使用虹科數(shù)字化儀進(jìn)行機(jī)械測量

使用模塊化數(shù)字化儀對機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行測量需要使用各種傳感器，以便將機(jī)械參數(shù)（例如力、加速度、壓力、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換為您可以測量的電信號。本文將介紹如何使用模塊化數(shù)字化儀進(jìn)行機(jī)械測量。

數(shù)字化儀的選擇

表 1：與機(jī)械測量最兼容的頻譜數(shù)字化儀和digitizerNETBOX 系列

機(jī)械測量所需的帶寬通常在 100 kHz 以下。 因此需要數(shù)字化儀達(dá)到 200 kHz 或更高的采樣率，分辨率應(yīng)為 16 位，以匹配常用壓電傳感器的動態(tài)范圍。表 1 總結(jié)與機(jī)械測量所需參數(shù)最匹配的虹科數(shù)字化儀：

傳感器

傳感器具有多種外形尺寸和互連類型可供選擇。它們提供成熟的技術(shù)并具有可靠性，通常用于發(fā)育測量。較新的微機(jī)電 (MEM) 傳感器采用更小的封裝，成本更低，適用于大眾市場應(yīng)用。傳感器的選擇取決于具體應(yīng)用。考慮因素包括動態(tài)范圍（測量參數(shù)的最大值和最小值）、帶寬、環(huán)境（潮濕、干燥、易爆……）、負(fù)載（傳感器如何影響測量）、互連方法和成本等。

大多數(shù)傳感器需要電源、信號調(diào)節(jié)和電纜才能使用。傳感器供應(yīng)商擁有將傳感器連接到數(shù)字化儀或其他測量儀器的所有必要硬件。布線可能有點(diǎn)麻煩，因?yàn)樵S多傳感器使用不常見的連接器。以壓電加速度計(jì)為例，標(biāo)準(zhǔn)連接器是使用 10-32 螺紋的微點(diǎn)同軸連接器。傳感器制造商提供適配器和電纜，讓您使用更熟悉的 BNC 連接器。讓我們看一個簡單的機(jī)械測量案例，看看傳感器如何與數(shù)字化儀一起使用。

機(jī)械測量示例 #1

圖 1 顯示了對小型三葉片冷卻風(fēng)扇進(jìn)行基本機(jī)械測量時(shí)使用的連接圖。

圖 1：將轉(zhuǎn)速計(jì)、加速度計(jì)和儀器麥克風(fēng)連接到數(shù)字化儀，以對小型冷卻風(fēng)扇進(jìn)行基本機(jī)械測量。

用于此測量的數(shù)字化儀是虹科 digitizerNETBOX  型號 DN2.596-04，具有 4 個模擬通道、16 位分辨率、80 MS/s 采樣率和 40 MHz 帶寬。16 位分辨率非常適合加速度計(jì)和麥克風(fēng)的大動態(tài)范圍。 NETBOX 的一個顯著優(yōu)勢是它可以遠(yuǎn)離主機(jī)，通過以太網(wǎng)鏈路連接。

此測量使用三個傳感器。第一個是光學(xué)轉(zhuǎn)速計(jì)。該傳感器通過將光線從傳感器發(fā)射到風(fēng)扇輪轂上的反射條來讀取風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)頻率。反射光被光電晶體管接收并產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一次的脈沖。

加速度計(jì)是一種振動傳感器，它安裝在風(fēng)扇外殼上。加速度計(jì)產(chǎn)生與振動加速度成比例的電壓輸出。該測量中使用的設(shè)備是壓電加速度計(jì)，它使用已知質(zhì)量來壓縮壓電元件，例如陶瓷或石英元件。這會產(chǎn)生一個動態(tài)范圍相對較高的傳感器，其高端受電源電壓（通常為 ± 5 V）限制，而低端受前置放大器噪聲水平的限制。典型壓電加速度計(jì)的動態(tài)范圍約為 85 至 110 dB。正如我們將要看到的那樣，大多數(shù)實(shí)際測量結(jié)果會導(dǎo)致動態(tài)范圍較低。

加速度計(jì)靈敏度指定每克加速度的輸出電壓，本實(shí)驗(yàn)中使用的單位具有 100 mV/g 的靈敏度。根據(jù)輸出超出低頻輸出電平 5% 的頻率，它具有 10 kHz 的帶寬。此帶寬規(guī)格與電子電路中使用的帶寬規(guī)格完全不同，在電子電路中使用半功率點(diǎn)或 0.707 的低頻響應(yīng)，這是帶寬的 30% 幅度容差。

請注意，加速度計(jì)需要電源/前置放大器來驅(qū)動數(shù)字化儀輸入。這些裝置通常由電池供電，以最大限度地減少拾取和接地環(huán)路。加速度計(jì)電源還可能包括信號處理功能，例如放大、濾波和集成。集成裝置用于將加速度轉(zhuǎn)換為速度，第二個集成將速度轉(zhuǎn)換為位移，還可以在數(shù)字化儀的輸出端以數(shù)字方式執(zhí)行集成。

圖2:冷卻風(fēng)扇機(jī)械測量測試設(shè)置

加速度計(jì)使用磁性支架連接到風(fēng)扇外殼。安裝會影響傳感器的帶寬，直接安裝，將加速度計(jì)擰入被測設(shè)備，可產(chǎn)生最佳響應(yīng)。膠合或使用蠟也是常用的安裝方法，同樣會降低帶寬。由于此測量中遇到的信號帶寬低于 1 kHz，因此可以忽略這個問題。

此測量中使用的第三個傳感器是儀器麥克風(fēng)。該傳感器讀取聲壓并產(chǎn)生與該壓力成比例的電壓。本應(yīng)用中使用的裝置具有 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(fēng)放置在遠(yuǎn)離風(fēng)扇氣流的軸上，以最大限度地減少風(fēng)扇輸出氣流中壓力變化的直接拾取，這種方法是測量聲壓級而不是風(fēng)扇氣流中的壓力變化。

傳感器校準(zhǔn)

盡管傳感器制造商為其產(chǎn)品提供校準(zhǔn)文件，但許多機(jī)械傳感器可以在使用前使用便攜式校準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)。這些設(shè)備通常由電池供電，重量輕且結(jié)構(gòu)緊湊。大多數(shù)產(chǎn)生已知振幅的固定頻率正弦波形，例如加速度計(jì)在 1 kHz 時(shí)的 1 g 峰值或麥克風(fēng)在 1 kHz 時(shí)的 110 dB 峰值。這些是用于解決由損壞的電纜或電源引起的系統(tǒng)錯誤的有用工具。

使用傳感器時(shí)會出現(xiàn)很多細(xì)節(jié)。在為特定測量選擇傳感器時(shí)，最好參考供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表、應(yīng)用說明和建議。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

digitizerNETBOX 使用 虹科 的SBench6軟件進(jìn)行控制。這是一個功能齊全的軟件工具，用于使用數(shù)字化儀采集數(shù)據(jù)。它不僅可以以適當(dāng)?shù)臋C(jī)械單位比例顯示采集的數(shù)據(jù)，而且還提供了大量用于分析的信號處理和測量工具。圖 3 顯示了本實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的采集、分析和測量示例。

圖 3：測量帶有轉(zhuǎn)速計(jì)、加速度計(jì)和麥克風(fēng)的小型冷卻風(fēng)扇的振動和聲學(xué)特性。

此 SBench 6 屏幕圖像顯示最左側(cè)網(wǎng)格中的轉(zhuǎn)速計(jì)輸出。該波形由風(fēng)扇每轉(zhuǎn)一圈的一個脈沖組成。通過測量該信號的頻率來讀取風(fēng)扇速度。該圖左側(cè)中心信息窗格中的頻率讀數(shù)將此頻率讀取為 27.8 Hz（每秒轉(zhuǎn)數(shù)）。將該頻率讀數(shù)乘以 60 得出風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為 1668 轉(zhuǎn)每分鐘 (RPM)。顯示頻率最小值、最大值和偏差的統(tǒng)計(jì)讀數(shù)顯示在頻率讀數(shù)下方。

加速度計(jì)輸出出現(xiàn)在標(biāo)有“加速度計(jì)輸出”的上部中央網(wǎng)格中。已使用模擬通道設(shè)置的自定義刻度以直接讀取 g's。信號峰峰值和有效 (rms) 振幅的測量值出現(xiàn)在“信息”窗格中，計(jì)算該信號的快速傅立葉變換 (FFT) 顯示在右上角的顯示網(wǎng)格中。

FFT 顯示構(gòu)成加速度信號的頻率分量。FFT 的頻域或頻譜視圖提供更容易的物理解釋，因?yàn)樗蛛x了各種頻率分量。最左邊的峰值出現(xiàn)在 27.8 Hz，即風(fēng)扇電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率。在 56、83、111 和 140 Hz 處也有諧波分量。83處的三次諧波高于其他，因?yàn)樗彩侨~片通過頻率。當(dāng)三個風(fēng)扇葉片都經(jīng)過風(fēng)扇外殼中支撐電機(jī)的固定支柱時(shí)，它們會在框架中引起振動。120 Hz 處的大峰值是由于感應(yīng)電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)磁場引起了振動。因此 FFT 簡化了振動信號的分析。

麥克風(fēng)輸出顯示在標(biāo)記為聲壓的中心底部網(wǎng)格中。該數(shù)據(jù)也已重新調(diào)整，以便以壓力單位讀取，即帕斯卡?！靶畔ⅰ贝案裰械臏y量顯示該信號的峰峰值和有效幅度。與振動信號的情況一樣，聲學(xué)的 FFT 提供了大量的物理洞察力。請注意，葉片通過頻率及其二次諧波時(shí)，兩條主要譜線位于 84 和 168 Hz。主要的窄帶聲音信號與風(fēng)扇葉片的運(yùn)動有關(guān)。低頻機(jī)械振動和寬帶“空氣噪聲”構(gòu)成了該 FFT 的升高基線。

總結(jié)

選擇數(shù)字化儀的關(guān)鍵是它具有足夠的帶寬、通道數(shù)量等于或大于您將進(jìn)行的測量數(shù)量，以及足夠的動態(tài)范圍來處理傳感器。具有 16 位分辨率的虹科digitizerNETBOX 可以支持理論上高達(dá) 96 dB 的動態(tài)范圍。型號最多可提供 16 個模擬輸入通道。模塊化數(shù)字化儀，如虹科M2p.59xx 系列，具有多達(dá) 88 個模擬通道，也可用于此應(yīng)用。對于更多數(shù)量的通道，Star-Hub 模塊可用于鏈接多達(dá) 16 個模塊化數(shù)字化儀，提供多達(dá) 256 個模擬通道。