使用Spectrum 數字化儀進行機械測量
本文將介紹如何使用模組化 digitizer 來進行機械測量:
使用模組化的 digitizer來對機械設備進行測量時，需要使用各種傳感器，方便我們將機械參數( 如力、加速度、壓力、轉速等）轉換成您可以測試的電訊號。
數字化儀的選擇
機械測量通常需要的帶寬在 100 kHZ以下。因此需要數字化儀達到200 kHZ或更高的採樣率，分辨率為 16位，以匹配常用電壓傳感器的動態範圍。表1 整理出機器測量中所需要的參數以及對應的產品系列。
傳感器
傳感器具有多種尺寸和互連類型可供選擇，它們提供成熟的技術並具有可靠性，通常用於發育測量。較新的微機電 (MEM) 傳感器採用更小的封裝，成本更低也較適用於大眾市場應用。
傳感器的選擇取決於具體應用，考量的因素包括動態範圍 ( 測量參數的最大值和最小值 )、帶寬、環境(潮濕、乾燥、易爆等）、負載（傳感器如何影響測量）、互連方法和成本。
大多數的傳感器都需要電源、信號調節和電纜才能使用，除此之外，因為許多傳感器使用不常見的連接器，所以佈線可能會有點麻煩。以電壓加速器為例，標準的連接器是使用１０－３２螺紋的微點同軸連接器，為解決相容性的問題，Spectrum 提供適配器和電纜，讓您使用更常見的 BNC連接器。
機械測量事例 #1
圖一 顯示對小型三葉片冷卻風扇進行基本的機械測量時使用的連接圖
利用 Spectrum digitizerNETBOX 型号 DN2.596-04，具有4個模擬通道、16位分辨率、80MS/s採樣率和 40MHz 的帶寬。NETBOX 的16位分辨率適合加速度器和麥克風的大動態範圍，並且可透過乙太網的方式連接來遠離主機。
本次測量使用 3個傳感器，第一個是光學轉速器，將光線從傳感器發射到風扇輪上的反射來讀取風扇旋轉的頻率。原理為：反射光被光晶體管接收來產生美轉移次的脈衝。
加速器是一個震動傳感器，安裝在風扇外殼上，其產生與震動加速器成比例的電壓並輸出。測量中使用的設備為壓電加速計，使用已知的品質來壓縮電源件，如陶瓷或石英元件。這會產生動態範圍較高的傳感器，其高端受電源電壓（通常為± 5 V）限制，而低端會受前置放大器噪音水平的限制。典型的壓電加速器的動態範圍為８５～１１０ dB，正如前面所說，大多數實際測量結果會導致動態範圍較低。
加速度計靈敏的指定每克加速度的輸出電壓，本實驗中使用的單位具有 100 mV/g 的靈敏度，根據輸出超過低頻輸出電瓶５％的頻率，它具有10 kHz 的帶寬，此帶寬規格與電子電路使用的完全不同，在電子電路使用的半功率點或0.707 的低頻響應，這是帶寬的３０％幅度容差。
請注意，加速度器需要電源／前置放大器來驅動數字化儀輸入，這些裝置通常由電池供電，以最大限度減少拾取和接地環路。
加速度器電源還可能包括信號處理的功能，例如放大、濾波和集成，集成裝置用於將加速度轉換為速度，第二個集成將速度轉換為位移，還可以在儀器的輸出端以數字方式執行集成。
加速度器使用雌性支架連接到風扇外殼，安裝會影響傳感器的帶寬。安裝後將加速度器擰入被測設備，可產生最佳的響應。常見的安裝方式如膠合、使用蠟，同樣會造成降低帶寬。由於此測量遇到的信號帶寬低於 1 kHz故可忽略此問題。
此測量中使用的第三個傳感器為儀器麥克風，讀取聲壓並產生與該壓力比例的電壓。本案例使用的裝置具有100 kHz (-3dB) 的帶寬，它還需要一個電池供電的電源，其中還包括一個20 dB 增益放大器。
麥克風放置在遠離風扇的氣流軸上，以最大限度減少直接拾取風扇輸出氣流的壓力變化，此種方式測量的是聲壓級而不是風扇氣流的壓力變化。
傳感器校準
儘管傳感器供應商位產品提供校準文件，但許多機械傳感器可以在使用前利用便攜式校準器來進行校準，這些設備通常由電池供電，重量輕且結構緊湊。
大多數產生已知震幅的固定頻率正弦波形，例如加速度器在 1 kHz 時的 1 g峰值或麥克風在 1 kHz 時的110 dB峰值，這些都是用來解決損壞電纜或電源的工具。
使用傳感器時會出現很多細節，應用於特定測量時，傳感器最好參考供應商的數據表、應用說明以及建議。
實驗數據與分析
digitizerNETBOX 是使用 Sbench6軟體進行控制，這是一個功能齊全，可以在數字化儀採集數據，不僅可以適當的機械單位比例顯示採集數據，而且還提供大量可用於處裡信號的分析測量工具。圖3 顯示本實驗中採集的數據、分析和測量。
在SBench 6 螢幕中顯示在最左側網格中的轉速器輸出，該波形由風扇每轉一圈的脈衝組成。透過測量該信號的頻率來讀取風扇的速度，該圖左側中心資訊窗格中的頻率讀數讀取為27.8 Hz(每秒轉數)。將該頻率讀數乘以60得出風扇的轉速為每分鐘 1688轉 (RPM)，並在頻率讀數的下方顯示頻率的最小值、最大值和偏差統計。
加速度器輸出會出現在標有”加速度器輸出”上方網格中，已使用模擬通道設置的自定義刻度來讀取 g’s，信號峰峰值和有效(rms) 震幅的測量值會出現在”資訊” 的窗格中，計算信號的FFT 並顯示在右上角的顯示網格中。
FFT 顯示結構加速度信號的頻率分量，其頻域或頻譜畫面提供容易的物理解釋，分離出各種頻率分量。最左邊的峰值出現在 27.8 Hz，即風扇電機的旋轉頻率，在56、83、111 和 140 Hz 都有諧波分量，83處的三次諧波高於其他，因為它的葉片是通過頻率，當3個風扇葉片都經過風扇外殼中支撐電機的固定支柱時，它們會在框架中引起震動；120 Hz 處的大峰值是由於感應電機中的旋轉磁場引起了震動。
麥克風輸出顯示在聲壓中心底部的網格中，該數據也已重新調整，以便用壓力單位讀取。”資訊” 窗格中的測量顯示該信號的峰值和有效幅度，與震動信號情況一樣，聲學的 FFT提供大量的物理洞察力。
請注意，葉片通過頻率及二次諧波時，兩條主要普現位於 84和168 Hz。主要的帶寬聲音信號與風扇葉片運動有關，低頻機械震動寬帶 “空氣噪音” 構成該 FFT的升高基線。
總結
選擇數字化儀的關鍵是它具有足夠的帶寬、通道數量或等於大於擬進行的測試數據，以及足夠的動態範圍來處理傳感器，具有16 位分辨率的digitizerNETBOX 可以支持高達96 dB 的動態範圍，最多可以提供 16 個模擬輸入通道。
模擬化 diigitizer，如M2p.59xx 系列，具有多達88個模擬通道，也可用於此應用。對於更多數量的通道，Star-Hub 模組可用於連接多達 16個模組化數字化儀，提供多查 256個模擬通道。
