機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)使用高速數(shù)據(jù)采集卡作為測量工具，需要使用各種傳感器或換能器把各種力學(xué)參數(shù),如加速度,、壓力、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為可以測量的電信號(hào),。這篇文章將介紹如何使用模塊化的高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行機(jī)械測量,。
高速數(shù)據(jù)采集卡的選擇
機(jī)械測量所需帶寬通常低于100kHz。所以200 kHz或更高的采樣率就能滿足工程要求,。分辨率應(yīng)為16位,，以匹配常用壓電傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。表1推薦了幾款符合機(jī)械測量的高速數(shù)據(jù)采集卡的型號(hào)和相關(guān)參數(shù):
表1 適用于機(jī)械測量的高速數(shù)據(jù)采集卡和digitizerNETBOX
傳感器
長期應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的傳感器或換能器有很多的形狀和類型,，具備成熟的技術(shù)和高可靠性可用于工業(yè)測量,。新型微機(jī)電傳感器(MEMs)封裝體積更小、成本更低,、可應(yīng)用于大眾市場,。傳感器的選擇取決于應(yīng)用場景。需要考慮包括動(dòng)態(tài)范圍(大和小值的測量參數(shù)),帶寬,、環(huán)境(濕度,、干燥度、爆炸…),加載(傳感器如何影響測量),互連方法,和成本等等,。
大多數(shù)傳感器使用時(shí)需要電源,、信號(hào)調(diào)節(jié)和現(xiàn)場布線。傳感器供應(yīng)商會(huì)提供所有連接到高速數(shù)據(jù)采集卡的或其他測量儀器的所有必要硬件,。一些傳感器的所使用的連接器不是很常見會(huì)導(dǎo)致電纜配置有些困難,。比如,壓電加速度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)連接器是使用10-32螺紋的微粒同軸連接器。傳感器制造商通常提供常用BNC連接器的適配器和線纜。以下介紹結(jié)合傳感器和高速數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)簡單的機(jī)械測量應(yīng)用,。
機(jī)械測量舉例1
圖1顯示了關(guān)于小型三葉冷卻風(fēng)扇的機(jī)械測量現(xiàn)場連接,。
圖1將轉(zhuǎn)速計(jì)，加速度計(jì),，麥克風(fēng)連接到高速數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)小型制冷風(fēng)扇的相關(guān)機(jī)械測量
用于測量的高速數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)為：4個(gè)模擬通道,16位分辨率,60 MS/s采樣率,30 MHz帶寬,。16位分辨率可很好的匹配加速計(jì)和麥克風(fēng)較大的動(dòng)態(tài)范圍。NETBOX顯著優(yōu)勢是通過以太網(wǎng)連接控制,，可放置于離主機(jī)較遠(yuǎn)的地方,。
測量使用了3個(gè)傳感器。首先是一個(gè)光學(xué)轉(zhuǎn)速器,。這個(gè)傳感器感應(yīng)風(fēng)扇軸上的反光條來讀取風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率,。每次旋轉(zhuǎn)反射的光被光電晶體管獲取。 加速度計(jì)是一種振動(dòng)傳感器,，連接到風(fēng)扇罩,。加速器產(chǎn)生一個(gè)與振動(dòng)加速度成比例的電壓輸出。這次測量使用的是一個(gè)壓電加速度,，由壓電陶瓷或石英等材料制成,。這個(gè)傳感器在有限的高端電源電壓(通常±5V)時(shí)，帶有較高的動(dòng)態(tài)范圍和前置放大器較低的噪聲水平,。一個(gè)典型的壓電加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍是在85到110dB.
加速度計(jì)靈敏度定義為每g加速度的輸出電壓,。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用的單位敏感性為100mV/ g。它的帶寬的頻率為10kHz,。這個(gè)帶寬規(guī)范是完全不同于用于電子電路的半功率點(diǎn)或0.707使用低頻率響應(yīng),，是基于30%的帶寬振幅容差制定的。
注意,加速度計(jì)需要一個(gè)電源或前置放大器驅(qū)動(dòng)高速數(shù)據(jù)采集卡輸入,。這些單元通常是電池供電的小化封裝和接地,。加速度計(jì)電源可能還包括信號(hào)處理功能,如放大、過濾和積分,。使用積分可將加速度轉(zhuǎn)化為速度,，另一個(gè)積分功能是將速度轉(zhuǎn)換成位移。
加速度計(jì)使用磁鐵固定支架固定在風(fēng)扇罩上,，磁鐵磁性影響換能器的帶寬,。利用螺紋直接固定到測試設(shè)備,會(huì)有好的信號(hào)相應(yīng)，粘合或使用蠟也常用的安裝方法,也會(huì)減少了帶寬.如果測量帶寬低于1kHz,，這些問題可不作考慮,。
圖2 利用高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行制冷風(fēng)扇測量
第三個(gè)傳感器用于測量的麥克風(fēng)，用于讀取聲聲壓,，產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的電壓,。帶寬為100kHz,。它還需要電池供電,20 dB的增益放大器。
傳感器標(biāo)定
盡管傳感器制造商供其產(chǎn)品的標(biāo)定文檔,。許多傳感器可以在使用前使用便攜式標(biāo)定器標(biāo)定,。這些設(shè)備,通常電池供電的。大部分產(chǎn)生已知振幅下固定頻率的正弦波,，如標(biāo)定加速度計(jì)1 g峰值 1 kHz的正弦波或標(biāo)定麥克風(fēng)使用110 db 1 kHz的正弦波,。這些工具故障用于診斷由電纜或電壓損壞造成的系統(tǒng)錯(cuò)誤。
使用傳感器時(shí)有許多細(xì)節(jié)需要注意,。使用前好查閱供應(yīng)商的應(yīng)用手冊(cè),應(yīng)用筆記和相關(guān)建議,。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
高速數(shù)據(jù)采集卡自帶軟件不僅可以顯示獲得的機(jī)械單元的相關(guān)數(shù)據(jù),還提供了相應(yīng)的信號(hào)處理和分析功能。圖3顯示了這次實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集,、分析,、處理操作。
圖3 小型風(fēng)扇的震動(dòng)和聲學(xué)測量
通過左邊信息窗格讀取風(fēng)扇的頻率為27.8Hz(每秒的轉(zhuǎn)速),。這個(gè)頻率讀數(shù)乘以60為風(fēng)扇每分鐘轉(zhuǎn)速,，即為每分鐘1668轉(zhuǎn)(RPM)。同時(shí)統(tǒng)計(jì)顯示小,、大頻率和頻率偏差。由于這個(gè)信號(hào)的時(shí)域視圖有點(diǎn)難以解釋,對(duì)這個(gè)信號(hào)的進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)并顯示在右上角,。
FFT顯示了構(gòu)成加速度信號(hào)的頻率成分,。FFT的頻譜把信號(hào)拆分為各種頻率成分，并可以得出相關(guān)的物理分析,。左邊的峰值出現(xiàn)在27.8Hz,為風(fēng)扇馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率,。也有諧波分量在56 Hz,83 Hz,111Hz和140 Hz。三次諧波在83 Hz也比其他更高,它是葉片通過頻率,。在120 Hz的峰值是由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場導(dǎo)致,，可以看出FFT簡化了對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析。
軟件窗口中心底部顯示了麥克風(fēng)的標(biāo)記聲壓,。數(shù)據(jù)單位為帕斯卡,。通過觀察看到兩個(gè)主要譜線在84和168 Hz，這是葉片通過頻率和二次諧波,。主要的窄帶聲信號(hào)與風(fēng)扇的葉片運(yùn)動(dòng)有關(guān),。低頻機(jī)械振動(dòng)和寬帶的空氣噪聲構(gòu)成了FFT的基線。
高速數(shù)據(jù)采集卡的關(guān)鍵選擇參數(shù)是,有足夠的帶寬,足夠的通道數(shù),和足夠的動(dòng)態(tài)范圍,。工程中選取的北京坤馳科技有限公司的16位分辨率系列高速數(shù)據(jù)采集卡可提供16個(gè)模擬輸入通道,可以支持96dB動(dòng)態(tài)范圍,。其另有兩個(gè)系列產(chǎn)品也都帶有16個(gè)模擬通道也可以使用在這個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中。實(shí)踐表明,，使用一個(gè)Star-Hub模塊可以擴(kuò)展更多的通道,，通道數(shù)多可達(dá)256,。
機(jī)械測量舉例2
圖4是顯示利用高速數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)小型空氣壓縮機(jī)的機(jī)械測量，使用壓力傳感器,加速度計(jì)和麥克風(fēng)測量其內(nèi)部氣缸壓力,、振動(dòng)加速度和聲級(jí),。
圖4 小型空氣壓縮機(jī)內(nèi)部氣缸壓力,、轉(zhuǎn)速、聲壓的測量
壓力傳感器固定在壓縮機(jī)的艙口,，實(shí)現(xiàn)沒有機(jī)械干擾或氣體泄漏的內(nèi)部訪問,。傳感器也是一款陶瓷或晶體材料的壓電傳感器，靈敏度單位是100 mV / psi,。
加速度計(jì)是粘到汽缸上,。應(yīng)用場景將決定安裝方法。傳感器可以粘或者使用磁性支架固定在設(shè)備上,。磁性支架的使用必須有符合所需的測量軸,。此外,傳感器和配件應(yīng)該足夠小和輕便而不影響測量。傳感器的“加載”在機(jī)械測試領(lǐng)域“加載”很像探針加載在電氣測量中,，兩個(gè)都影響測量的準(zhǔn)確性,。
圖5 空氣壓縮機(jī)機(jī)械測試的傳感器配置圖
汽缸壓力的上升是由于壓縮機(jī)輸出端口被關(guān)閉，即增加壓縮機(jī)工作強(qiáng)度導(dǎo)致的,。通過左邊窗格的顯示峰間測量信息可讀取大輸出壓力變化,。
注意,轉(zhuǎn)速計(jì)可用來測量壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，壓力波形很干凈,并提供相應(yīng)信息,。讀出的信息面板提供了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為53.5Hz.
壓力數(shù)據(jù)的FFT出現(xiàn)在左下角網(wǎng)格,53.5Hz的頻率范圍主要包括轉(zhuǎn)速及其諧波,。注意,諧波峰值出現(xiàn)雙峰。這是由于壓縮機(jī)加載時(shí)減速,?；l范圍很小,高次諧波的諧波數(shù)量較多。
圖6 空氣壓縮機(jī)的艙內(nèi)壓力,、轉(zhuǎn)速,、聲壓測量及FFT顯示
圖6的中心頂部網(wǎng)格顯示了加速度計(jì)信號(hào)通道的信號(hào),10mV/g的靈敏度?？煞治龇彘g有效的振動(dòng)信號(hào)的振幅,。從時(shí)域信號(hào)看到,當(dāng)壓縮機(jī)的輸出端口阻塞，會(huì)增加振動(dòng)水平,。加速度信號(hào)的FFT顯示在對(duì)應(yīng)中心的底部網(wǎng)格中,。如壓力頻譜一樣,振動(dòng)光譜由轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其諧波組成。
右上角的網(wǎng)格顯示麥克風(fēng)信號(hào)的聲級(jí),。麥克風(fēng)靈敏度是42mv/Pa,。聲壓級(jí)別保持相對(duì)不變,直到輸出端口關(guān)閉時(shí),，會(huì)略微下降并伴有負(fù)峰。峰值又出現(xiàn)在輸出端口打開時(shí),，麥克風(fēng)用來檢測閥門關(guān)閉的聲壓,。有效(rms)聲級(jí)是記錄為315 mPa,解釋了當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)外殼的非預(yù)期噪聲原因。麥克風(fēng)的頻譜信號(hào)顯示在右下角的網(wǎng)格中,。像其他兩個(gè)信號(hào)頻譜一樣,，由轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其諧波組成。
總結(jié)
機(jī)械測量可以很容易地通過高速數(shù)據(jù)采集卡,、適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱团浼?shí)現(xiàn),。一些簡單的機(jī)械測量的基本設(shè)置和操作以及數(shù)據(jù)分析都可以通過操作軟件實(shí)現(xiàn)，包括設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)測量單位和從原始數(shù)據(jù)提取有用的信息,如轉(zhuǎn)速的變化等,。
