס רחב ותגובת התדר יורדת לאפס Hz (דבר המכונה לעתים קרובות תגובת DC או מצב סטטי), כך שהם יכולים לבצע מדידות למשך זמן ארוך.

מד תאוצה קיבוליות משתנה (VC)

טכנולוגיה זו היא טכנולוגיה חדישה בכל הנוגע למדי תאוצה. כמו מדי תאוצה PR, הם בעלי תגובה DC. למדי תאוצה VC יש רגישויות גבוהות, רוחב פס צר ויציבות טמפרטורה יוצאת דופן. התקנים אלה רצויים מאוד למדידת רטט בתדירות נמוכה, ותנועת האצת במצב יציב.

סוג המדידה

בסעיף זה, נתאר את סוגי המדידה הבסיסיים; ולאחר מכן, בהמשך המאמר, יינתן פירוט נוסף. למטרת הבנה פשוטה במאמר זה, מדידות האצה יחולקו לקטגוריות הבאות:

רטט: נאמר שאובייקט רוטט – כאשר הוא מבצע תנועה מחזורית בנקודת שיווי משקל. נמצא רטט בסביבות תחבורה וחלל, או כפי שמדומה על ידי מערכת שייקר.

זעזוע: עירור חולף פתאומי של מבנה, שבדרך כלל מניע את הרזוננס של המבנה.

תנועה: לצורך מאמר זה, תנועה היא אירוע שנע באיטיות; כגון תנועה של זרוע רובוטית, או מדידת השעיה ברכב.

סייסמי: זוהי תנועה או רטט בתדר נמוך. מדידה זו דורשת בדרך כלל מד תאוצה מיוחד לצלילים גבוהים ברזולוציה נמוכה.

לאחר קביעת סוג המדידה, הקורא מוזמן ללכת ישירות אל הסעיף המתייחס למדידה הרלוונטית (במאמר זה), או להמשיך ולקרוא על סוגי המדידה השונים.

שיקולים כלליים

לפני שנסתכל לעומק על טכנולוגיות ויישומים – הנה כמה שיקולים כלליים שכדאי לקחת בחשבון.

כאשר בוחנים מדי תאוצה – תגובת התדר היא פרמטר חשוב. פרמטר זה מוגדר בדרך כלל בתוך 5% ± של נקודת הייחוס של התדירות (בדרך כלל 100 הרץ). להתקנים רבים קיימים מפרטים מורחבים ל- dB ±1 ובמקרים מסוימים ל- dB ±3. לרוב גיליונות הנתונים תהיה עקומת תגובה של תדר טיפוסי (להתייחסות) כדי לסייע למשתמש. טווח התדרים נקבע בדרך כלל על ידי מפרטי הבדיקה או כפי שנקבע על ידי המשתמש.

שיקול נוסף הוא מספר הצירים שיש למדוד. מדי תאוצה זמינים בגרסאות ציר בודד או תלת צירי (ראו איור 1). גישה נוספת לביצוע מדידה של שלושה צירים היא להרכיב שלושה מדי תאוצה על כנה עם שלושה מקומות. שתי השיטות מאפשרות מדידה של שלושה צירים אורתוגונליים בו זמנית.

רֶטֶט

מדי תאוצה פיאזואלקטריים הם הבחירה הטובה ביותר עבור רוב מדידות הרטט, מכיוון שיש להם תגובת תדר רחבה, רגישות ורזולוציות טובות והם קלים להתקנה. קיימות שתי חלוקות משנה של מדי תאוצה פיאזואלקטריים, הכוללות מד תאוצה במצב הבסיסי של מטען וסוג פיאזואלקטרי אלקטרוני עם מתח פנימי (IEPE).

IEPE – מד תאוצה פיזואלקטרי

בשנים האחרונות, מדי תאוצה מסוג IEPE הפכו לסוג הנפוץ ביותר. חיישני IEPE נמכרים תחת שמות מסחריים שונים, אך כולם עומדים בדרישות תקן מסוימות, המאפשרות החלפה בין המותגים השונים.

בעיקרון, מד תאוצה IEPE הוא מכשיר עם מגבר נטען מובנה בתוכו. הם אינם דורשים מגברי טעינה חיצוניים, וניתן להשתמש בשבילם בכבל רגיל בעלות נמוכה. מדי התאוצה האלה כן צריכים מקור כוח קבוע; כשלמערכות רכישת נתונים רבות יש מקורות חשמל מובנים בתוכן. אם המשתמש יודע את טווח הרטט ושטמפרטורת ההפעלה נמצאת בטווח שבין -55˚C (-67˚F) ל- 125˚C (257˚F) – אז יש לשקול מכשיר IEPE. שים לב שגרסאות טמפרטורות גבוהות זמינות בדגמים מסוימים בעלי טמפרטורת פעולה מקסימלית של 175˚ (350˚F).

מדי תאוצה פיאזואלקטריים במצב מטען

היתרונות של מד תאוצה פיאזואלקטרי במצב מטען כוללים פעילות בטמפרטורה גבוהה וטווח משרעת רחב ביותר.
מד תאוצה במצב טעינה טיפוסי יהיה בפעילות בטווח טמפרטורות הנע בין -55˚C ל- 288˚C ( -67˚F עד 550˚F). מדי תאוצה למטרות מיוחדות קיימים גם לסביבות מזג אוויר קיצוני; מ- -269˚C עד 760˚C (-452˚F עד 1400˚F).
מדי תאוצה קשיחים מסוג מטען – מיוחדים לקרינה – מתאימים לשימוש בסביבה גרעינית.

שלא כמו מדי תאוצה IEPE, מד התאוצה מסוג מטען מחייב שימוש בכבל רעש נמוך מיוחד. כבל הרעש הנמוך יקר בהשוואה לכבל הקואקסיאלי המסחרי הרגיל. נדרש גם מגבר למטען, או ממיר מטען קווי נכנס.

קיבוליות משתנה

במקרים שבהם נדרשות מדידות רטט בתדרים נמוכים מאוד, מד תאוצה עם קיבוליות משתנה (VC) הוא בחירה שיש לשקול. מדי תאוצה VC כוללים תגובת תדר שבין 0 הרץ ל -1 קילו-הרץ, בהתאם לרגישות הנדרשת. בעת ביצוע מדידות בתדר נמוך מאוד, מד תאוצה VC עם טווח תדרים שבין 0 הרץ עד 15 הרץ – יספק רגישות גבוהה של 1 Volt/g. מדי VC הם שימושיים בשייקרים אלקטרו-הידראוליים, מדידות רפרוף ויישומי תחבורה רבים.

הֶלֶם – זעזוע

שתי טכנולוגיות זמינות עבור מדידות הלם וזעזוע ומגוון של מדי תאוצה זמינים – בהתאם לרמות ולנתונים הסופיים הנדרשים. חשוב לדעת את רמת הזעזוע הצפוי, שכן הדבר יקבע את סוג מד התאוצה שבו כדאי להשתמש. בשורות הבאות יוצג מדריך שיסייע לקורא בבחירת מד התאוצה הנכון למדידת זעזוע.

רמה נמוכה < g 500
מבחני ריסוק < 2000 g
שדה רחוק בין g 500 ל – g 1000 – חיישן ממוקם 2 מטר מנקודת ההשפעה
שדה קרוב> g 5000 – עם חיישן הממוקם <1 מטר מנקודת ההשפעה
עבור מדידות הלם ברמה נמוכה, מד תאוצה גנרי – יעשה בדרך כלל את העבודה. מד התאוצה צריך טווח ליניארי של לפחות g 500 ושרידות הלם בדירוג של g 500. מד מסוג IEPE עדיף בדרך כלל, מכיוון שהוא פחות רגיש בכל הנוגע לייצור תוצאות שגויות של תנועת כבל. המשתמש צריך להשתמש במגבר עם מסנן נמוך כדי להקטין את תהודת מד התאוצה.

מבחני ריסוק רכב הוא תחום מיוחד של מדידות הלם. בתחום זה משתמשים בדרך כלל במדי מוליכות פיאזואלקטרית (ראו איור 3).

 

עבור מדידות שדה רחוק, מד תאוצה מיוחד במצב גזירה – עם מסנן אלקטרוני מובנה – הוא לעתים קרובות מספיק. אלה הם בדרך כלל מדי תאוצה מסוג IEPE עם חיבורי הלחמה. המסנן האלקטרוני מקטין באופן אלקטרוני את תדר התהודה של מד התאוצה, כדי למנוע עומס יתר על ציוד רכישת הנתונים.

מדידות שדה קרוב הן בדרך כלל ברמות גבוהות מאוד; לעתים קרובות עולות אפילו על g 20000. כאן הבחירה במד התאוצה תלויה בסוג הבדיקה המתבצעת. מדי תאוצה פיאזואלקטריים מיוחדים (במצב טעינה ו IEPE ) או מדי מוליכות פיאזואלקטרית עשויים להיות מתאימים. בדרך כלל IEPE עם מאפיינים דומים למד תאוצה לשדה רחוק
מתאימים גם הם, אבל עם תוספת של מסנן מכני פנימי. המסנן המכני יבטיח את שרידותו של מד התאוצה וינטרל zeroshift באופן כללי.

 

דיון מפורט על zeroshift הוא מעבר להיקף של מאמר זה. במונחים כלליים, תופעת zeroshift מופיעה כשאין חזרה בזמן לרמת האצה אפס – בעקבות אירוע ההלם. שינוי זה גורם לעיוות נתונים בעת ביצוע אינטגרציה. אם נבחר מד תאוצה במוליכות פיאזואלקטרית – אזי תופעת ה-zeroshift נדירה.

כמו במקרה של רטט, תגובת התדר היא פרמטר חשוב להלם. באופן כללי, מד תאוצה לזעזוע צריך להיות בטווח תגובת תדר רחבה (10 קילוהרץ), בהתאם למה שנבדק.

תנועה, תאוצה מתמדת ורטט בתדר נמוך

קטגוריה זו מתייחסת למדי תאוצה של קיבול משתנה (VC). טכנולוגיה זו מאפשרת מדידה של רטט ברמה נמוכה ותדר נמוך עם רמת פלט גבוהה. מדי תאוצה אלה גם מספקים רמה גבוהה של יציבות על פני טווח טמפרטורות רחב.

כאשר מד תאוצה VC ממוקם במצב שבו הציר הרגיש מקביל לכוח המשיכה של כדור הארץ, ייווצר פלט שווה ל-1 g. תופעה זו מכונה לעתים קרובות ” תגובת DC”. בגלל תכונה זו, מדי תאוצה VC שימושיים מאוד למדידת כוח צנטריפוגלי או למדידת האצה והאטה של מכשירים כגון מעליות.

בתחום בדיקות הרטט, מדי תאוצה VC משמשים ביישומים שבהם יש לחקור אירועים בתדר נמוך ושימור נתונים שלביים הוא גורם חשוב.

מדי VC מצאו את הנישה שלהם בתחום של בדיקות רפרוף במטוסים. הם גם כלים חשובים למדידת איכות הנסיעה ברכב. תכונות התדר הנמוך הופכות את מדי התאוצה VC לאידיאלים לאיכות הנהיגה במכוניות, משאיות ובציוד רכבות ומסילות. התקני VC הם מכשירי תדר נמוך, ותגובת תדרים רחבה אינה מאפיין שלהם.

סביבה

לאחר שנבחרה הטכנולוגיה ונקבע סוג הבדיקה, יש לשקול מספר גורמים נוספים. כנקודת מוצא, יש לשקול את הסביבה.

המאפיינים הסביבתיים כוללים טמפרטורה, רמות האצה מקסימליות ולחות.

טווח g שמצוין במפרט – הוא לעתים קרובות מבלבל למשתמש החדש במדי תאוצה, מכיוון שפרמטר זה מופיע פעמיים במפרטים. הטווח השימושי בפועל של מד התאוצה – נמצא במאפיין הדינמיות. לדוגמה, מד תאוצה IEPE יכול להיות ב”טווח” של 500 g ותחת המאפיינים הסביבתיים למכשיר יש מגבלת זעזועים של 1000 g ו 2000 g. בדוגמה לעיל, 500 g הוא טווח מקסימלי של פעולה ליניארית של תאוצה. הפרמטרים שצוינו בסעיף הסביבה מצביעים על מצב השרידות המקסימלית בזעזועים ועל / או על סינוס רמת האצה מרבית.

במקרה של מד האצה פיאזואלקטרי במצב מטען – הטווח לא מצוין תחת המאפיינים הדינמיים, שכן הוא נקבע בעיקר על ידי מגבר המטען. על המשתמש להתייחס למפרטי הליניאריות של המשרעת, בסעיף המאפיינים הדינמיים של גיליון הנתונים. כאמור, הטווח המרבי המצוין בסעיף המאפיינים הסביבתיים מסמל את השרידות המקסימלית.

מפרט הלחות ניתן בדרך כלל כ “הרמטי”, “חותם אפוקסי”, או “חותם סביבתי”. רוב החותמות האלה יעמדו ברמות גבוהות של לחות. אם מד התאוצה נמצא בשימוש בסביבת חלל, סביבות תת-ימיות או חשיפות ארוכות מאוד ללחות רבה, מומלץ להשתמש בחותמת הרמטית. יש לציין כי שימוש מתמשך ומחזורי בטמפרטורה רציפה יכולה לגרום לחותם אפוקסי – לא לתפקד כראוי.

אם מדי תאוצה מתוכננים לפעול בתוך סביבת קרינה גרעינית, מפרטי הנתונים יציינו זאת.

רגישות מגנטית מצוינת רק לעתים רחוקות, מכיוון שהדבר אינו מהווה בדרך כלל בעיה במדי תאוצה חדשים. במדי תאוצה מודרניים משתמשים בחומרים לא מגנטים, ובכך מקטינים את הבעיה.

אם מד התאוצה יותקן על משטח גמיש מאוד, מפרט המתח של הבסיס הופך לחשוב. משטח גמיש נוטה להתכופף תוך שהוא יוצר לחץ על בסיס מד התאוצה. המתח שנוצר יכול להופיע כרטט בפלט של מד התאוצה.

משקל מד התאוצה

כאשר מד תאוצה מחובר לחפץ הבדיקה, ההאצה הנמדדת תשתנה. השפעות אלו יכולות להיות מופחתות עד שיהפכו לכמעט בלתי משמעותיות – על ידי תשומת לב למשקלו של מד התאוצה. ככלל אצבע, משקלו של מד התאוצה צריך להיות לא יותר מ 10% ממשקל החפץ הנבדק.

הַרכָּבָה

ישנן מספר דרכים להרכיב מד תאוצה על היחידה הנמצאת בבדיקה (unit under test = UUT). השיטות כוללות שיטות הרכבה קבועה ושיטות להרכבה זמנית. מאמר זה ידון בשיטות הנפוצות ביותר הרכבה.

ללא ספק שיטת ההרכבה הטובה ביותר היא השימוש במסמר או בורג מושחל. מסמר או בורג מושחל – מספקים את הטרנסמיסיה הטובה ביותר בתדרים גבוהים, מכיוון שמד התאוצה מתמזג למעשה לשטח ההרכבה. תגובה בתדר גבוה יכולה להיות משופרת על ידי יישום של מעט שמן בין מד התאוצה ל-UUT. אם שיטה זו של הרכבה רצויה, יש לרכוש מד תאוצה המיועד להרכבה עם בורג או מסמר.

דבק הרכבה נדרש לעתים קרובות, במיוחד על משטחים קטנים ולוחות מחשב. דבק קיאנוקרילי (cyanoacrylate)
הוא דבק ההרכבה המועדף, שכן ניתן להסירו בקלות, אם משתמשים בטכניקות הסרה מתאימות. למשתמש יש כמה אפשרויות למד תאוצה המצריך דבק להרכבה. מדי תאוצה רבים תוכננו במיוחד עבור דבק הרכבה, ועובדה זו תצוין על גיליון הנתונים. ניתן להרכיב מד תאוצה המיועד לבורג או מסמר הרכבה ע”י דבק, אולם יש להשתמש במסמר מחזק, כדי למנוע מהדבק פגיעה בחוטי המאיץ.

בידוד הארקה

מדי תאוצה זמינים עם בידוד הארקה או עם הארקה מחוברת למארז מד ההאצה. למדי תאוצה עם בידוד הארקה יש בדרך כלל בסיס הרכבה מבודד; ובמידת הצורך, בורג הרכבה מבודד, או במקרים מסוימים כל מארז מד התאוצה מוארק.

בידוד הארקה הופך לחשוב כאשר משטח הבדיקה של החפץ מוליך ועם פוטנציאל הארקה. הבדל ברמות מתח הארקה בין המכשור האלקטרוני לבין מד התאוצה – עלול לגרום ללולאת תקלה, היוצרת נתונים שגויים.

רגישות ורזולוציה

מד תאוצה הוא התקן התמרה, הממיר אנרגיה מכנית לאות חשמלי (הפלט). הפלט בא לידי ביטוי במונחים של מילוולט לגרם, או במקרה של מד תאוצה במצב מטען – הפלט בא לידי ביטוי במונחים של pC לגרם. מדי תאוצה מוצעים במגוון רחב של רגישויות, והרגישות האופטימלית תלויה ברמת האות שיש למדוד. למשל, במקרה של מדידת זעזועים ברמה גבוהה, רצוי מד תאוצה ברגישות נמוכה.

במקרה של אותות ברמה נמוכה, רצוי להשתמש במד תאוצה ברגישות גבוהה – על מנת לספק אות יציאה גבוה בהרבה מרמת הרעש של המגבר. לדוגמה, נניח שרמת הוויברציה הצפויה היא g 0.1, ולמד תאוצה יש רגישות של mV / g 10, ולאחר מכן רמת המתח של האות תהיה mV 1 – לכן רצוי שיהיה מד תאוצה ברגישות גבוהה יותר.

במקרה שבו נדרשים אותות ברמה נמוכה ו / או טווח דינמי רחב, אזי רזולוציית מד התאוצה ורגישותו הופכים חשובים.

רזולוציה קשורה לאות המינימום המובחן במד התאוצה. פרמטר זה מבוסס על רצפת הרעש של מד התאוצה (ובמקרה של מד תאוצה מסוג IEPE – האלקטרוניקה הפנימית) אשר באים לידי ביטוי במונחים של g rms.

שיקולים נוספים

המידע לעיל יסייע למשתמש הפוטנציאלי לקבל החלטה ראשונית בקביעה מהו מד התאוצה, שיכול לבצע את משימת המדידה הרלוונטית. ישנם פרמטרים אחרים חשובים באותה מידה, שיש לדון בהם עם ספקים פוטנציאליים. פריטים חשובים אלה עשויים לכלול:

מיזוג אותות והפעלה
רגישות רוחבית
תגובת טמפרטורה
סוגי כבלים
לאחר מענה על הסוגיות שהועלו במאמר זה; מומלץ, בכל אופן, להמשיך ולנהל דיון עם היצרן בנוגע למדי התאוצה הרלוונטיים.

אולי יעניין אתכם גם: חיישני לחץ בסביבות רטובות | פוטנציומטר סיבובי | סוג חיישן מיקום סיבובי