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使用加速度計(jì)傳感器測(cè)量沖擊和振動(dòng)

文章出處:新聞資訊 責(zé)任編輯:深圳市廣陵達(dá)科技有限公司 發(fā)表時(shí)間:2024-09-10 11:54:17

      作為從小騎自行車、在地板上推玩具長(zhǎng)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(dòng)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。


      什么是振動(dòng)?

      振動(dòng) 可以被認(rèn)為是物體圍繞平衡位置的振蕩或重復(fù)運(yùn)動(dòng),其中作用在其上的力為零。


      振動(dòng)通常是由于制造公差、間隙、機(jī)器零件之間的滾動(dòng)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(dòng)態(tài)影響而發(fā)生的。通常,微小的、無關(guān)緊要的振動(dòng)會(huì)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(dòng)和噪聲源。這就是監(jiān)測(cè)振動(dòng)如此重要的原因。

輪胎振動(dòng)示意圖

輪胎振動(dòng)

      振動(dòng)體描述圍繞參考位置的振蕩運(yùn)動(dòng)。一秒鐘內(nèi)發(fā)生完整運(yùn)動(dòng)周期的次數(shù)稱為頻率,以 赫茲 (Hz)為單位。


      該運(yùn)動(dòng)可以由以單一頻率發(fā)生的單個(gè)分量組成,如音叉,也可以由同時(shí)以不同頻率發(fā)生的多個(gè)分量組成,如內(nèi)燃機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)。


      在下圖中,我們可以看到音叉的運(yùn)動(dòng)。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(dòng)時(shí),它會(huì)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)。

音叉振動(dòng)示意圖

音叉

      什么是加速度計(jì)?

      加速度 計(jì) 是一種測(cè)量加速度的裝置。典型的加速度計(jì)就像安裝在彈簧上的阻尼質(zhì)量。當(dāng)受到加速度時(shí),該質(zhì)量會(huì)移動(dòng)。測(cè)量該位移并將其轉(zhuǎn)換為有用的單位。 


      加速度計(jì)可用于測(cè)量:

        ? 振動(dòng): 當(dāng)物體圍繞平衡位置執(zhí)行振蕩運(yùn)動(dòng)時(shí),稱其振動(dòng)。振動(dòng)存在于運(yùn)輸和航空航天環(huán)境中或通過振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)模擬。

        ? 沖擊: 結(jié)構(gòu)的突然瞬態(tài)激勵(lì),通常會(huì)激發(fā)結(jié)構(gòu)的共振。

        ? 運(yùn)動(dòng): 運(yùn)動(dòng)是緩慢移動(dòng)的事件,例如機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)或汽車懸架測(cè)量。

        ? 地震: 這更多的是一種運(yùn)動(dòng)或低頻振動(dòng)。這種測(cè)量通常需要專門的低噪聲高分辨率加速度計(jì)。

        ? 力量

        ? 傾角


      我們可以從加速度中得出幾個(gè)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):

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      加速度計(jì)的類型

      盡管加速度計(jì)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(cè)量靜態(tài)加速度將這些傳感器分為兩大類: 

        ? 交流加速度計(jì):充電和 IEPE 加速度計(jì),

        ? 直流加速度計(jì):電容式、壓阻式和 MEMS 加速度計(jì)。


      交流加速度計(jì)

      根據(jù)定義,這些傳感器用于 測(cè)量動(dòng)態(tài)事件。換句話說,它們不能測(cè)量 直流或靜態(tài)加速度,而只能測(cè)量加速度的變化。 


      振動(dòng)通常是高頻信號(hào),需要高速數(shù)據(jù)采集。這就是為什么相對(duì)低速的數(shù)據(jù)記錄器不用于這些測(cè)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(jì) 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(huì)在受到壓力時(shí)產(chǎn)生電荷或電壓。他們進(jìn)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(jì)傳感器

        ? IEPE 加速度計(jì)傳感器


      直流(和交流)加速度計(jì)

      重要的是直流加速度計(jì)可以精確測(cè)量靜態(tài)(DC)加速度。還需要注意的是,直流加速度計(jì) 還可以測(cè)量 動(dòng)態(tài) (AC) 振動(dòng),但通常不具有交流加速度計(jì)的高帶寬。交流加速度計(jì) 專為動(dòng)態(tài)測(cè)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)。


      在大多數(shù)情況下,動(dòng)態(tài) (AC) 加速度計(jì)根本無法測(cè)量 DC 加速度。但其中一些具有可設(shè)置的時(shí)間常數(shù),允許在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量直流加速度。 


      目前有幾種流行的 直流加速度計(jì)類型:

        ? 電容式加速度計(jì)

        ? 壓阻式加速度計(jì)

        ? MEMS 加速度計(jì)


      請(qǐng)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?yàn)樗鼈冊(cè)谑袌?chǎng)上被稱為傳感器類型。


      讓我們?cè)敿?xì)了解一下每種類型的交流和直流加速度計(jì)。


      充電加速度傳感器

      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(huì)產(chǎn)生帶電離子流,其強(qiáng)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(cè)量軸受到加速度時(shí),質(zhì)量塊對(duì)壓電材料的應(yīng)力或“擠壓”效應(yīng)會(huì)引起材料的電荷輸出。該電荷可以使用 DAQ 系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

典型充電模式加速度計(jì)

典型充電模式加速度計(jì)

      電荷傳感器具有高阻抗輸出,需要特殊的充電模式信號(hào)調(diào)節(jié)器,例如 Dewesoft 的 SIRIUS CHG 電荷放大器。 


      電荷型加速度計(jì)具有極高的帶寬、動(dòng)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?yàn)楦咦杩闺姾尚盘?hào)非常容易受到 RF(射頻)和 EM(電磁)干擾。移動(dòng)電纜會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生噪聲,因此在布線時(shí)必須非常小心(即使扎帶的微小壓力也會(huì)產(chǎn)生噪聲)。


      電荷傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
無需電源需要昂貴的信號(hào)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(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量應(yīng)用
最高分辨率無法測(cè)量靜態(tài)加速度
優(yōu)異的動(dòng)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(jì)更小的傳感器


      常見的電荷加速度計(jì)應(yīng)用

        ? 汽車測(cè)試

        ? 航空航天和國(guó)防測(cè)試

        ? 高帶寬應(yīng)用

        ? 跌落測(cè)試

        ? 自由落體測(cè)試

        ? 基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)

        ? 高溫應(yīng)用


      IEPE 加速度計(jì)傳感器

      為了解決這個(gè)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(zhǎng)度更長(zhǎng)的電纜進(jìn)行發(fā)送。


      它還大大降低了其對(duì)射頻和電磁干擾的敏感性。這些傳感器被稱為 IEPE 傳感器,因?yàn)樗鼈兙哂屑呻娮釉?。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(cè)量軸受到加速度時(shí),質(zhì)量塊對(duì)壓電材料的應(yīng)力或“擠壓”效應(yīng)會(huì)從材料中感應(yīng)出電荷輸出,從而可以測(cè)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(gè)信號(hào)放大器。

質(zhì)量塊對(duì)壓電元件施加壓縮力的壓縮式壓電加速度計(jì)

質(zhì)量塊對(duì)壓電元件施加壓縮力的壓縮式壓電加速度計(jì)

      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(cè)商標(biāo))。

質(zhì)量塊對(duì)壓電元件施加剪切力的剪切型壓電加速度計(jì)

質(zhì)量塊對(duì)壓電元件施加剪切力的剪切型壓電加速度計(jì)

      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(shí)會(huì)增加少量質(zhì)量,但更重要的是,它會(huì)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(hào)調(diào)節(jié)器提供,該  信號(hào)調(diào)節(jié)器在信號(hào)線上創(chuàng)建恒定電流源。


      由于 IEPE 傳感器用于測(cè)量動(dòng)態(tài)而非靜態(tài)加速度,因此直流電源電壓對(duì)讀數(shù)沒有影響。用于 IEPE 傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)器通常比用于 CHARGE 傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)器便宜。它基本上只是一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器,可以提供可選的恒定電流激勵(lì)來為傳感器供電。


      IEPE加速度計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
無論電纜長(zhǎng)度和電纜質(zhì)量如何,固定靈敏度需要恒流激勵(lì)(減少電池工作時(shí)間)
輸出信號(hào)越高意味著噪聲越少工作溫度范圍上限大約為 120°C
更長(zhǎng)的電纜沒問題它不能測(cè)量靜態(tài)信號(hào)
需要較便宜的 IEPE 信號(hào)調(diào)節(jié)器固有噪聲源
出色的動(dòng)態(tài)響應(yīng)
低阻抗輸出可通過長(zhǎng)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


      常見的 IEPE 加速度計(jì)應(yīng)用

        ? 汽車測(cè)試

        ? 航空航天和國(guó)防測(cè)試

        ? 高帶寬應(yīng)用

        ? 跌落測(cè)試

        ? 自由落體測(cè)試

        ? 基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)


      電容式加速度計(jì)

      電容式加速度計(jì)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(gè)平行板電容器以差動(dòng)模式運(yùn)行。連接了兩個(gè)額外的固定值電容器,所有四個(gè)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(shí),它們之間的間隙會(huì)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(jì)由可移動(dòng)的檢測(cè)質(zhì)量塊和連接到參考系的機(jī)械懸掛系統(tǒng)上的板組成,如下圖所示

典型的電容式(和 MEMS)加速度計(jì)由可移動(dòng)的檢測(cè)質(zhì)量塊和連接到參考系的機(jī)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(cè)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(cè)量動(dòng)態(tài)(AC)和靜態(tài)(DC)加速度。


      電容式加速度計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
可測(cè)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


      常見的電容式加速度計(jì)應(yīng)用

      電容式加速度計(jì)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(fèi)應(yīng)用。其中一些包括:

        ? 手機(jī),用于為用戶“向上”定位屏幕、突然減速或加速(碰撞檢測(cè))

        ? 用于展開安全氣囊的汽車, 

        ? 視頻游戲控制器的姿態(tài)檢測(cè), 

        ? 無人機(jī) 

        ? 還有更多應(yīng)用


      壓阻式加速度計(jì)

      直流加速度計(jì)的另一種流行技術(shù)是基于壓阻技術(shù)。壓阻式加速度計(jì)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(jì)來檢測(cè)加速度。這使得傳感器能夠 測(cè)量 高達(dá)約 6 至 8 kHz 的靜態(tài) (DC) 和動(dòng)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(shí)現(xiàn)。

典型壓阻式加速度計(jì)

典型壓阻式加速度計(jì)

      典型的壓阻式加速度計(jì)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(hào)調(diào)節(jié)器,例如 SIRIUS STG 型。其中一些傳感器設(shè)計(jì)用于在高沖擊應(yīng)用中表現(xiàn)良好,并且可以測(cè)量高于 10.000 g 的重量。


      壓阻式加速度計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
非常適合速度和位移應(yīng)用,因?yàn)樗鼈兊闹绷鬏敵霰冉涣鬏敵鰝鞲衅鞲玫乇苊夥e分和雙重積分誤差不太適合動(dòng)態(tài)應(yīng)用
可測(cè)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(cè)量靜態(tài)角度上限帶寬僅限于低 kHz 范圍
差分輸出


      常見壓阻式加速度計(jì)應(yīng)用

        ? 汽車測(cè)試

        ? 航空航天和國(guó)防測(cè)試

        ? 高沖擊測(cè)量

        ? 各種非動(dòng)態(tài)沖擊和振動(dòng)測(cè)量


      MEMS 加速度計(jì)

      除了上面提到的機(jī)械加速度計(jì)之外,還有機(jī)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(cè)量,因此它們無法進(jìn)行靜態(tài)或極低頻測(cè)量。微機(jī)電系統(tǒng)傳感器 (MEMS) 是一個(gè)很好的解決方案。


      MEMS 加速度計(jì)有單軸和三軸版本。


      MEMS 加速度計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
非常適合靜態(tài)/低頻測(cè)量(可以測(cè)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(cè)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


      常見 MEMS 加速度計(jì)應(yīng)用

        ? 抗震工作

        ? 結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

        ? 陀螺儀定位系統(tǒng)

        ? 汽車測(cè)試

        ? 安全氣囊測(cè)試


      加速度計(jì)類型對(duì)照表

加速度計(jì)類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
IEPE 加速度計(jì)固定靈敏度,與電纜長(zhǎng)度和電纜質(zhì)量無關(guān) 更高的輸出信號(hào)意味著更少的噪聲 更長(zhǎng)的電纜也沒有問題 測(cè)量系統(tǒng)中需要較便宜的 IEPE 信號(hào)調(diào)節(jié)器 出色的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 低阻抗輸出可以通過長(zhǎng)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(lì)(減少電池工作時(shí)間) 工作溫度范圍上限大約為 120°C 無法測(cè)量靜態(tài)信號(hào) 固有噪聲源
充電加速度計(jì)無需電源 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(dòng)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(jì)更小的傳感器它們需要相對(duì)昂貴的信號(hào)調(diào)節(jié)器 易受噪聲影響,因此電纜長(zhǎng)度必須短(< 10m) 需要低噪聲電纜,價(jià)格昂貴 僅限于動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量應(yīng)用 無法測(cè)量靜態(tài)加速度
電容式加速度計(jì)可以測(cè)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(jì)非常適合速度和位移應(yīng)用,因?yàn)樗鼈兊闹绷鬏敵霰冉涣鬏敵鰝鞲衅鞲玫乇苊夥e分和雙積分誤差 它可以測(cè)量低至 0 Hz) 它可以測(cè)量靜態(tài)角度 差分輸出不太適合動(dòng)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(jì)靜態(tài)/低頻測(cè)量的理想選擇 它可以測(cè)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


      與加速度計(jì)傳感器選擇相關(guān)的關(guān)鍵考慮因素

      有多種傳感器設(shè)計(jì)用于測(cè)量振動(dòng)和沖擊。選擇傳感器時(shí)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


      接地隔離

      當(dāng)被測(cè)物體導(dǎo)電且處于接地電位時(shí)非常重要。儀器和加速度計(jì)之間的接地電壓電平差異可能會(huì)導(dǎo)致接地環(huán)路,從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)讀數(shù)。


      靈敏度

      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(duì)較大、較重的傳感器。幸運(yùn)的是,這不是一個(gè)關(guān)鍵問題,因?yàn)楝F(xiàn)代 Dewesoft 前置放大器是為處理低電平信號(hào)而設(shè)計(jì)的。


      低頻范圍

      傳感器的高通截止頻率必須低于您要測(cè)量的頻率。例如,在造紙廠中以 1 至 5 Hz 的頻率進(jìn)行測(cè)試意味著您需要帶寬為 0.3 Hz(或更低)的傳感器。對(duì)于這些應(yīng)用,充電或 IEPE 是最合適的。如果您需要測(cè)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。


      帶寬(頻率范圍)

      這是傳感器的(上)帶寬。小質(zhì)量加速度計(jì)可提供高達(dá) 180 kHz 的諧振頻率,但對(duì)于較大、輸出較高的通用加速度計(jì),典型諧振頻率為 20 至 30 kHz。


      幅度范圍

      電荷傳感器提供大振幅范圍(專門設(shè)計(jì)的震動(dòng)傳感器可以具有超過 100,000 g 的振幅范圍!),但 IEPE 傳感器也相當(dāng)高(高達(dá) 1000 g)。 MEMS 傳感器的范圍通常非常有限(最多幾百克)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用,IEPE 傳感器都很好,而對(duì)于高振幅水平,電荷傳感器更好。


      殘余噪音水平

      這定義了傳感器可以測(cè)量的最低幅度水平。我們應(yīng)該采用具有最佳測(cè)量范圍的傳感器,因?yàn)榫哂休^高范圍的傳感器也會(huì)具有較高的噪聲水平。


      IEPE 傳感器具有非常高的動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍較小。


      溫度范圍

      所有傳感器(包括電子器件)的 高溫范圍有限,最高可達(dá) 130°C。電荷傳感器的溫度范圍要高得多 - 甚至高達(dá) 500°C。但請(qǐng)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(huì)導(dǎo)致加速度計(jì)靈敏度的變化。當(dāng)測(cè)量環(huán)境中出現(xiàn)微小的溫度波動(dòng)(稱為溫度瞬變)時(shí),壓電加速度計(jì)也會(huì)表現(xiàn)出不同的輸出。這通常僅在測(cè)量非常低水平或低頻振動(dòng)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)問題。


      現(xiàn)代 剪切式加速度計(jì) 對(duì)溫度瞬變的敏感性非常低。當(dāng)加速度計(jì)固定在溫度高于250°C的表面時(shí),可以在底座和測(cè)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(shí),通過這種方法可以將加速度計(jì)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)。


      重量

      在模態(tài)測(cè)試中,由于質(zhì)量載荷效應(yīng),重量可能是一個(gè)重要因素。我們添加到結(jié)構(gòu)中的任何質(zhì)量都會(huì)改變其動(dòng)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(dòng)部件動(dòng)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(dòng)等。整本教科書都討論了這個(gè)主題,包括這些傳感器的安裝,這對(duì)于獲得良好的結(jié)果至關(guān)重要。需要了解的重要一點(diǎn)是,Dewesoft 硬件和軟件經(jīng)過徹底設(shè)計(jì),可幫助您從振動(dòng)/加速測(cè)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(hào)。但在本節(jié)中,我們將重點(diǎn)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。


      接地環(huán)路

      由于加速度計(jì)和測(cè)量設(shè)備分別接地,因此接地環(huán)路電流可以在加速度計(jì)電纜的屏蔽層中流動(dòng)。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(jì)基座與安裝表面電隔離來斷開接地環(huán)路。


      電纜噪音

      由于輸出阻抗較高,電纜噪聲主要是壓電加速度計(jì)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(jī)械運(yùn)動(dòng)引入加速度計(jì)電纜中的。它源于由于構(gòu)成電纜的各層的動(dòng)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?jì)電纜并將其盡可能靠近加速度計(jì)粘貼或粘合,可以避免此問題。


      當(dāng)加速度計(jì)電纜放置在運(yùn)行機(jī)械附近時(shí),通常會(huì)在加速度計(jì)電纜中感應(yīng)出電磁噪聲。


      TEDS 兼容性

      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(shí)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(chǔ)有關(guān)設(shè)備的重要信息。


      借助兼容的 Dewesoft 信號(hào)調(diào)節(jié)器和 Dewesoft X 軟件,TEDS 傳感器以“即插即用”方式運(yùn)行。信號(hào)調(diào)節(jié)器讀取有關(guān)傳感器的信息,并自動(dòng)設(shè)置適當(dāng)?shù)脑鲆妗⒖s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(cè)試時(shí)可以節(jié)省大量時(shí)間。 TEDS 自動(dòng)化還可以防止人為錯(cuò)誤。


      如何安裝加速度計(jì)

      傳感器可以以不同的方式安裝。傳感器的帶寬對(duì)其安裝方式特別敏感。將加速度計(jì)安裝到測(cè)量點(diǎn)的方法是從實(shí)際振動(dòng)測(cè)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(huì)導(dǎo)致安裝諧振頻率降低,從而嚴(yán)重限制加速度計(jì)的有用頻率范圍。

        ? 螺柱: 最好在測(cè)試樣本上鉆一個(gè)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(huì)特別高興這樣做,例如,對(duì)于他全新的飛機(jī)機(jī)翼原型。

        ? 粘合劑: 另一種安裝方式,對(duì)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(jī)器診斷安裝技術(shù)是將傳感器安裝在磁鐵上。這仍然會(huì)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(duì)于一些難以到達(dá)的地方很有用,但帶寬會(huì)被削減到 1 - 2 kHz。


      加速度計(jì)的安裝方式應(yīng)使所需的測(cè)量方向與其主靈敏度軸一致。加速度計(jì)對(duì)橫向振動(dòng)也稍微敏感,但這通??梢院雎?,因?yàn)闄M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

不同安裝方法導(dǎo)致的帶寬減少

      加速度計(jì)和振動(dòng)分析應(yīng)用

       前面幾節(jié)提到了加速度計(jì)的一些關(guān)鍵 振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用。這是一個(gè)簡(jiǎn)短的摘要,以及一些附加信息。


測(cè)試類型CHARGEIEPE電容式電阻式微機(jī)電系統(tǒng)
按行業(yè)領(lǐng)域
汽車測(cè)試√*√*
航空航天和軍事測(cè)試
√*
跌落測(cè)試

自由落體測(cè)試

機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)√*√*
消費(fèi)品(手機(jī)、視頻游戲


無人機(jī)


陀螺儀/定位



結(jié)構(gòu)測(cè)試

地震研究



按績(jī)效標(biāo)準(zhǔn)
高溫



高帶寬



      * 在他們的帶寬范圍內(nèi)


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