Tin tức

Cảm biến địa chấn Geophone (đo vận tốc)và cảm biến MEMS (đo gia tốc): Cân nhắc và Khuyến nghị

 

Giới thiệu

Mục đích của tài liệu này là làm nổi bật sự khác biệt giữa cảm biến địa chấn geophone và cảm biến MEMS (Hệ thống cơ điện vi mô) được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới cho các ứng dụng giám sát động vận tốc và gia tốc.
Lưu ý rằng điều này sẽ dựa trên bảng dữ liệu kỹ thuật cảm biến hiện có tới tháng 10 năm 2023..
Nhìn chung, geophone là một công nghệ rất đáng tin cậy và hoàn thiện, chưa có những cải tiến đáng kể trong những năm gần đây. Mặt khác, cảm biến MEMS vẫn còn khá mới so với geophone và công nghệ linh kiện tích hợp đang có những tiến bộ đều đặn, được thúc đẩy bởi ngành công nghiệp điện tử nói chung.

Hình 1: Công nghệ Geophone (trái) và MEMS (phải) được sử dụng trong các thiết bị giám sát động vận tốc và gia tốc.

Những khía cạnh quan trọng

Khi chọn cảm biến, Bảng 1 tóm tắt các tiêu chí quan trọng nhất cần xem xét.
Bảng 1. So sánh đặc điểm tổng thể giữa geophone và MEMS.
Tiêu chuẩn Geophone MEMS
Đại lượng đo Vận tốc mm/s hoặc in/s Gia tốc mm/s², in/s², g, mg
Dải tần số điển hình* 1Hz – 350Hz DC-0Hz tới 400-600Hz
Dải đo* Từ 100mm/s – 250mm/s Từ ±1g  tới ± 4g
Dải động Thông thường lên đến 135dB Từ 80dB tới 140dB
Giá $
Geophones có giá cả khá phải chăng so với MEMS có nhiễu thấp, mức giá tương tự so với cảm biến MEMS có chi phí thấp/nhiễu cao		 $-$$$
Giá liên quan trực tiếp đến độ nhạy của thiết bị.
* Có thể tìm thấy một số cảm biến có tần số và phạm vi đo cao hơn, vẫn chưa được xem xét ở đây, vì các ứng dụng giám sát cấu trúc và công thái học cho con người liên quan đến băng thông tần số thấp, thường thấp hơn 315 Hz (tham khảo DIN 4150-3 trong số các tiêu chuẩn khác) và biên độ thấp, thấp hơn 100 mm/s hoặc 4g

Đáp ứng tần số

Geophone được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật dân dụng thường có tần số tự nhiên là 4,5 Hz. Quá trình tuyến tính hóa các tần số thấp cho phép thiết bị đo từ khoảng 1 Hz, như được chỉ ra trong Bảng 1.
Cảm biến MEMS có phản hồi phẳng từ 0 Hz đến 400–600 Hz, cho phép phạm vi ứng dụng rất cao.
Hình 2 biểu thị đường cong đáp ứng tần số điển hình cho một geophone 4,5 Hz được tuyến tính hóa và cảm biến MEMS.
Điều quan trọng cần lưu ý là geophone là tuyến tính trong khoảng từ 1 đến 100 Hz, trong khi MEMS là tuyến tính giữa DC – 0 Hz đến 300 Hz trở lên, tùy thuộc vào kiểu máy.
Điều này có tác động đáng kể đến việc sử dụng được khuyến nghị, như có thể thấy trong các phần tiếp theo.

Hình 2: Đáp ứng tần số điển hình của geophone tuyến tính 4,5 Hz và cảm biến MEMS.

Phạm vi đo

Phạm vi đo thường nằm trong khoảng ± 100 mm/s (± 4 in/s) và ± 250 mm/s (± 10 in/s) đối với geophone. Lý do liên quan đến các tiêu chuẩn chính hiện có trong lĩnh vực này. DIN 45669–1 của Đức yêu cầu các thiết bị có tốc độ ± 100 mm/s, trong khi hướng dẫn của Hiệp hội Kỹ sư Chất nổ Quốc tế Hoa Kỳ (ISEE) chỉ định ± 250 mm/s.
Cảm biến MEMS thường có phạm vi đầy đủ từ ± 1 g đến ± 4 g.
Nếu sử dụng cảm biến MEMS để đo vận tốc, điều quan trọng là phải xem xét mối quan hệ gần đúng sau đây giữa vận tốc và gia tốc, trước tiên bằng cách xem xét độ dịch chuyển hình sin.
d = A * sin(2π f t)
v = 2πf * A * cos(2πft) ≈ 2πf * d
a ≈ 2πf * v
trong đó d là độ dịch chuyển, v là vận tốc và a là gia tốc.
Trong Bảng 2, có thể thấy rằng các gia tốc kế có dải đo nằm ngoài dải tiêu chuẩn cho các ứng dụng kỹ thuật dân dụng để tuân thủ hai tiêu chuẩn nêu trên.
Bảng 2. Định mức vận tốc chính và phạm vi gia tốc kế dự kiến.
Tính năng DIN 45669-1 ISEE
Dải tần số 1-315Hz 2-250Hz
Dải đo 100 mm/s 250 mm/s
Dải đo cần thiết cho gia tốc kế 197.9 m/s² ≈ 19.8g 392.7 m/s² ≈ 39.3 g
Vui lòng kiểm tra dải đo gia tốc kế của bạn trước khi sử dụng để đo vận tốc

Tự nhiễu của cảm biến

Một khía cạnh quan trọng khác trong giám sát độ rung là nhiễu cảm biến. Điều quan trọng là có thể phát hiện biên độ rung rất thấp để hiểu đầy đủ các chuyển động động của các kết cấu. Một số phương pháp cũng sử dụng tính năng giám sát rung động xung quanh, vốn cũng yêu cầu cảm biến nhiễu rất thấp.
Về vấn đề này, cảm biến geophone cung cấp độ tự nhiễu rất thấp khi kết hợp với bộ chuyển đổi A/D chất lượng cao, độ phân giải cao (24 bit trở lên).
Việc sử dụng A/D chi phí thấp, chẳng hạn như 16 bit, là điều vô nghĩa khi kết hợp với cảm biến có nhiễu thấp. Đề cập đến các đường cong Vibration Creteria (VC), geophone của Syscom có ​​thể đo xuống giới hạn VC-G @ 0,78 μm/s, ngụ ý rằng độ nhiễu của cảm biến thấp hơn nhiều so với giới hạn này, khoảng 0,05 μm/s.
Bây giờ về cảm biến gia tốc, độ nhiễu của cảm biến có liên quan nhiều đến giá thành của cảm biến.
Thông thường, cảm biến MEMS ba trục chi phí thấp (< 50 USD) có độ nhiễu ở khoảng 25 μg/√Hz, trong khi cảm biến MEMS cao cấp (> 500 USD) sẽ có độ nhiễu thấp hơn ít nhất 5 lần so với giới hạn đã cho trước đó, nếu không muốn nói là tốt hơn.

Tích hợp và khác biệt

Độ dịch chuyển, vận tốc và gia tốc thường là các tín hiệu theo thời gian được ghi lại để phân tích động, với các phương trình chuyển động sau đây để có gia tốc đều (công thức đơn giản):
x(t)=x₀ + v₀t + 1/2a₀t²
x(t)=v₀+a₀t
x(t)=a₀
Chúng có thể xử lý bằng các phương pháp vi phân và tích phân, tùy thuộc vào loại cảm biến, để thu được đại lượng đo cần thiết.
Vui lòng lưu ý rằng các xử lý này có thể gây ra lỗi số học, lỗi này phụ thuộc chủ yếu vào thuật toán và bộ lọc được sử dụng. Do đó, việc tích phân hoặc vi phân tín hiệu động là việc rất khó khăn, đặc biệt khi tích phân gia tốc thành vận tốc.

Độ lệch

Một sự kiện đã được ghi lại bằng geophone (Hình 3.a) và bằng cảm biến MEMS có tích hợp xử lý dữ liệu sau thu thập (Hình 3.b). Có thể thấy rõ rằng cảm biến MEMS với màu xanh lá cây bị cắt bớt và quá trình xử lý tín hiệu sau đó không đáng tin cậy, tốc độ cực đại màu xanh lá cây được tính toán ở mức trên 80 mm/s, trong khi giá trị thực đo được của geophone là 1,12 mm/s.

Hình 3: Ghi lại cùng một sự kiện bằng geophone (a) và cảm biến MEMS, với tích phân (b)
– Xử lý sau thu thập tín hiệu chưa chuẩn hóa và phức tạp.
– Việc áp dụng phép tính tín hiệu chính xác có thể dẫn đến các kết quả rất khác nhau, tùy thuộc vào bộ lọc được sử dụng, thứ tự bộ lọc, số xấp xỉ, v.v.
– Xử lý tín hiệu số sẽ dẫn đến độ không chắc chắn tăng lên, đặc biệt đối với các tín hiệu theo lịch sử thời gian bị nhiễu
– Hiệu ứng cạnh biên cần được quan tâm cẩn thận do các sự kiện kéo dài được xác định so với tín hiệu liên tục
Dựa trên điều này, việc tránh xử lý tín hiệu sẽ giúp các tín hiệu theo lịch sử thời gian đáng tin cậy hơn, đó là lý do tại sao việc chọn đúng cảm biến với đại lượng đo phù hợp là giải pháp then chốt.

Tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn cho kỹ thuật dân dụng, giám sát kết cấu và một số tiêu chuẩn cho công thái học của con người chỉ định giới hạn ngưỡng về vận tốc. Do đó, nên sử dụng các cảm biến geophone cho các tiêu chuẩn này.
Gia tốc được chỉ định chủ yếu cho công thái học, cũng như để theo dõi địa chấn, theo dõi chuyển động mạnh và các ứng dụng theo dõi tình trạng kết cấu. Những lý do là như sau:
– Phần tử cảm biến gia tốc MEMS có đáp tuyến tần số tuyến tính
– Lắp đặt cố định không yêu cầu hiệu chuẩn lại do độ ổn định của phần tử cảm biến, mang lại chi phí sở hữu thấp nhất
– Phổ đáp ứng cấu trúc (RSP) thường được tính toán và
được chỉ định bằng mg.

Vui lòng tìm danh sách các tiêu chuẩn kỹ thuật dân dụng chính trên toàn thế giới trong Bảng 3 (danh sách không đầy đủ).

Bảng 3: Tiêu chuẩn kỹ thuật dân dụng chính của mỗi quốc gia.

Tiêu chuẩn xác định bằng vận tốc Tiêu chuẩn xác định bằng gia tốc
DIN 4150-2, DIN 4150-3, DIN 45669-1 (Đức) ISO 2631-1, ISO 2631-2

(Quốc tế)
BS 5228, BS 7385 (Anh Quốc) BS 6472-1 (Anh Quốc)
SN 640312 (Thụy Sĩ) UNI 9614 (Ý)
Arrêté de 1994, circulaire de 23/07/1986 (Pháp)
Toronto Bylaw 514-2008 (Canada)
RI 8507, OSMRE, ISEE Guideline (Mỹ)
AS-21872 (Úc)
Vibration Criteria, VC curves (Quốc tế)
SYSCOM khuyến nghị sử dụng đầu ra của phần tử cảm biến liên quan đến các giới hạn ngưỡng đã xác định, hoặc là vận tốc với geophone hoặc MEMS với gia tốc. Điều này đảm bảo việc giám sát chính xác và đáng tin cậy nhất, đồng thời tránh việc xử lý phức tạp sau thu thập dữ liệu!

Kết luận

Bài báo xem xét sơ bộ về các thách thức xử lý tín hiệu, một số khía cạnh chính liên quan đến geophone và cảm biến MEMS cũng như khuyến nghị sử dụng chúng theo ứng dụng, giờ đây việc xem xét cảm biến phù hợp cho ứng dụng phù hợp trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.
Các đề xuất của Syscom có ​​thể được coi là hướng dẫn thực hành tốt nhất và là lời nhắc nhở rằng việc sử dụng đầu ra cảm biến phù hợp cho ứng dụng phù hợp là chìa khóa để đảm bảo độ tin cậy cho các phép đo của bạn.
Syscom đặc biệt khuyên bạn không nên xử lý tín hiệu để đánh giá động lực học cấu trúc theo thời gian thực, đặc biệt khi cảnh báo và thông báo được kích hoạt trong quá trình giám sát.
Bám sát những yếu tố cần thiết, cảm biến geophone cho ngưỡng vận tốc và cảm biến gia tốc MEMS cho ngưỡng gia tốc.
Syscom luôn sẵn sàng cung cấp cho bạn mọi khuyến nghị kỹ thuật và sẽ hỗ trợ bạn trong việc lựa chọn giữa các dòng sản phẩm phù hợp.