使用虹科数字化仪进行机械测量

使用模块化数字化仪对机械设备和系统进行测量需要使用各种传感器，以便将机械参数（例如力、加速度、压力、转速等）转换为您可以测量的电信号。本文将介绍如何使用模块化数字化仪进行机械测量。

数字化仪的选择

机械测量所需的带宽通常在 100 kHz 以下。 因此需要数字化仪达到 200 kHz 或更高的采样率，分辨率应为 16 位，以匹配常用压电传感器的动态范围。

传感器

传感器具有多种外形尺寸和互连类型可供选择。它们提供成熟的技术并具有可靠性，通常用于发育测量。较新的微机电 (MEM) 传感器采用更小的封装，成本更低，适用于大众市场应用。传感器的选择取决于具体应用。考虑因素包括动态范围（测量参数的最大值和最小值）、带宽、环境（潮湿、干燥、易爆……）、负载（传感器如何影响测量）、互连方法和成本等。

大多数传感器需要电源、信号调节和电缆才能使用。传感器供应商拥有将传感器连接到数字化仪或其他测量仪器的所有必要硬件。布线可能有点麻烦，因为许多传感器使用不常见的连接器。以压电加速度计为例，标准连接器是使用 10-32 螺纹的微点同轴连接器。传感器制造商提供适配器和电缆，让您使用更熟悉的 BNC 连接器。让我们看一个简单的机械测量案例，看看传感器如何与数字化仪一起使用。

机械测量示例 #1

图 1 显示了对小型三叶片冷却风扇进行基本机械测量时使用的连接图。

图 1：将转速计、加速度计和仪器麦克风连接到数字化仪，以对小型冷却风扇进行基本机械测量

用于此测量的数字化仪是虹科 digitizerNETBOX  型号 DN2.596-04，具有 4 个模拟通道、16 位分辨率、80 MS/s 采样率和 40 MHz 带宽。16 位分辨率非常适合加速度计和麦克风的大动态范围。 NETBOX 的一个显着优势是它可以远离主机，通过以太网链路连接。

此测量使用三个传感器。第一个是光学转速计。该传感器通过将光线从传感器发射到风扇轮毂上的反射条来读取风扇的旋转频率。反射光被光电晶体管接收并产生每转一次的脉冲。

加速度计是一种振动传感器，它安装在风扇外壳上。加速度计产生与振动加速度成比例的电压输出。该测量中使用的设备是压电加速度计，它使用已知质量来压缩压电元件，例如陶瓷或石英元件。这会产生一个动态范围相对较高的传感器，其高端受电源电压（通常为 ± 5 V）限制，而低端受前置放大器噪声水平的限制。典型压电加速度计的动态范围约为 85 至 110 dB。正如我们将要看到的那样，大多数实际测量结果会导致动态范围较低。

加速度计灵敏度指定每克加速度的输出电压，本实验中使用的单位具有 100 mV/g 的灵敏度。根据输出超出低频输出电平 5% 的频率，它具有 10 kHz 的带宽。此带宽规格与电子电路中使用的带宽规格完全不同，在电子电路中使用半功率点或 0.707 的低频响应，这是带宽的 30% 幅度容差。

请注意，加速度计需要电源/前置放大器来驱动数字化仪输入。这些装置通常由电池供电，以最大限度地减少拾取和接地环路。加速度计电源还可能包括信号处理功能，例如放大、滤波和集成。集成装置用于将加速度转换为速度，第二个集成将速度转换为位移，还可以在数字化仪的输出端以数字方式执行集成。

图2:冷却风扇机械测量测试设置

加速度计使用磁性支架连接到风扇外壳。安装会影响传感器的带宽，直接安装，将加速度计拧入被测设备，可产生最佳响应。胶合或使用蜡也是常用的安装方法，同样会降低带宽。由于此测量中遇到的信号带宽低于 1 kHz，因此可以忽略这个问题。

此测量中使用的第三个传感器是仪器麦克风。该传感器读取声压并产生与该压力成比例的电压。本应用中使用的装置具有 100 kHz (-3dB) 的带宽。它还需要一个电池供电的电源，其中还包括一个 20 dB 增益放大器。

麦克风放置在远离风扇气流的轴上，以最大限度地减少风扇输出气流中压力变化的直接拾取，这种方法是测量声压级而不是风扇气流中的压力变化。

传感器校准

尽管传感器制造商为其产品提供校准文件，但许多机械传感器可以在使用前使用便携式校准器进行校准。这些设备通常由电池供电，重量轻且结构紧凑。大多数产生已知振幅的固定频率正弦波形，例如加速度计在 1 kHz 时的 1 g 峰值或麦克风在 1 kHz 时的 110 dB 峰值。这些是用于解决由损坏的电缆或电源引起的系统错误的有用工具。

使用传感器时会出现很多细节。在为特定测量选择传感器时，最好参考供应商的数据表、应用说明和建议。

实验数据与分析

digitizerNETBOX 使用 虹科 的SBench6软件进行控制。这是一个功能齐全的软件工具，用于使用数字化仪采集数据。它不仅可以以适当的机械单位比例显示采集的数据，而且还提供了大量用于分析的信号处理和测量工具。图 3 显示了本实验中数据的采集、分析和测量示例。

图 3：测量带有转速计、加速度计和麦克风的小型冷却风扇的振动和声学特性。

此 SBench 6 屏幕图像显示最左侧网格中的转速计输出。该波形由风扇每转一圈的一个脉冲组成。通过测量该信号的频率来读取风扇速度。该图左侧中心信息窗格中的频率读数将此频率读取为 27.8 Hz（每秒转数）。将该频率读数乘以 60 得出风扇的转速为 1668 转每分钟 (RPM)。显示频率最小值、最大值和偏差的统计读数显示在频率读数下方。

加速度计输出出现在标有“加速度计输出”的上部中央网格中。已使用模拟通道设置的自定义刻度以直接读取 g's。信号峰峰值和有效 (rms) 振幅的测量值出现在“信息”窗格中，计算该信号的快速傅立叶变换 (FFT) 显示在右上角的显示网格中。

FFT 显示构成加速度信号的频率分量。FFT 的频域或频谱视图提供更容易的物理解释，因为它分离了各种频率分量。最左边的峰值出现在 27.8 Hz，即风扇电机的旋转频率。在 56、83、111 和 140 Hz 处也有谐波分量。83处的三次谐波高于其他，因为它也是叶片通过频率。当三个风扇叶片都经过风扇外壳中支撑电机的固定支柱时，它们会在框架中引起振动。120 Hz 处的大峰值是由于感应电机中的旋转磁场引起了振动。因此 FFT 简化了振动信号的分析。

麦克风输出显示在标记为声压的中心底部网格中。该数据也已重新调整，以便以压力单位读取，即帕斯卡。“信息”窗格中的测量显示该信号的峰峰值和有效幅度。与振动信号的情况一样，声学的 FFT 提供了大量的物理洞察力。请注意，叶片通过频率及其二次谐波时，两条主要谱线位于 84 和 168 Hz。主要的窄带声音信号与风扇叶片的运动有关。低频机械振动和宽带“空气噪声”构成了该 FFT 的升高基线。

总结

选择数字化仪的关键是它具有足够的带宽、通道数量等于或大于您将进行的测量数量，以及足够的动态范围来处理传感器。具有 16 位分辨率的虹科digitizerNETBOX 可以支持理论上高达 96 dB 的动态范围。型号最多可提供 16 个模拟输入通道。模块化数字化仪，如虹科M2p.59xx 系列，具有多达 88 个模拟通道，也可用于此应用。对于更多数量的通道，Star-Hub 模块可用于链接多达 16 个模块化数字化仪，提供多达 256 个模拟通道。