【產品方案】為何大家選擇Spectrum 數字化儀來測量機械? (一)

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

表1 Spectrum 系列選型參數表

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

圖1 將轉速機、加速器和儀器麥克風連接到 digitizer,以對小型冷卻風扇進行機械測量

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。

圖2 冷卻風扇機械測量設置

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。

圖3 測量小型冷卻風扇的轉速器、加速度器和麥克風震動和聲學特性

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。