Для чего датчик вибрации
Датчики вибрации
Статья о датчиках вибрации. В статье приведена принципиальная схема датчика вибрации, а также подробно разобраны 2 типа датчиков вибрации: оптические и пьезоэлектрические вибродатчики.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Датчики давления метран» или «Датчики перемещения (индуктивный, оптический, емкостной и другие типы)».
Датчик вибрации (виброметр) – прибор, позволяющий определять параметры вибрационных явлений. Наиболее часто виброметры используются для определения:
Проще говоря, если вибрирующий объект считать простым осциллятором, то виброметр позволяет получить сведения как о базовых параметрах его колебаний (частота и амплитуда), так и, в некоторых случаях, получить спектральную характеристику колебательного процесса.
Рисунок 1. Схема датчика вибрации.
Общая схема датчика вибрации содержит два основных блока (Рисунок 1): вибропреобразователь (1) и электронный блок обработки (2). Функциональное назначение первого блока – преобразование механических вибраций в электрический сигнал. Механизмов преобразования несколько:
Механизм преобразования в значительной мере определяет как характеристики прибора, так и его стоимость.
Второй блок – электронный блок обработки – служит для «расшифровки» полученного сигнала. Как правило, на входе таких блоков стоит аналогово-цифровой преобразователь, и основная часть операций над сигналом производится уже в цифровом виде, что расширяет функциональные возможности процесса пост-обработки, улучшает помехоустойчивость и позволяет осуществлять вывод информации по внешнему интерфейсу.
При использовании на производстве стационарные виброметры могут входить в состав регулирующих систем в качестве датчиков обратной связи, для этих целей некоторые модели виброметров имеют аналоговый выходной сигнал (как правило, напряжение).
Для получения комплексной характеристики вибрационного процесса в состав измерительной системы может быть добавлен спектроанализатор. Если спектроанализатор многоканальный – он может служить основой распределённой системы вибрационной диагностики, содержащей более одного вибродатчика.
В настоящее время большинство виброметров относится к одному из двух типов:
Рассмотрим более подробно каждый тип датчиков.
Оптический виброметр
В основу работы оптического виброметра подобно ультразвуковым датчикам перемещения положен эффект Доплера. Прибор обычно содержит лазерный источник излучения, приёмную оптическую схему, а также электронную схему обработки (Рисунок 2). При отражении излучения от неподвижного объекта длина волны принятого луча не отличается от истинной длины волны лазера. Если объект перемещается вдоль оси излучения, происходит сдвиг длины волны отражённого излучения на некоторую величину (эффект Доплера), значение и знак которой несут информацию о скорости и направлении движения объекта, а используемая в составе приёмного оптического модуля интерферометрическая схема позволяет определить эту величину. Таким образом, колебания отражающей поверхности модулируют частотный сдвиг, и электронная обработка этого сигнала модуляции позволяет получить параметры вибрационных колебаний.
Рисунок 2. Схема оптического виброметра.
Несмотря на то, что в состав оптических виброметров входит источник лазерного излучения, такие приборы достаточно безопасны, поскольку за счёт высокой чувствительности приёмной оптической системы для проведения измерений достаточной оказывается весьма незначительная оптическая мощность.
Одним из основных достоинств оптических виброметров является то, что диагностика с их помощью может проводиться бесконтактно, при их использовании в стационарном измерительном комплексе требуется лишь однократная фокусировка на измеряемой поверхности. Кроме того, устройства этого типа обладают высокой точностью и быстродействием, поскольку лишены подвижных элементов. К недостаткам можно отнести довольно высокую цену.
Пьезоэлектрический виброметр
Как ясно из названия, в основу работы данного типа приборов положен пьезоэффект – явление возникновения разности потенциалов на пьезокристалле при его механической деформации. Внутри корпуса виброметра содержится инертное тело, подвешенное на упругих элементах, содержащих пьезоэлектрический материал (Рисунок 3). Если корпус прибора прикреплён к вибрирующей поверхности, упругие элементы зарегистрируют колебания инертного тела, которое не прикреплено непосредственно к корпусу, а потому стремится сохранять своё первоначальное положение. В целом, в данной конфигурации пьезоэлектрический виброметр есть не что иное, как акселерометр, и часто довольно сложно провести границу между этими видами чувствительных устройств.
Рисунок 3. Схема пьезоэлектрического виброметра.
Электрический сигнал с пьезокристалла, как правило, подаётся на аналогово-цифровой преобразователь, и его обработка осуществляется в цифровом виде. В целом, как и в случае с оптическим виброметром, основным назначением приёмного чувствительного блока является преобразование вибрации в электрический сигнал, а характер его дальнейшей обработки определяется параметрами цифровой электронной схемы.
Основным недостатком этого класса приборов является необходимость соприкосновения чувствительной части с измеряемым объектом, что не всегда уместно в условиях производства. Кроме того, пьезоэлектрические приборы имеют, как правило, более узкий диапазон воспринимаемых частот, поскольку имеют механический тракт передачи вибрации, где максимальная частота определяется инертностью компонентов.
К достоинствам пьезоэлектрических виброметров можно отнести их относительно невысокую стоимость, а также относительно простое устройство, что обеспечивает надёжность и устойчивость к внешним воздействиям.
Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже
Обзор датчика вибрации Aqara
Датчик вибрации — особенное устройство в линейке Aqara. Он часто вызывает вопросы пользователей: зачем такой датчик нужен, в каких случаях применять? Разберемся, какие есть возможности у этого датчика, какие ограничения — и как их можно обойти.
Устройство датчика
По беспроводному протоколу Zigbee датчик связывается с Центром умного дома — Aqara Hub. Автономную работу обеспечивает обычная батарейка CR2032 — ее заряда хватит до двух лет. Кроме батарейки в комплекте идет стикер для наклеивания датчика на любую поверхность.
Функции
Датчик умеет оповещать о трех типах событий: наклоне, вибрации и падении. К любому из этих триггеров может быть привязана автоматизация — действие, которое выполнит умный дом по сигналу датчика. Например, включит сирену на Aqara Hub:
Автоматизации и другие настройки доступны в приложении Aqara Home.
Дополнительно можно настроить чувствительность датчика. При первой установке лучше выбрать максимальную чувствительность — отзывы пользователей говорят, что в таком режиме датчик выдает наиболее предсказуемые результаты. Снижать чувствительность придется только если обнаружите, что датчик грешит ложными срабатываниями.
Датчик вибрации умеет работать с системой Apple HomeKit — с его помощью можно управлять любыми устройствами яблочной экосистемы, а не только умным домом Aqara. Можно создавать и отдельные автоматизации через приложение Apple Home. В отличие от Aqara Home, здесь нельзя выбрать конкретное движение, которое запустит автоматизацию. Зато можно включать автоматизации при отсутствии движений:
Применение этих возможностей мы рассмотрим на конкретных примерах. Все их можно разделить на две группы:
Защита окон
Триггер: вибрация и падение.
Датчик вибрации дополнит датчик закрытия и открытия окна. Его преимуществом будет большая безопасность — ведь датчик вибрации сработает, если злоумышленник просто выбьет стекло. В таком случае рама окна останется на месте, — следовательно датчик открытия окна ничего не заметит. Датчик вибрации заметит либо сами вибрации, либо падение. В обоих случаях он сможет включить сирену на Aqara Hub и отправить сообщение на смартфон.
Важно учитывать, что датчик вибрации дополняет, но не заменяет датчик открытия окон.
Обычно, при открытии окна датчик вибрации заметит изменение наклона, однако, если злоумышленник будет аккуратен и откроет окно достаточно медленно, датчик вибрации не поможет. А вот датчик открытия окон так обхитрить не получится. Поэтому, если задача стоит в максимальной безопасности, следует использовать оба датчика.
Датчик вибрации при этом лучше всего разместить на нижней части стекла: так он будет меньше портить вид и одновременно, с большей вероятностью будет задет злоумышленником.
Защита отдельных предметов
Триггер: вибрация, падение, наклон.
Датчик пригодится и для защиты отдельных предметов — шкатулки с драгоценностями, ценной картины. Например, шкатулку можно просто вынести из дома — даже если в ней стоит датчик открытия, он не поможет. А датчик вибрации сообщит, даже если шкатулку просто сдвинут с места или поднимут.
Необязательно ограничиваться стенами квартиры. Если в общем пространстве между квартирами хранится велосипед, датчик пришлет уведомление, как только заметит что до велосипеда кто-то дотронулся — дальности беспроводной связи с Aqara Hub хватит в большинстве случаев. В таких случаях можно прикрепить датчик к велосипеду и больше не отсоединять: умный дом Aqara умеет восстанавливать соединение с датчиками, когда они покидают зону покрытия сигнала Aqara Hub, а затем возвращаются.
Виды и принцип работы вибрационных датчиков, монтаж и применение
Вибрационный датчики являются одними из самых надежных приборов в определении уровня жидких сред. К тому же, они не требуют обслуживания другими приборами.
Датчик можно применять для следующих типов жидкостей и сыпучих веществ:
Принцип действия вибрационных извещателей
Вибрационные датчики по принципу работы и внешнему виду очень похожи на камертон. В работе задействован пьезоэлектрический кристалл, приводящий в действие внешнюю вилку, настроенную на определенную частоту. Кристалл заставляет делать ее определенные колебательные движения на своей частоте. По мере погружения вилки в сыпучую или жидкую среду колебательные движения могут меняться. Данное изменение полностью зависит от свойств материала, в котором в данный момент находится вилка, частота ее колебаний по отношению к плотности среды пропорциональна в обратном порядке. Это означает, что период колебаний будет меняться в зависимости от вилки, которая погружена или не погружена в нужную среду.
Датчик, который применяется для определения уровня жидкости, определяется от периода колебаний вилки. Датчики, предназначенные для сыпучих сред, работают на принципе амплитуды. Все данные передаются на встроенный приемник, а затем переходят на усилитель.
Если у вилки меняется собственная периодичность колебаний, то она сразу передается на прибор, и приходит сигнал об оповещении достижения необходимого уровня.
Какие виды датчиков существуют
Вибрационные датчики, определяющие уровень жидкости или сыпучего материала, делятся на несколько видов.
По типу чувствительного элемента
Оптические вибрационные датчики
Чаще всего они используются для измерения вибрации строительных объектов. А также они находят применение в исследовательских лабораториях. Преимуществами такого типа датчика являются: пожаробезопасность, высокая чувствительность, маленькие размеры, высокая электроизоляционная прочность, стойкость к коррозии. Чувствительный элемент такого датчика — это волоконная брэгтовская решетка. Это структура с определенным периодом, которая располагается в оптическом волокне и отражает только определенный спектр длины волны. В анализаторе сигналов находится лазер, который отправляет некоторое количество волн около 100 раз в одну секунду.
Пьезоэлектрические датчики
Принцип действия пьезоэлектрического датчика основан на прямом эффекте, который превращает энергию механики в электрическую. Пьезоэлектрический эффект достигается, благодаря связи среди механических свойств материала и электрических, а также кристаллических. В определенный момент к пьезоэлектрику применяется механическое напряжение, и он совершает поляризацию в заданном направлении, и среди его граней происходит разность потенциала энергии.
Благодаря полученным данным можно определить величину силы, которая действует на пьезокристалл. Но, у такого принципа работы есть одна сложность. Пьезокристалл- это емкость с определенным зарядом, и она существенно отличается от обычной батарейки. Пьезоэлектрик можно каким-то образом изменить и оставить его в таком состоянии, после чего напряжение начнет уменьшаться из-за того, что на нем начнут оседать ионы воздуха до тех пор, пока не приблизятся к нулю. Именно из-за этого датчик удобнее всего применять для быстрых измерений.
Трибоэлектрический
Датчик используют чаще всего в оборудовании заграждений по периметру определенной местности. Он нужен для получения сообщений тревоги, полученных из-за определенных механических изменений в конструкции ограды, которые создаются во время попытки вторжения объекта на строго охраняемую территорию. Благодаря датчику обеспечивается обнаружение объекта, нарушившего границу территории, который пытается перейти сплошные или сетчатые заграждения.
Как правило, сигнал передается, когда нарушитель пытается каким-либо образом деформировать конструкцию, установленную по периметру территории. В основе работы датчика лежит чувствительный элемент с эффектом трибоэлектричества и специального блока, который обрабатывает сигналы. Их соединение осуществляется благодаря герметично сделанному разъему без дополнительных переходников.
Трибоэлектрический датчик может устанавливаться на:
По типу совмещения чувствительного элемента и блока обработки сигнала
По типу сборки датчики делятся на моноблочные и двухблочные. В моноблочных датчиках приемник и сам излучатель располагаются в одном корпусе. У датчиков, состоящих из двух блоков, приемник сигнала и источник излучения находятся в разных корпусах.
Моноблочная система
Рефлекторные датчики располагают в одном корпусе и приемник сигнала, и передатчик самого оптического сигнала. Для осуществления отражения луча применяется специальный рефлектор или катафот. Подобные датчики часто применяются на заводах в конвейерах для точного определения количества выпускаемой продукции. Для того, чтобы обнаружить сами объекты, там есть фильтр поляризации. Дальность действия может достигать около 8 метров.
Также в датчиках диффузионного отражения есть источник оптического сигнала, который располагается в одном корпусе с его приемником. Чтобы сделать срабатывание более точным, в устройствах предусмотрено подавление внешнего фона. Дальность действия такого датчика около 2 метров. В таких датчиках есть индикатор состояния работы и чувствительности, с помощью которого может быстро обнаружиться объект.
Система с выносным датчиком
Существуют барьерные датчики с устройством из двух частей. У таких приборов приемник и сигнальный излучатель располагаются в разных корпусах, но они всегда находятся строго на одной оси напротив друг друга. Два прибора могут находиться друг от друга на расстоянии около 100 метров. Объект, который попадает в зону наблюдения датчика, останавливает путь действия луча. Приемник замечает изменение и после его фиксации передает сигнал на другое устройство.
По количеству одновременно контролируемых точек
Датчики разделяются на однопозиционные и многопозиционные устройства. Однопозиционные устройства могут контролировать только одну точку. Многопозиционные приборы применяют при необходимости контроля сразу нескольких точек.
Однопозиционные датчики
Используются для того, чтобы зафиксировать вход на охраняемую территорию или на ее отдельную часть. После чего устройство передает тревожный сигнал с помощью разъединения контактов используемого реле.
Предназначен для обнаружения проникновения в охраняемое помещение или его часть и формирования тревожного извещения путем размыкания контактов исполнительного реле.
Прибор не фиксирует следующие помехи:
Многопозиционные датчики
Датчики, которые могут контролировать сразу несколько позиций, используются вдоль линии ограждения на опорах или по верху линии охраны. Они могут обнаружить человека, который пересекает охраняемую территорию. Граница строго охраняемой территории может быть ломаной и состоять из разных по размеру участков.
По типу обрабатываемого сигнала
По типу обрабатываемого сигнала датчики делятся на аналоговые и цифровые.
Аналоговые датчики
Аналоговые датчики нужны для того, что получать информацию в реальном времени о точных физических характеристиках. Принцип работы основан на преобразовании определенной величины в электрический сигнал, который распознают и обработают линии связи. Такие приборы всегда располагают на достаточно отдаленном расстоянии от главного контроллера. Очень часто такие датчики называют полевыми.
Аналоговый датчик включает в себя такие части:
Цифровые датчики
Работа цифровых датчиков основана на резонансном преобразовании электроэнергии, с помощью которой можно отследить все изменения тока в специальном контуре. Самым главным параметром здесь будет направление тока, а не его величина.
По типу выходного сигнала
Аналоговый
Датчик, который имеет аналоговый выход в роли напряжения, как правило, подключается к входу через специальную схему, которая превращает сигнал в простую двоичную форму. В роли такой схемы может выступать специальный триггер Шмидтта, компаратор или стабилитрон. С помощью компаратора могут быть доступны такие функции, как обратная связь, поддающаяся регулировке. Это очень часто применяется в фотореле, там они используются для превращения изменения сигнала фототранзистора в низкий или высокий сигнал.
Также аналоговый выход сигнала может быть обработан при помощи цифровой внешней схемы, которая осуществляется внутри небольшого контроллера или с использованием специальных микросхем.
Цифровой
В цифровой сфере электроники передача данных между частями устройства осуществляется с помощью специальной шины связи. Схема очень просто разрабатывается, это связано с тем, что данные по очереди передаются по двум разным проводам, и компоненты могут одновременно подключиться к одной шине. Обычно, на этой шине есть главное устройство и несколько второстепенных. Ведущие устройства могут передавать, так и принимать все необходимые данные. Из-за того, что к одной шине может подключаться сразу несколько устройств, у каждого имеется свой индивидуальный адрес для того, чтобы их можно было точно опознать.
По используемым каналам связи
Датчики делятся на проводные и беспроводные по типу использования каналов связи.
Проводные датчики
Использование проводных датчиков движения для сигнализации имеет несколько преимуществ по сравнению с беспроводными:
Но, у таких датчиков есть один недостаток. Они требуют достаточно дорогостоящего монтажа системы проводки. Это может быть проблематично на объектах исторической ценности.
Беспроводные датчики
Беспроводной датчик сигнализации — это автономный прибор, который осуществляет свои функции при помощи аккумулятора или специальной батареи. Из этого следует, что наиболее важной характеристикой беспроводного устройства является его срок действия. Как правило, этот срок равен одному году.
Если в работе применяются более дешевые модели, то срок их эксплуатации может составлять всего несколько месяцев. Это объясняется тем, что у них используются дешевые электронные элементы, и отсутствуют какие- либо алгоритмы. А также, если на датчик часто передаются срабатывания сигнала, то батарея будет разряжаться еще быстрее.
Принципы срабатывания
По принципу срабатывания датчики делятся на систему превышения порогового значения и обработку с помощью алгоритмов.
Превышение порогового значения
Датчики, которые работают по принципу превышения порогового значения, осуществляют следующие функции:
Обработка данных алгоритмами
Датчики с таким принципом работы могут осуществлять функции по нескольким вариантам сразу. Преимущество данного способа в том, что данные устройства способны к анализу данных и более точным измерениям.
По методу настройки
Датчики также различаются по своим методам настройки. Они могут быть автоматические, полуавтоматические или настраиваться по принципу сменных фильтров.
Автоматическая настройка датчика
Автоматическая настройка устройств будет очень удобной для людей, которые имели мало опыта с подобными приборами. Преимуществами такого метода являются:
Полуавтоматическая настройка
Приборы с полуавтоматической настройкой включают в себя функции, которые можно настроить вручную. Это очень удобно в случаях, когда нужно получить какие-то конкретные измерения.
Сменные фильтры
Устройства с принципом работы сменных фильтров удобны тем, что можно их менять в зависимости от нужных данных, определенной местности или области.
Достоинства и недостатки устройства
Датчики предельного уровня — это устройства, которые позволяют быстро измерить необходимые физические величины. Приборы имеют свои достоинства и недостатки.
Основными преимуществами датчиков предельного уровня является непрерывный контроль уровня наполненности резервуара и полная встраиваемость приборов уровня в автоматизированные системы. Также на подобных датчиках можно установить автоматический анализ данных.
Особенности монтажа и использования
Если знать особенности использования и монтажа охранной сигнализации, то ее можно установить самостоятельно.
Обзор производителей и моделей
Geoquip
Джеокуип- это компания, которая представляет разработки для охраны определенной территории, принцип работы которых основан на сенсорных кабелях. Их приборы отлично справляются с регистрированием малейших механических колебаний.
GD5000-1Е
Устройство, которое способно объединяться с сенсорным кабелем. Это самостоятельная охранная система для ограждений длиной около 300 метров. Датчик работает по принципу оцифровки аналоговых сигналов во время проникновения нарушителя.
GD5000-2Е
Устройство обладает теми же функциями, что и его предшественник. Отличие состоит в том, что оно может работать на двух зонах сразу.
GCMMB-4
Преимущество данного датчика состоит в том, что он может контролировать охраняемые территории на 4 зонах одновременно.
Bosch Security Systems
Данная компания является надежным производителем охранных систем, которые включают в себя датчики и системы видеонаблюдения.
ISN-SM-50
Устройство анализирует все полученные сигналы и сразу сравнивает их с диапазоном частоты. Такие инструменты обычно используют для взлома сейфа или ночных ячеек. Радиус функционирования прибора около 4 метров.
ISP SM 90-120
Это сейсмический датчик, который применяется для охраны специальных банкоматов, бронированных помещений или хранилищ. Устройство способно обнаружить все самые известные инструменты нарушителей: кислородные горелки, опасные вещества или алмазные инструменты.
ISN-SM-80
Устройство можно легко установить в любом тесном пространстве. Часто применяют для защиты сейфов или ночных ячеек.
OPTEX
Компания используют надежные и разнообразные системы защиты, которые используют охраняемую линию в несколько уровней. Она включает в себя охрану средней зоны, защиту помещений и охрану по периметру территории.
VIBRO
Охранный датчик, который работает на поверхности в радиусе действия около 3,5 метров. Чувствительность прибора можно настроить в режиме обучения, что очень удобно для начинающих пользователей.
FD-342
Охранный двузонный датчик, который обладает следующими преимуществами:
FD-525
Устройство, которое способно одновременно охранять около 25 зон. Прибор имеет следующие преимущества:
Правила эксплуатации
Охранная сигнализация должна работать круглосуточно. Но, для правильного ее функционирования, необходимо регулярно ее проверять. Для этого нужно выполнить следующие действия: