使用虹科數字化儀進行機械測量

使用模塊化數字化儀對機械設備和系統進行測量需要使用各種傳感器，以便將機械參數（例如力、加速度、壓力、轉速等）轉換為您可以測量的電信號。本文將介紹如何使用模塊化數字化儀進行機械測量。

數字化儀的選擇

表 1：與機械測量最兼容的頻譜數字化儀和digitizerNETBOX 系列

機械測量所需的帶寬通常在 100 kHz 以下。 因此需要數字化儀達到 200 kHz 或更高的采樣率，分辨率應為 16 位，以匹配常用壓電傳感器的動態范圍。表 1 總結與機械測量所需參數最匹配的虹科數字化儀：

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并具有可靠性，通常用于發育測量。較新的微機電 (MEM) 傳感器采用更小的封裝，成本更低，適用于大眾市場應用。傳感器的選擇取決于具體應用。考慮因素包括動態范圍（測量參數的最大值和最小值）、帶寬、環境（潮濕、干燥、易爆……）、負載（傳感器如何影響測量）、互連方法和成本等。

大多數傳感器需要電源、信號調節和電纜才能使用。傳感器供應商擁有將傳感器連接到數字化儀或其他測量儀器的所有必要硬件。布線可能有點麻煩，因為許多傳感器使用不常見的連接器。以壓電加速度計為例，標準連接器是使用 10-32 螺紋的微點同軸連接器。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械測量案例，看看傳感器如何與數字化儀一起使用。

機械測量示例 #1

圖 1 顯示了對小型三葉片冷卻風扇進行基本機械測量時使用的連接圖。

圖 1：將轉速計、加速度計和儀器麥克風連接到數字化儀，以對小型冷卻風扇進行基本機械測量。

用于此測量的數字化儀是虹科 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和麥克風的大動態范圍。 NETBOX 的一個顯著優勢是它可以遠離主機，通過以太網鏈路連接。

此測量使用三個傳感器。第一個是光學轉速計。該傳感器通過將光線從傳感器發射到風扇輪轂上的反射條來讀取風扇的旋轉頻率。反射光被光電晶體管接收并產生每轉一次的脈沖。

加速度計是一種振動傳感器，它安裝在風扇外殼上。加速度計產生與振動加速度成比例的電壓輸出。該測量中使用的設備是壓電加速度計，它使用已知質量來壓縮壓電元件，例如陶瓷或石英元件。這會產生一個動態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。典型壓電加速度計的動態范圍約為 85 至 110 dB。正如我們將要看到的那樣，大多數實際測量結果會導致動態范圍較低。

加速度計靈敏度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。根據輸出超出低頻輸出電平 5% 的頻率，它具有 10 kHz 的帶寬。此帶寬規格與電子電路中使用的帶寬規格完全不同，在電子電路中使用半功率點或 0.707 的低頻響應，這是帶寬的 30% 幅度容差。

請注意，加速度計需要電源/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，以最大限度地減少拾取和接地環路。加速度計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換為速度，第二個集成將速度轉換為位移，還可以在數字化儀的輸出端以數字方式執行集成。

圖2:冷卻風扇機械測量測試設置

加速度計使用磁性支架連接到風扇外殼。安裝會影響傳感器的帶寬，直接安裝，將加速度計擰入被測設備，可產生最佳響應。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。該傳感器讀取聲壓并產生與該壓力成比例的電壓。本應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。

麥克風放置在遠離風扇氣流的軸上，以最大限度地減少風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扇氣流中的壓力變化。

傳感器校準

盡管傳感器制造商為其產品提供校準文件，但許多機械傳感器可以在使用前使用便攜式校準器進行校準。這些設備通常由電池供電，重量輕且結構緊湊。大多數產生已知振幅的固定頻率正弦波形，例如加速度計在 1 kHz 時的 1 g 峰值或麥克風在 1 kHz 時的 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錯誤的有用工具。

使用傳感器時會出現很多細節。在為特定測量選擇傳感器時，最好參考供應商的數據表、應用說明和建議。

實驗數據與分析

digitizerNETBOX 使用 虹科 的SBench6軟件進行控制。這是一個功能齊全的軟件工具，用于使用數字化儀采集數據。它不僅可以以適當的機械單位比例顯示采集的數據，而且還提供了大量用于分析的信號處理和測量工具。圖 3 顯示了本實驗中數據的采集、分析和測量示例。

圖 3：測量帶有轉速計、加速度計和麥克風的小型冷卻風扇的振動和聲學特性。

此 SBench 6 屏幕圖像顯示最左側網格中的轉速計輸出。該波形由風扇每轉一圈的一個脈沖組成。通過測量該信號的頻率來讀取風扇速度。該圖左側中心信息窗格中的頻率讀數將此頻率讀取為 27.8 Hz（每秒轉數）。將該頻率讀數乘以 60 得出風扇的轉速為 1668 轉每分鐘 (RPM)。顯示頻率最小值、最大值和偏差的統計讀數顯示在頻率讀數下方。

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

FFT 顯示構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，因為它分離了各種頻率分量。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 處也有諧波分量。83處的三次諧波高于其他，因為它也是葉片通過頻率。當三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振動。120 Hz 處的大峰值是由于感應電機中的旋轉磁場引起了振動。因此 FFT 簡化了振動信號的分析。

麥克風輸出顯示在標記為聲壓的中心底部網格中。該數據也已重新調整，以便以壓力單位讀取，即帕斯卡。“信息”窗格中的測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，兩條主要譜線位于 84 和 168 Hz。主要的窄帶聲音信號與風扇葉片的運動有關。低頻機械振動和寬帶“空氣噪聲”構成了該 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、通道數量等于或大于您將進行的測量數量，以及足夠的動態范圍來處理傳感器。具有 16 位分辨率的虹科digitizerNETBOX 可以支持理論上高達 96 dB 的動態范圍。型號最多可提供 16 個模擬輸入通道。模塊化數字化儀，如虹科M2p.59xx 系列，具有多達 88 個模擬通道，也可用于此應用。對于更多數量的通道，Star-Hub 模塊可用于鏈接多達 16 個模塊化數字化儀，提供多達 256 個模擬通道。