Calibrazione degli accelerometri industriali

Le linee guida per la calibrazione di un sensore piezoelettrico industriale dipendono dall'elemento sensibile utilizzato nel sensore.

• Quarzo: Il quarzo è un minerale piezoelettrico naturale, considerato il più stabile di tutti i materiali piezoelettrici. Per i sensori al quarzo, il valore di calibrazione è garantito stabile per un minimo di 5 anni se utilizzato secondo le linee guida operative pubblicate per questi sensori.
• Ceramica: Le ceramiche policristalline sono materiali artificiali che sono stati polarizzati per mostrare proprietà piezoelettriche. Il processo di polarizzazione consiste nel sottoporre la ceramica a tensioni continue molto elevate e ad alte temperature per allineare i domini lungo l'asse di polarizzazione. Nonostante questo processo e gli sforzi per invecchiare artificialmente le unità, le ceramiche piezoelettriche mostrano comunque un naturale decadimento dell'output nel tempo e richiedono una ricalibrazione per garantire misure accurate. Si raccomanda di calibrare i sensori con elementi sensibili in ceramica almeno una volta all'anno e dopo ogni sospetto di danno fisico dovuto a urti meccanici eccessivi, transienti termici estremi, temperature eccessive o altre influenze ambientali estreme.

In senso lato, il processo di calibrazione verifica la risposta in ampiezza e la linearità del sistema nell'intervallo di utilizzo previsto. Un tipico processo di calibrazione si divide in pre-calibrazione e calibrazione finale.

La pre-calibrazione consiste, ma non solo, in due test: un test di sensibilità trasversale e un test di frequenza di risonanza.

Il primo test eseguito durante il processo di pre-calibrazione è la sensibilità trasversale. La sensibilità trasversale è l'uscita di un sensore di vibrazioni monoassiale montato perpendicolarmente all'asse di rilevamento. Per eseguire il test, il sensore viene montato su un calibratore trasversale. Si veda la Figura 1. Oltre al sensore da testare, sul calibratore sono montati due sensori di riferimento. I due sensori di riferimento sono montati a 90 gradi di distanza l'uno dall'altro attorno al sensore di prova, uno dei quali misura le vibrazioni sull'asse x e l'altro le vibrazioni sull'asse y. Quando si attiva la sequenza di test, la configurazione viene regolata per garantire che i due sensori di riferimento forniscano uscite uniformi con uno sfasamento di 90 gradi e che l'apparecchiatura di test dimostri un movimento orbitale uniforme. Il sistema calcola quindi la sensibilità trasversale. Per superare il test, le misure di vibrazione del sensore di prova devono corrispondere alle specifiche del sensore di prova entro una determinata tolleranza.

Il secondo test eseguito durante il processo di pre-calibrazione è la frequenza di risonanza. La frequenza di risonanza è la frequenza alla quale il sensore vibra naturalmente quando viene eccitato da uno stimolo. Per eseguire il test, il sensore di prova viene montato con grasso al silicone su una massa in lega di tungsteno pari a circa dieci volte la massa del sensore. L'insieme massa/sensore viene quindi appoggiato su un fianco su un banco di prova. La massa viene fatta vibrare con un cuscinetto a sfera aderente a una striscia di mylar e viene raccolta la frequenza di risonanza risultante del sensore.

Per la calibrazione finale, il sensore di prova viene sottoposto a un test di calibrazione back-to-back per determinare la sensibilità di riferimento, la risposta in frequenza e la tensione di polarizzazione in uscita. Durante il test back-to-back, il sensore di prova viene montato in una disposizione back-to-back con un sensore di riferimento, con il sensore di riferimento che ha la tracciabilità della calibrazione primaria. Poiché l'ingresso di movimento è lo stesso per entrambi i sensori, il rapporto delle loro uscite è anche il rapporto delle loro sensibilità. La sensibilità del sensore di prova può essere calcolata con la formula riportata nella Figura 3.

Una volta determinata la sensibilità del sensore di prova, questa viene testata a una o più frequenze (a seconda del servizio di calibrazione richiesto) per sviluppare un diagramma di sensibilità. Nel caso di un sensore di prova testato a più frequenze, il servizio di calibrazione conferma la risposta lineare della sensibilità del sensore di prova nell'intervallo di frequenze utilizzabili durante la pre-calibrazione. Entrambi i sensori possono essere montati su uno shaker elettrodinamico azionato con una vibrazione sinusoidale e la sensibilità del sensore in prova viene misurata a quella particolare frequenza. L'analisi della gamma di frequenze desiderate genera una curva di risposta in frequenza del sensore in esame. Gli agitatori a cuscinetto d'aria sono il tipo di agitatore elettrodinamico preferibile da utilizzare, in quanto sono in grado di fornire la massima qualità di vibrazioni pure a singolo grado di libertà sulla più ampia gamma di frequenze, riducendo al minimo il movimento trasversale e la distorsione che si riscontrano su altri agitatori elettrodinamici.

Per la calibrazione degli accelerometri piezoelettrici industriali, IMI Sensors offre due standard di calibrazione.

• ICS-1: Calibrazione fornisce un certificato di calibrazione dettagliato conforme alla norma ISO 10012:2003 "Sistemi di gestione delle misure - Requisiti per i processi di misura e le apparecchiature di misura" e tracciabile al National Institute of Standards & Technology (NIST). Un esempio di certificato di calibrazione ICS-1 è riportato nell'Appendice 1.
• ICS-2: Calibrazione fornisce un'opzione a basso costo per la calibrazione di sensori industriali che, a causa della loro applicazione, non necessitano di una calibrazione dell'intero campo. Questo standard fornisce un valore di calibrazione a punto singolo tracciabile al NIST. Tale valore è inciso al laser sulla custodia del sensore per facilitarne il riferimento. Nell'Appendice 2 è riportato un esempio di certificato di calibrazione ICS-2.

Questi servizi sono disponibili per tutti gli accelerometri industriali di IMI Sensors e per tutti i modelli della concorrenza.