機械設(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。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)行機械測量。

高速數(shù)據(jù)采集卡的選擇

機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態(tài)范圍。表1推薦了幾款符合機械測量的高速數(shù)據(jù)采集卡的型號和相關(guān)參數(shù):

表1 適用于機械測量的高速數(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)傳感器使用時需要電源、信號調(diào)節(jié)和現(xiàn)場布線。傳感器供應(yīng)商會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導(dǎo)致電纜配置有些困難。比如,壓電加速度計的標(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)采集卡的一個簡單的機械測量應(yīng)用。

機械測量舉例1

圖1顯示了關(guān)于小型三葉冷卻風(fēng)扇的機械測量現(xiàn)場連接。

圖1將轉(zhuǎn)速計，加速度計，麥克風(fēng)連接到高速數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)小型制冷風(fēng)扇的相關(guān)機械測量

用于測量的高速數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)為：4個模擬通道,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和麥克風(fēng)較大的動態(tài)范圍。NETBOX顯著優(yōu)勢是通過以太網(wǎng)連接控制，可放置于離主機較遠(yuǎn)的地方。

測量使用了3個傳感器。首先是一個光學(xué)轉(zhuǎn)速器。這個傳感器感應(yīng)風(fēng)扇軸上的反光條來讀取風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動頻率。每次旋轉(zhuǎn)反射的光被光電晶體管獲取。 加速度計是一種振動傳感器，連接到風(fēng)扇罩。加速器產(chǎn)生一個與振動加速度成比例的電壓輸出。這次測量使用的是一個壓電加速度，由壓電陶瓷或石英等材料制成。這個傳感器在有限的高端電源電壓(通常±5V)時，帶有較高的動態(tài)范圍和前置放大器較低的噪聲水平。一個典型的壓電加速度計的動態(tài)范圍是在85到110dB.

加速度計靈敏度定義為每g加速度的輸出電壓。在這個實驗中使用的單位敏感性為100mV/ g。它的帶寬的頻率為10kHz。這個帶寬規(guī)范是完全不同于用于電子電路的半功率點或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,加速度計需要一個電源或前置放大器驅(qū)動高速數(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。加速度計電源可能還包括信號處理功能,如放大、過濾和積分。使用積分可將加速度轉(zhuǎn)化為速度，另一個積分功能是將速度轉(zhuǎn)換成位移。

加速度計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,會有好的信號相應(yīng)，粘合或使用蠟也常用的安裝方法,也會減少了帶寬.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

第三個傳感器用于測量的麥克風(fēng)，用于讀取聲聲壓，產(chǎn)生一個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)錯誤。
   使用傳感器時有許多細(xì)節(jié)需要注意。使用前好查閱供應(yīng)商的應(yīng)用手冊,應(yīng)用筆記和相關(guān)建議。

實驗數(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械單元的相關(guān)數(shù)據(jù),還提供了相應(yīng)的信號處理和分析功能。圖3顯示了這次實驗相應(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)。同時統(tǒng)計顯示小、大頻率和頻率偏差。由于這個信號的時域視圖有點難以解釋,對這個信號的進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)并顯示在右上角。

FFT顯示了構(gòu)成加速度信號的頻率成分。FFT的頻譜把信號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)電動機的旋轉(zhuǎn)磁場導(dǎo)致，可以看出FFT簡化了對振動信號的分析。

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。主要的窄帶聲信號與風(fēng)扇的葉片運動有關(guān)。低頻機械振動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個模擬輸入通道,可以支持96dB動態(tài)范圍。其另有兩個系列產(chǎn)品也都帶有16個模擬通道也可以使用在這個實驗應(yīng)用中。實踐表明，使用一個Star-Hub模塊可以擴展更多的通道，通道數(shù)多可達(dá)256。

機械測量舉例2

圖4是顯示利用高速數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)對小型空氣壓縮機的機械測量，使用壓力傳感器,加速度計和麥克風(fēng)測量其內(nèi)部氣缸壓力、振動加速度和聲級。

圖4 小型空氣壓縮機內(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的艙口，實現(xiàn)沒有機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”在機械測試領(lǐng)域“加載”很像探針加載在電氣測量中，兩個都影響測量的準(zhǔn)確性。

    圖5 空氣壓縮機機械測試的傳感器配置圖

汽缸壓力的上升是由于壓縮機輸出端口被關(guān)閉，即增加壓縮機工作強度導(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)速計可用來測量壓縮機轉(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。這是由于壓縮機加載時減速。基頻范圍很小,高次諧波的諧波數(shù)量較多。

圖6 空氣壓縮機的艙內(nèi)壓力、轉(zhuǎn)速、聲壓測量及FFT顯示

圖6的中心頂部網(wǎng)格顯示了加速度計信號通道的信號,10mV/g的靈敏度。可分析峰間有效的振動信號的振幅。從時域信號看到,當(dāng)壓縮機的輸出端口阻塞，會增加振動水平。加速度信號的FFT顯示在對應(yīng)中心的底部網(wǎng)格中。如壓力頻譜一樣,振動光譜由轉(zhuǎn)動頻率及其諧波組成。

右上角的網(wǎng)格顯示麥克風(fēng)信號的聲級。麥克風(fēng)靈敏度是42mv/Pa。聲壓級別保持相對不變,直到輸出端口關(guān)閉時，會略微下降并伴有負(fù)峰。峰值又出現(xiàn)在輸出端口打開時，麥克風(fēng)用來檢測閥門關(guān)閉的聲壓。有效(rms)聲級是記錄為315 mPa,解釋了當(dāng)壓縮機運行時外殼的非預(yù)期噪聲原因。麥克風(fēng)的頻譜信號顯示在右下角的網(wǎng)格中。像其他兩個信號頻譜一樣，由轉(zhuǎn)動頻率及其諧波組成。

總結(jié)

機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崿F(xiàn)。一些簡單的機械測量的基本設(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。