作為從小騎自行車、在地板上推玩具長大的人類,我們本能地理解物體因外力而產(chǎn)生的加速度。振動數(shù)據(jù)及其衍生參數(shù)(例如 加速度、沖擊和位移) 在許多應(yīng)用中極其重要。
振動 可以被認(rèn)為是物體圍繞平衡位置的振蕩或重復(fù)運動,其中作用在其上的力為零。
振動通常是由于制造公差、間隙、機器零件之間的滾動和摩擦接觸以及旋轉(zhuǎn)和往復(fù)構(gòu)件中的不平衡力的動態(tài)影響而發(fā)生的。通常,微小的、無關(guān)緊要的振動會激發(fā)其他一些結(jié)構(gòu)部件的共振頻率,并被放大為主要的振動和噪聲源。這就是監(jiān)測振動如此重要的原因。
輪胎振動
振動體描述圍繞參考位置的振蕩運動。一秒鐘內(nèi)發(fā)生完整運動周期的次數(shù)稱為頻率,以 赫茲 (Hz)為單位。
該運動可以由以單一頻率發(fā)生的單個分量組成,如音叉,也可以由同時以不同頻率發(fā)生的多個分量組成,如內(nèi)燃機的活塞運動。
在下圖中,我們可以看到音叉的運動。音叉是一種兩叉叉形式的聲學(xué)諧振器。當(dāng)通過撞擊表面或物體而使其振動時,它會以特定的恒定音調(diào)產(chǎn)生共振,并發(fā)出純凈的音樂音調(diào)。
音叉
加速度 計 是一種測量加速度的裝置。典型的加速度計就像安裝在彈簧上的阻尼質(zhì)量。當(dāng)受到加速度時,該質(zhì)量會移動。測量該位移并將其轉(zhuǎn)換為有用的單位。
? 振動: 當(dāng)物體圍繞平衡位置執(zhí)行振蕩運動時,稱其振動。振動存在于運輸和航空航天環(huán)境中或通過振動臺系統(tǒng)模擬。
? 沖擊: 結(jié)構(gòu)的突然瞬態(tài)激勵,通常會激發(fā)結(jié)構(gòu)的共振。
? 運動: 運動是緩慢移動的事件,例如機械臂的運動或汽車懸架測量。
? 地震: 這更多的是一種運動或低頻振動。這種測量通常需要專門的低噪聲高分辨率加速度計。
? 力量
? 傾角
我們可以從加速度中得出幾個重要的值。例如,如果我們知道物體的質(zhì)量 (m),我們可以將其乘以它的加速度 (a),從而得出力 (F):
盡管加速度計的類型很多 ,采用的技術(shù)不同,規(guī)格和應(yīng)用等因素也大不相同,但我們可以根據(jù)是否可以測量靜態(tài)加速度將這些傳感器分為兩大類:
? 交流加速度計:充電和 IEPE 加速度計,
? 直流加速度計:電容式、壓阻式和 MEMS 加速度計。
根據(jù)定義,這些傳感器用于 測量動態(tài)事件。換句話說,它們不能測量 直流或靜態(tài)加速度,而只能測量加速度的變化。
振動通常是高頻信號,需要高速數(shù)據(jù)采集。這就是為什么相對低速的數(shù)據(jù)記錄器不用于這些測量。這些傳感器使用了不同的技術(shù),每種技術(shù)都適合特定的應(yīng)用和環(huán)境。
壓電加速度計 利用了 皮埃爾·居里和雅克·居里于 1880 年發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng) 。他們觀察到某些材料,尤其是晶體和陶瓷,會在受到壓力時產(chǎn)生電荷或電壓。他們進一步發(fā)現(xiàn),這種響應(yīng)與施加的應(yīng)力呈線性關(guān)系。 “piezo”一詞源自希臘語“piezein”,意思是“擠壓”。
目前有兩種 流行的交流加速度 傳感器:
? 電荷加速度計傳感器
? IEPE 加速度計傳感器
重要的是直流加速度計可以精確測量靜態(tài)(DC)加速度。還需要注意的是,直流加速度計 還可以測量 動態(tài) (AC) 振動,但通常不具有交流加速度計的高帶寬。交流加速度計 專為動態(tài)測量應(yīng)用而設(shè)計。
在大多數(shù)情況下,動態(tài) (AC) 加速度計根本無法測量 DC 加速度。但其中一些具有可設(shè)置的時間常數(shù),允許在短時間內(nèi)測量直流加速度。
目前有幾種流行的 直流加速度計類型:
? 電容式加速度計
? 壓阻式加速度計
? MEMS 加速度計
請注意,MEMS 可以指內(nèi)部的電容式或壓阻式傳感器技術(shù)。但將它們列在這里很重要,因為它們在市場上被稱為傳感器類型。
讓我們詳細了解一下每種類型的交流和直流加速度計。
在經(jīng)典的電荷傳感器中,位移軸上的加速度引起的應(yīng)力會產(chǎn)生帶電離子流,其強度根據(jù)加速度的大小而變化。在傳感器內(nèi)部,一塊壓電材料(通常是石英或壓電陶瓷)位于固定質(zhì)量旁邊。當(dāng)傳感器外殼沿測量軸受到加速度時,質(zhì)量塊對壓電材料的應(yīng)力或“擠壓”效應(yīng)會引起材料的電荷輸出。該電荷可以使用 DAQ 系統(tǒng)進行測量。
典型充電模式加速度計
電荷傳感器具有高阻抗輸出,需要特殊的充電模式信號調(diào)節(jié)器,例如 Dewesoft 的 SIRIUS CHG 電荷放大器。
電荷型加速度計具有極高的帶寬、動態(tài)范圍和非常寬的溫度工作范圍。
電荷傳感器需要特殊的低噪聲布線,因為高阻抗電荷信號非常容易受到 RF(射頻)和 EM(電磁)干擾。移動電纜會對信號產(chǎn)生噪聲,因此在布線時必須非常小心(即使扎帶的微小壓力也會產(chǎn)生噪聲)。
優(yōu)點 | 缺點 |
無需電源 | 需要昂貴的信號調(diào)節(jié)器 |
耐用且工作溫度范圍寬 | 需要昂貴的低噪音電纜 |
無噪音 | 僅限于動態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)測量應(yīng)用 |
最高分辨率 | 無法測量靜態(tài)加速度 |
優(yōu)異的動態(tài)特性 | |
極其線性的輸出 | |
耐高溫(500℃以上) | |
非常高的沖擊幅度范圍 | |
可以設(shè)計更小的傳感器 |
? 汽車測試
? 航空航天和國防測試
? 高帶寬應(yīng)用
? 跌落測試
? 自由落體測試
? 基于狀態(tài)的監(jiān)測
? 高溫應(yīng)用
為了解決這個布線和噪聲問題,工程師們想出了如何將微型放大器集成到傳感器外殼本身中。該放大器將高阻抗輸出轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出,這樣更容易通過成本更低、長度更長的電纜進行發(fā)送。
它還大大降低了其對射頻和電磁干擾的敏感性。這些傳感器被稱為 IEPE 傳感器,因為它們具有集成電子元件。該縮寫詞的意思是“集成電子、壓電”。
在傳感器內(nèi)部,一塊 壓電材料 (通常是石英或壓電陶瓷)位于固定質(zhì)量旁邊。當(dāng)傳感器外殼沿測量軸受到加速度時,質(zhì)量塊對壓電材料的應(yīng)力或“擠壓”效應(yīng)會從材料中感應(yīng)出電荷輸出,從而可以測量該電荷。該部分與電荷傳感器完全相同 - 不同之處在于 IEPE 傳感器額外包括一個信號放大器。
質(zhì)量塊對壓電元件施加壓縮力的壓縮式壓電加速度計
值得注意的是,PCB Piezotronics 公司也使用其專有的縮寫 ICP?來指代這些傳感器,他們將其定義為“集成電路,壓電”。 ICP 是 PCB Group, Inc. 的注冊商標(biāo))。
質(zhì)量塊對壓電元件施加剪切力的剪切型壓電加速度計
與不需要外部電源的電荷傳感器不同,這些 IEPE 傳感器內(nèi)的微型集成放大器必須供電。此外,放大器僅存在于傳感器內(nèi)確實會增加少量質(zhì)量,但更重要的是,它會大大降低傳感器的工作溫度范圍。傳感器電源必須由外部 IEPE 信號調(diào)節(jié)器提供,該 信號調(diào)節(jié)器在信號線上創(chuàng)建恒定電流源。
由于 IEPE 傳感器用于測量動態(tài)而非靜態(tài)加速度,因此直流電源電壓對讀數(shù)沒有影響。用于 IEPE 傳感器的信號調(diào)節(jié)器通常比用于 CHARGE 傳感器的信號調(diào)節(jié)器便宜。它基本上只是一個電壓調(diào)節(jié)器,可以提供可選的恒定電流激勵來為傳感器供電。
優(yōu)點 | 缺點 |
無論電纜長度和電纜質(zhì)量如何,固定靈敏度 | 需要恒流激勵(減少電池工作時間) |
輸出信號越高意味著噪聲越少 | 工作溫度范圍上限大約為 120°C |
更長的電纜沒問題 | 它不能測量靜態(tài)信號 |
需要較便宜的 IEPE 信號調(diào)節(jié)器 | 固有噪聲源 |
出色的動態(tài)響應(yīng) | |
低阻抗輸出可通過長電纜傳輸 | |
能夠承受更好的惡劣條件,例如灰塵和濕度 | |
固有自檢功能 |
? 汽車測試
? 航空航天和國防測試
? 高帶寬應(yīng)用
? 跌落測試
? 自由落體測試
? 基于狀態(tài)的監(jiān)測
電容式加速度計通常在低頻范圍內(nèi)提供卓越的性能。在傳感器外殼內(nèi)部,兩個平行板電容器以差動模式運行。連接了兩個額外的固定值電容器,所有四個電容器都連接為全橋。
這些結(jié)構(gòu)緊密排列在傳感器外殼內(nèi),當(dāng)受到加速度時,它們之間的間隙會產(chǎn)生小電容。電橋電路的輸出隨著電容的變化而線性變化。
典型的電容式(和 MEMS)加速度計由可移動的檢測質(zhì)量塊和連接到參考系的機械懸掛系統(tǒng)上的板組成,如下圖所示
通過使用散布的“梳”齒結(jié)構(gòu)來檢測電容,提高了該傳感器的精度。這些可以通過多種方式安排。因此,這些傳感器可以測量動態(tài)(AC)和靜態(tài)(DC)加速度。
優(yōu)點 | 缺點 |
可測量交流和直流加速度 | 壓電電荷和 IEPE 傳感器缺乏高帶寬 |
可以做得非常小且便宜(精度有些有限) | 特別是電荷傳感器缺乏高工作沖擊和溫度范圍 |
電容式加速度計可以做得非常小且成本低廉,因此可用于許多商業(yè)和消費應(yīng)用。其中一些包括:
? 手機,用于為用戶“向上”定位屏幕、突然減速或加速(碰撞檢測)
? 用于展開安全氣囊的汽車,
? 視頻游戲控制器的姿態(tài)檢測,
? 無人機
? 還有更多應(yīng)用
直流加速度計的另一種流行技術(shù)是基于壓阻技術(shù)。壓阻式加速度計不像壓電傳感器那樣使用晶體或陶瓷元件,而是使用應(yīng)變計來檢測加速度。這使得傳感器能夠 測量 高達約 6 至 8 kHz 的靜態(tài) (DC) 和動態(tài) (AC) 加速度。質(zhì)量的內(nèi)部阻尼可以通過流體或氣體來實現(xiàn)。
典型壓阻式加速度計
典型的壓阻式加速度計的輸出是差分的,在噪聲性能方面良好。 通常需要高質(zhì)量的 應(yīng)變儀信號調(diào)節(jié)器,例如 SIRIUS STG 型。其中一些傳感器設(shè)計用于在高沖擊應(yīng)用中表現(xiàn)良好,并且可以測量高于 10.000 g 的重量。
優(yōu)點 | 缺點 |
非常適合速度和位移應(yīng)用,因為它們的直流輸出比交流輸出傳感器更好地避免積分和雙重積分誤差 | 不太適合動態(tài)應(yīng)用 |
可測量低至 0 Hz | 由于內(nèi)部電子元件的限制,溫度工作范圍有限 |
可以測量靜態(tài)角度 | 上限帶寬僅限于低 kHz 范圍 |
差分輸出 |
? 汽車測試
? 航空航天和國防測試
? 高沖擊測量
? 各種非動態(tài)沖擊和振動測量
除了上面提到的機械加速度計之外,還有機電傳感器(又名 MEMS)可用。由于 CHARGE 和 IEPE 傳感器通常以 0.3 Hz 至 10 Hz 開始測量,因此它們無法進行靜態(tài)或極低頻測量。微機電系統(tǒng)傳感器 (MEMS) 是一個很好的解決方案。
MEMS 加速度計有單軸和三軸版本。
優(yōu)點 | 缺點 |
非常適合靜態(tài)/低頻測量(可以測量低至 0 Hz) | 由于內(nèi)部電子元件的限制,溫度工作范圍有限 |
可以測量靜態(tài)角度 | 上限帶寬僅限于低 kHz 范圍 |
振幅范圍限制為 400 g |
? 抗震工作
? 結(jié)構(gòu)監(jiān)測
? 陀螺儀定位系統(tǒng)
? 汽車測試
? 安全氣囊測試
加速度計類型 | 優(yōu)點 | 缺點 |
IEPE 加速度計 | 固定靈敏度,與電纜長度和電纜質(zhì)量無關(guān) 更高的輸出信號意味著更少的噪聲 更長的電纜也沒有問題 測量系統(tǒng)中需要較便宜的 IEPE 信號調(diào)節(jié)器 出色的動態(tài)響應(yīng) 低阻抗輸出可以通過長電纜傳輸 能夠承受更好的惡劣條件,例如污垢和濕度 固有自檢功能 | 需要恒流激勵(減少電池工作時間) 工作溫度范圍上限大約為 120°C 無法測量靜態(tài)信號 固有噪聲源 |
充電加速度計 | 無需電源 設(shè)計簡單,最耐用、最寬的工作溫度范圍 無噪音、最高分辨率 出色的動態(tài)特性 極其線性的輸出 能夠承受高溫環(huán)境(超過 500°C) 極高的沖擊幅度范圍 可以設(shè)計更小的傳感器 | 它們需要相對昂貴的信號調(diào)節(jié)器 易受噪聲影響,因此電纜長度必須短(< 10m) 需要低噪聲電纜,價格昂貴 僅限于動態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)測量應(yīng)用 無法測量靜態(tài)加速度 |
電容式加速度計 | 可以測量交流和直流加速度 可以做得非常小且便宜(精度有些有限) | 壓電電荷和 IEPE 傳感器缺乏高帶寬。特別是電荷傳感器缺乏高工作沖擊和溫度范圍 |
壓阻式加速度計 | 非常適合速度和位移應(yīng)用,因為它們的直流輸出比交流輸出傳感器更好地避免積分和雙積分誤差 它可以測量低至 0 Hz) 它可以測量靜態(tài)角度 差分輸出 | 不太適合動態(tài)應(yīng)用 由于內(nèi)部電子器件,溫度工作范圍有限 上帶寬限于低 kHz 范圍 |
MEMS 加速度計 | 靜態(tài)/低頻測量的理想選擇 它可以測量靜態(tài)角度 | 由于內(nèi)部電子器件,溫度工作范圍有限 上帶寬限制為低 kHz 范圍 幅度范圍限制為 400 g |
有多種傳感器設(shè)計用于測量振動和沖擊。選擇傳感器時您應(yīng)該問自己的最重要的問題是:
? 接地隔離
? 靈敏度
? 低頻范圍
? 帶寬
? 幅度范圍
? 殘余噪音水平
? 溫度范圍
? 重量
? 接地環(huán)路
? 電纜噪音
? TEDS 兼容性
當(dāng)被測物體導(dǎo)電且處于接地電位時非常重要。儀器和加速度計之間的接地電壓電平差異可能會導(dǎo)致接地環(huán)路,從而導(dǎo)致錯誤的數(shù)據(jù)讀數(shù)。
理想情況下,我們希望有高輸出電平,但高靈敏度通常需要相對較大、較重的傳感器。幸運的是,這不是一個關(guān)鍵問題,因為現(xiàn)代 Dewesoft 前置放大器是為處理低電平信號而設(shè)計的。
傳感器的高通截止頻率必須低于您要測量的頻率。例如,在造紙廠中以 1 至 5 Hz 的頻率進行測試意味著您需要帶寬為 0.3 Hz(或更低)的傳感器。對于這些應(yīng)用,充電或 IEPE 是最合適的。如果您需要測量靜態(tài)加速度,則需要不同的傳感器技術(shù),例如電容式或 MEMS。
這是傳感器的(上)帶寬。小質(zhì)量加速度計可提供高達 180 kHz 的諧振頻率,但對于較大、輸出較高的通用加速度計,典型諧振頻率為 20 至 30 kHz。
電荷傳感器提供大振幅范圍(專門設(shè)計的震動傳感器可以具有超過 100,000 g 的振幅范圍?。?IEPE 傳感器也相當(dāng)高(高達 1000 g)。 MEMS 傳感器的范圍通常非常有限(最多幾百克)。對于大多數(shù)應(yīng)用,IEPE 傳感器都很好,而對于高振幅水平,電荷傳感器更好。
這定義了傳感器可以測量的最低幅度水平。我們應(yīng)該采用具有最佳測量范圍的傳感器,因為具有較高范圍的傳感器也會具有較高的噪聲水平。
IEPE 傳感器具有非常高的動態(tài)范圍。電荷傳感器類似,但我們需要考慮到電纜中很容易產(chǎn)生噪聲。電容式和 MEMS 傳感器的動態(tài)范圍較小。
所有傳感器(包括電子器件)的 高溫范圍有限,最高可達 130°C。電荷傳感器的溫度范圍要高得多 - 甚至高達 500°C。但請注意,這也需要高溫電纜。
所有壓電材料都與溫度相關(guān),因此環(huán)境溫度的任何變化都會導(dǎo)致加速度計靈敏度的變化。當(dāng)測量環(huán)境中出現(xiàn)微小的溫度波動(稱為溫度瞬變)時,壓電加速度計也會表現(xiàn)出不同的輸出。這通常僅在測量非常低水平或低頻振動時才會出現(xiàn)問題。
現(xiàn)代 剪切式加速度計 對溫度瞬變的敏感性非常低。當(dāng)加速度計固定在溫度高于250°C的表面時,可以在底座和測量表面之間插入散熱器和云母墊圈。當(dāng)表面溫度為 350 至 400°C 時,通過這種方法可以將加速度計底座保持在 250°C 以下。冷卻空氣流可以提供額外的幫助。
MEMS 傳感器溫度范圍受內(nèi)部電子器件限制(-40°C 至 125°C)。
在模態(tài)測試中,由于質(zhì)量載荷效應(yīng),重量可能是一個重要因素。我們添加到結(jié)構(gòu)中的任何質(zhì)量都會改變其動態(tài)行為。作為一般規(guī)則,傳感器質(zhì)量不應(yīng)超過其所安裝的振動部件動態(tài)質(zhì)量的十分之一。
還有其他考慮因素。例如電纜噪聲、溫度范圍、橫向振動等。整本教科書都討論了這個主題,包括這些傳感器的安裝,這對于獲得良好的結(jié)果至關(guān)重要。需要了解的重要一點是,Dewesoft 硬件和軟件經(jīng)過徹底設(shè)計,可幫助您從振動/加速測試中獲得最佳結(jié)果。
傳感器類型有很多種,每種類型的制造商也有很多型號。但在本節(jié)中,我們將重點關(guān)注世界各地絕大多數(shù)應(yīng)用程序中使用的主要類型。
由于加速度計和測量設(shè)備分別接地,因此接地環(huán)路電流可以在加速度計電纜的屏蔽層中流動。通過使用隔離傳感器、隔離放大器或通過隔離螺柱將加速度計基座與安裝表面電隔離來斷開接地環(huán)路。
由于輸出阻抗較高,電纜噪聲主要是壓電加速度計的問題。這些干擾可能是由摩擦電噪聲或電磁噪聲引起的。摩擦電噪聲通常是由電纜本身的機械運動引入加速度計電纜中的。它源于由于構(gòu)成電纜的各層的動態(tài)彎曲、壓縮和張力而導(dǎo)致的局部容量和電荷變化。通過使用適當(dāng)?shù)氖铀俣扔嬰娎|并將其盡可能靠近加速度計粘貼或粘合,可以避免此問題。
當(dāng)加速度計電纜放置在運行機械附近時,通常會在加速度計電纜中感應(yīng)出電磁噪聲。
有些傳感器內(nèi)部有 TEDS 芯片,可以通過兼容的數(shù)據(jù)采集儀器以電子方式識別它們。 TEDS(傳感器電子數(shù)據(jù)表)是符合 IEEE 1451 和 IEEE 1588 的標(biāo)準(zhǔn)接口。它存儲有關(guān)設(shè)備的重要信息。
借助兼容的 Dewesoft 信號調(diào)節(jié)器和 Dewesoft X 軟件,TEDS 傳感器以“即插即用”方式運行。信號調(diào)節(jié)器讀取有關(guān)傳感器的信息,并自動設(shè)置適當(dāng)?shù)脑鲆?、縮放比例、工程單位和其他傳感器設(shè)置。
使用大量傳感器的工程師發(fā)現(xiàn) TEDS 技術(shù)在設(shè)置大規(guī)模測試時可以節(jié)省大量時間。 TEDS 自動化還可以防止人為錯誤。
傳感器可以以不同的方式安裝。傳感器的帶寬對其安裝方式特別敏感。將加速度計安裝到測量點的方法是從實際振動測量中獲得準(zhǔn)確結(jié)果的最關(guān)鍵因素之一。安裝不當(dāng)會導(dǎo)致安裝諧振頻率降低,從而嚴(yán)重限制加速度計的有用頻率范圍。
? 螺柱: 最好在測試樣本上鉆一個孔,然后用螺釘將傳感器固定到表面。這不應(yīng)影響任何傳感器屬性。顯然,在某些情況下,客戶可能不會特別高興這樣做,例如,對于他全新的飛機機翼原型。
? 粘合劑: 另一種安裝方式,對帶寬影響不大,是薄雙面膠帶或蜂蠟(這受到其溫度范圍的限制)。
? 磁鐵: 一種廣泛使用的機器診斷安裝技術(shù)是將傳感器安裝在磁鐵上。這仍然會產(chǎn)生良好的帶寬,但當(dāng)然,表面必須是鐵磁的(不是鋁或塑料)。在可以使用安裝夾的傳感器上,我們可以將安裝夾粘在前面,然后直接連接傳感器本身。
一種快速但骯臟的解決方案也是用手按住傳感器。這對于一些難以到達的地方很有用,但帶寬會被削減到 1 - 2 kHz。
加速度計的安裝方式應(yīng)使所需的測量方向與其主靈敏度軸一致。加速度計對橫向振動也稍微敏感,但這通??梢院雎?,因為橫向靈敏度通常小于主軸靈敏度的 1%。
下圖顯示了不同安裝方法的帶寬減少:
不同安裝方法導(dǎo)致的帶寬減少
前面幾節(jié)提到了加速度計的一些關(guān)鍵 振動測量應(yīng)用。這是一個簡短的摘要,以及一些附加信息。
測試類型 | CHARGE | IEPE | 電容式 | 電阻式 | 微機電系統(tǒng) |
按行業(yè)領(lǐng)域 | |||||
汽車測試 | √ | √ | √* | √ | √* |
航空航天和軍事測試 | √ | √ | √ | √* | |
跌落測試 | √ | √ | √ | ||
自由落體測試 | √ | √ | √ | ||
機器狀態(tài)監(jiān)測 | √ | √ | √* | √* | |
消費品(手機、視頻游戲 | √ | √ | |||
無人機 | √ | √ | |||
陀螺儀/定位 | √ | ||||
結(jié)構(gòu)測試 | √ | √ | √ | ||
地震研究 | √ | ||||
按績效標(biāo)準(zhǔn) | |||||
高溫 | √ | ||||
高帶寬 | √ | √ |
* 在他們的帶寬范圍內(nèi)
? SG-LINK-200 三通道無線應(yīng)變/模擬傳感器
? BeanAir BeanDevice 2.4GHz AX-3D -SR 無線超低噪聲振動傳感器
? BeanAir BeanDevice 2.4GHz AX-3D XRange 無線物聯(lián)網(wǎng)振動傳感器