Mesure de vibration; Capteurs de vibrations; Mesurer les vibrations avec précision

NOTE D'APPLICATION LA05-0020

Note d'application générale sur les capteurs LA05-0020

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Résumé:

vibration est une mesure complexe contenant de nombreux paramètres différents. Différentes technologies de mesure présentent des avantages et des inconvénients en fonction des objectifs ultimes de la mesure des vibrations. Cette note d'application aborde tous ces domaines.

Mesure des vibrations

vibration est un déplacement temporel (périodique / cyclique) d'un objet autour d'une position statique centrale. Les facteurs contributifs suivants ont une relation complexe avec l’ampleur et la vitesse de la vibration:

  • Les fréquences naturelles et la rigidité de l'objet
  • L'amplitude et les fréquences de toute source d'énergie externe induisant la vibration
  • Le mécanisme de couplage entre la source d'énergie de vibration et l'objet d'intérêt.

Mesure de vibration est complexe en raison de ses nombreuses composantes - déplacement, vitesse, accélération et fréquences. De plus, chacun de ces composants peut être mesuré de différentes manières: valeur efficace, pic à pic, pic, moyenne, RMS; chacun d'entre eux pouvant être mesuré dans le domaine temporel (mesures en temps réel, instantanées avec un oscilloscope ou un système d'acquisition de données) ou dans le domaine fréquentiel (amplitude de vibration à différentes fréquences sur un spectre de fréquence), ou tout simplement un nombre correspondant à «vibration totale». ”

Graphique de vibration

L'affichage des vibrations dans le domaine temporel révèle l'emplacement instantané de la surface vibrante à différents moments.

Vibration Viweing

La visualisation des vibrations dans le domaine fréquentiel révèle l’ampleur des vibrations à différentes fréquences.

Module de compteur MM190

«Total Vibration» peut être affiché avec la fonction TIR sur le module de mesure MM190.

La mesure de vibration est parfois utilisée comme mesure indirecte d'une autre valeur. L’objectif de mesure final détermine l’approche de la mesurer les vibrations. Souvent, surveillance de l'état- prévoir ou surveiller l'usure, la fatigue et les défaillances - nécessite des mesures de vibrations destinées à déterminer l'énergie cinétique et les forces agissant sur un objet. Ceci est souvent appelé vibration inertielle. La surveillance des moteurs de machines (en particulier des roulements) dans des applications critiques en est un exemple. Dans ces cas, la mesure de l'accélération permet une conversion facile en unités de force en supposant que la masse de l'objet est connue.

D'autres applications concernent le déplacement de l'objet d'intérêt car des déplacements inattendus dégradent les performances d'un système. Les unités de disque dur et les machines-outils sont des exemples de ce type de mesure de vibration, parfois appelée vibration de position or vibration relative.

Mesure de vibrations impulsionnelles et continues

Deux autres scénarios pour les vibrations sont les mesures de vibrations continues et impulsionnelles. Les mesures de vibrations continues sont utilisées pour la surveillance de l'état et les tests opérationnels. Il mesure directement ce qui arrive à l'objet d'intérêt dans des conditions de fonctionnement réelles.

Une mesure de vibration impulsionnelle implique de frapper l'objet, souvent avec un «marteau calibré» qui mesure la force d'impact, puis de mesurer la vibration résultante de l'objet. Ce type de test révèle les résonances dans l'objet pour aider à prédire son comportement dans des conditions de fonctionnement. Cela conduit souvent à des considérations de conception pour éviter ou accentuer les fréquences de résonance en fonction de l'application.

Équipement de mesure des vibrations et technologie des capteurs de vibrations

La vibration est mesurée en accélération, en vitesse ou en déplacement. Chacune présente des avantages et des inconvénients et chaque unité de mesure de vibration peut être convertie en une autre, avec toutefois des conséquences potentiellement néfastes de la conversion. L'accélération et le déplacement sont les méthodes les plus courantes de mesure des vibrations.

Mesurer les vibrations avec des accéléromètres

Les accéléromètres sont de petits appareils installés directement à la surface de l'objet vibrant (ou à l'intérieur de celui-ci). Ils contiennent une petite masse qui est suspendue par des pièces flexibles qui fonctionnent comme des ressorts. Lorsque l'accéléromètre est déplacé, la petite masse se déformera proportionnellement au taux d'accélération. Une variété de techniques de détection peut être utilisée pour mesurer le degré de déviation de la masse. Les forces de masse et de ressort étant connues, l'amplitude de la déflexion est facilement convertie en une valeur d'accélération. Les accéléromètres peuvent fournir des informations sur l'accélération dans un ou plusieurs axes.

Les accéléromètres servent bien aux mesures de vibrations inertielles dans lesquelles les forces agissant sur l'objet constituent le facteur critique, mais les accéléromètres sont sensibles à la fréquence. Les vibrations à des fréquences plus élevées ont des accélérations plus importantes que celles des fréquences plus basses. Pour cette raison, les accéléromètres produisent des niveaux de signal très faibles pour les vibrations à basse fréquence et peuvent avoir un rapport signal sur bruit faible. En outre, l'utilisation de l'intégration pour dériver la vitesse ou la double intégration pour dériver les valeurs de déplacement réduit les signaux haute fréquence.

La fixation d'accéléromètres sur l'objet d'intérêt modifie la masse de l'objet, ce qui modifie ses fréquences de résonance naturelles. Lorsque la masse de l'objet est considérablement plus grande que la masse de l'accéléromètre, comme c'est souvent le cas, l'effet est négligeable. Mais cela limite l'utilisation d'accéléromètres sur des objets plus petits.

Les accéléromètres sont un excellent choix pour les objets volumineux, vibrant à des fréquences plus élevées, dans lesquels les forces d'inertie agissant sur l'objet doivent être mesurées.

Mesure de la vibration avec des capteurs de déplacement sans contact

Capteurs de déplacement capacitifs sans contact

Les capteurs de déplacement sans contact se montent avec un petit espace entre le capteur (sonde) et une surface de l'objet vibrant. Les capteurs de déplacement capacitifs et à courants de Foucault sont le meilleur choix pour les mesures haute résolution et haute vitesse. Parce que leurs sorties sont des mesures de déplacement, elles sont idéales pour les mesures de vibrations relatives (vibrations de position). Ces mesures sont effectuées lorsque l'emplacement physique de la surface de l'objet vibrant à un moment donné est un facteur critique.

Avec une réponse en fréquence sur 10 kHz et aussi élevée que 80 kHz, et une résolution aussi faible que le nanomètre, ces capteurs indiquent l'emplacement exact et instantané de l'objet, même lorsqu'il se déplace à grande vitesse.

Capteurs de déplacement sans contact à courant de Foucault

Comme les capteurs ne sont pas montés sur l'objet, ils ne modifient ni la masse ni les caractéristiques de résonance de celui-ci. Ces capteurs ont une réponse en fréquence uniforme du courant continu à une réponse proche de leur réponse en fréquence nominale. La sortie n'étant pas affectée par la fréquence des vibrations, les mesures sont plus précises dans le spectre de fréquences.

Les données de déplacement de ces capteurs peuvent être différenciées pour fournir des informations de vitesse et différenciées une seconde fois pour obtenir des informations d'accélération. Le processus de différenciation limitera les signaux basse fréquence et mettra l'accent sur les signaux haute fréquence. Cela entraînera des rapports signal / bruit plus faibles dans les fréquences les plus élevées.

Vibration instantanée et totale

La «vibration totale» peut être mesurée avec des captures TIR (crête à crête) du signal de vibration.

Les capteurs de déplacement produisent des sorties qui peuvent être observées en temps réel sur un oscilloscope ou avec un système d'acquisition de données. Ces données instantanées en temps réel fournissent des données de vibration précises pouvant être utilisées pour déterminer les performances d'une machine en fonction du temps ou de la position angulaire d'une pièce en rotation.

Dans d'autres applications, un simple nombre de «vibrations totales» est requis. Pour obtenir un tel numéro, la sortie du capteur devra être traitée. Si vous utilisez des capteurs de déplacement capacitifs de la série Elite, le module MM190 Signal Processing and Meter peut générer une mesure de vibration totale. Les fonctions de capture de crête incluent une option TIR (Total Indicator Reading) qui affiche la différence entre les mesures les plus négatives et les plus positives. Un bouton Réinitialiser efface les valeurs capturées afin que de nouvelles valeurs puissent être capturées. Cette mesure unique pic à pic (pic à vallée) indique les vibrations totales.

Le changement de «vibration totale» peut être mesuré avec l’option Tracking TIR du module MM190.

Si l'on s'attend à ce que la valeur de vibration change avec le temps, éventuellement lors d'un ajustement du système mécanique, l'option Tracking TIR peut être utilisée. Le suivi TIR affiche la valeur crête à crête, mais les valeurs de crête sont autorisées à décroître lentement vers zéro. De cette manière, l'indicateur affiche la valeur TIR actuelle après quelques secondes, même si la valeur a diminué. Cette fonction facilite l'expérimentation dans l'environnement de l'objet pour déterminer ce qui peut réduire les vibrations totales sans qu'il soit nécessaire de réinitialiser manuellement les valeurs de crête.

Montage de la sonde du capteur de déplacement

Lors de la mesure de la vibration, il est probable que les capteurs de déplacement seront également exposés à une vibration. Pour minimiser les effets des vibrations sur les capteurs eux-mêmes, ceux-ci doivent être montés de manière rigide. Les sondes avec des corps filetés serrés dans une monture rigide devraient fournir la rigidité nécessaire pour minimiser les effets de vibration.

Le montage par vis de blocage verrouille la sonde le long de son axe, mais il peut rester du mouvement dans les deux autres axes, en particulier aux niveaux micro et nano.

Un support de fixation est un support plus stable qu'un support à vis sans tête. Cependant, aux niveaux micro et nano, les erreurs de forme ne peuvent donner qu'une pince à deux points, un peu comme un montage à vis sans tête.

Une fixation à pince à trois points est intrinsèquement stable et non affectée par de petites erreurs de forme dans la rondeur.

Les sondes lisses et cylindriques montées sur une pince doivent faire l'objet d'une attention particulière, car elles sont plus susceptibles d'être affectées par un environnement vibrant. Il existe différentes méthodes de montage par pince pour les sondes de style cylindrique; certains sont meilleurs que d'autres. Lors de la mesure à des résolutions élevées, la conception de montage commence à jouer un rôle important dans la qualité des mesures.

Une méthode de montage courante consiste à utiliser un trou traversant avec une vis pour fixer la sonde. Pour les mesures dans un environnement stable, non vibrant et non micronique, cette méthode est souvent suffisante. Mais ce système ne sécurise la sonde qu'en deux points (la vis sans tête et le point opposé à la vis sans tête), ce qui lui laisse une certaine liberté de mouvement dans au moins un axe. Pour les mesures haute résolution dans un environnement vibrant, un meilleur système est nécessaire.

Une meilleure solution consiste à utiliser un «collier de serrage» dans lequel un trou traversant est serré sur la sonde cylindrique. La pince de circonférence complète engage plus de la surface de la sonde et fournira un montage plus stable. Cependant, toute irrégularité de la sonde ou du trou traversant peut commencer à fonctionner comme la pince à deux points d'une vis de réglage.

La méthode de serrage la plus stable utilise une pince à serrage qui serre la sonde en trois ou quatre points plutôt que sur toute la circonférence. Cette méthode reste stable malgré les erreurs d'arrondi du corps de la sonde ou du trou traversant de la pince.

Considérations supplémentaires sur le montage du capteur de déplacement capacitif

Les capteurs de déplacement capacitifs ont une «taille de point» de mesure d'environ 130% du diamètre de la zone de détection de la sonde. Si la zone de mesure cible est plus petite que cela, elle risque de générer des erreurs et peut nécessiter un étalonnage spécial.

Sondes Capacitives Multiples

Lorsque plusieurs sondes capacitives sont utilisées avec la même cible, leur électronique de commande doit être synchronisée. Les systèmes de capteurs capacitifs multicanaux Lion Precision (séries Elite et CPL230) utilisent une électronique synchronisée. Les capteurs capacitifs ne nécessitent aucune distance minimale entre les sondes adjacentes.

Considérations environnementales pour les capteurs capacitifs

Les capteurs capacitifs nécessitent un environnement propre et sec. Tout changement de matériau entre la sonde et la cible affectera la mesure.

Tous les capteurs ont une certaine sensibilité à la température, mais les systèmes de capteurs capacitifs Lion Precision sont compensés pour les variations de température entre 20 ° C et 35 ° C avec une dérive inférieure à 0.04% FS / ° C.

Les changements d'humidité ordinaires n'ont aucun effet sur les mesures de déplacement capacitif. Les humidités comprises dans la plage% 90 peuvent commencer à affecter la mesure; toute condensation dans la zone de mesure rendra la mesure invalide.

Considérations supplémentaires sur le montage du capteur de déplacement à courants de Foucault

Les capteurs de déplacement à courants de Foucault utilisent un champ magnétique qui engloutit l'extrémité de la sonde. En conséquence, la «taille ponctuelle» des capteurs de déplacement à courants de Foucault est d’environ 300% du diamètre de la sonde. Cela signifie que tout objet métallique situé à moins de trois diamètres de la sonde affectera la sortie du capteur.

Ce champ magnétique s'étend également le long de l'axe de la sonde vers l'arrière de la sonde. Pour cette raison, la distance entre la face de détection de la sonde et le système de montage doit être au moins 1.5 fois le diamètre de la sonde. Les capteurs de déplacement à courants de Foucault ne peuvent pas être montés au même niveau que la surface de montage à moins qu'un contre-alésage correctement conçu existe autour de la sonde.

Le montage de la sonde à courants de Foucault doit permettre un espace sans métal autour de la pointe d'au moins trois fois le diamètre de la sonde. Le montage encastré nécessite un contre-alésage.

Si des objets gênants à proximité de la sonde sont inévitables, un étalonnage spécial, idéalement effectué avec la sonde dans l'appareil, devra être effectué.

Sondes à courants de Foucault multiples

Lorsque plusieurs sondes sont utilisées avec la même cible, elles doivent être séparées d'au moins trois diamètres de sonde pour éviter les interférences entre les canaux. Si cela est inévitable, des étalonnages spéciaux en usine sont possibles pour minimiser les interférences.

Considérations environnementales pour les capteurs à courants de Foucault

Les mesures de déplacement linéaire avec des capteurs à courants de Foucault sont immunisées contre les corps étrangers dans la zone de mesure. Le grand avantage des capteurs sans contact à courants de Foucault est qu'ils peuvent être utilisés dans des environnements plutôt hostiles. Tous les matériaux non conducteurs sont invisibles aux capteurs à courants de Foucault. Même les matériaux métalliques tels que les copeaux issus d'un processus d'usinage sont trop petits pour interagir de manière significative avec les capteurs.

Les capteurs à courants de Foucault ont une certaine sensibilité à la température, mais les systèmes sont compensés pour les variations de température entre 15 ° C et 65 ° C avec une dérive inférieure à 0.01% FS / ° C.

Les variations d'humidité n'ont aucun effet sur les mesures de déplacement par courants de Foucault.

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