Misurazione delle vibrazioni; Sensori di vibrazione; Misurazione precisa delle vibrazioni

NOTA APPLICATIVA LA05-0020

Nota applicativa di rilevamento generale LA05-0020

Copyright © 2013 Lion Precision. www.lionprecision.com

Sommario:

vibrazione è una misurazione complessa contenente molti parametri diversi. Diverse tecnologie di misurazione presentano vantaggi e svantaggi a seconda degli obiettivi finali di misurazione delle vibrazioni. La presente nota applicativa riguarda tutte queste aree.

Misurazione delle vibrazioni

vibrazione è uno spostamento temporale (periodico / ciclico) di un oggetto attorno a una posizione statica centrale. I seguenti fattori che contribuiscono hanno una relazione complessa con l'entità e la frequenza della vibrazione:

  • Frequenze e rigidità naturali dell'oggetto stesso
  • L'ampiezza e le frequenze di qualsiasi fonte di energia esterna che induca la vibrazione
  • Il meccanismo di accoppiamento tra la fonte di energia di vibrazione e l'oggetto di interesse.

Misurazione delle vibrazioni è complesso a causa dei suoi numerosi componenti: spostamento, velocità, accelerazione e frequenze. Inoltre, ciascuno di questi componenti può essere misurato in diversi modi: picco-picco, picco, media, RMS; ognuno dei quali può essere misurato nel dominio del tempo (in tempo reale, misurazioni istantanee con un oscilloscopio o un sistema di acquisizione dati) o nel dominio della frequenza (intensità della vibrazione a frequenze diverse attraverso uno spettro di frequenze), o solo un singolo numero per "vibrazione totale. ”

Grafico delle vibrazioni

La visualizzazione della vibrazione nel dominio del tempo rivela la posizione istantanea della superficie vibrante in diversi momenti nel tempo.

Viweing Vibration

La visualizzazione della vibrazione nel dominio della frequenza rivela l'entità della vibrazione a frequenze diverse.

Modulo misuratore MM190

"Vibrazione totale" può essere visualizzato con la funzione TIR sul modulo contatore MM190.

La misurazione delle vibrazioni viene talvolta utilizzata come misurazione indiretta di qualche altro valore. L'obiettivo di misurazione finale determina l'approccio al misurazione delle vibrazioni. Spesso, monitoraggio delle condizioni- prevedere o monitorare usura, fatica e guasti - richiede misurazioni delle vibrazioni intese a determinare l'energia cinetica e le forze che agiscono su un oggetto. Questo è spesso chiamato vibrazione inerziale. Ne è un esempio il monitoraggio dei motori di macchinari (in particolare i cuscinetti) in applicazioni critiche. In questi casi, la misurazione dell'accelerazione fornisce una facile conversione in unità di forza assumendo che la massa dell'oggetto sia nota.

Altre applicazioni riguardano lo spostamento dell'oggetto di interesse poiché gli spostamenti involontari degradano le prestazioni di un sistema. Le unità disco rigido e le macchine utensili sono esempi di questo tipo di misurazione delle vibrazioni, a volte indicato come vibrazione di posizione or vibrazione relativa.

Misurazione di impulsi e vibrazioni continue

Altri due scenari per la vibrazione sono misurazioni continue e impulsive delle vibrazioni. Le misurazioni continue delle vibrazioni vengono utilizzate per il monitoraggio delle condizioni e i test operativi. Misura direttamente ciò che accade all'oggetto di interesse in condizioni operative reali.

Una misurazione della vibrazione dell'impulso implica colpire l'oggetto, spesso con un "martello calibrato" che misura la forza d'impatto e quindi misurare la vibrazione risultante dell'oggetto. Questo tipo di test rivela risonanze all'interno dell'oggetto per aiutare a prevederne il comportamento in condizioni operative. Spesso porta a considerazioni progettuali per evitare o accentuare le frequenze di risonanza a seconda dell'applicazione.

Apparecchiature di misurazione delle vibrazioni e tecnologia dei sensori di vibrazioni

La vibrazione viene misurata come accelerazione, velocità o spostamento. Ognuno ha vantaggi e svantaggi e ogni unità di misurazione delle vibrazioni può essere convertita in altre anche se con conseguenze potenzialmente avverse dalla conversione. L'accelerazione e lo spostamento sono i metodi più comuni di misurazione delle vibrazioni.

Misurazione delle vibrazioni con accelerometri

Gli accelerometri sono piccoli dispositivi installati direttamente sulla superficie (o all'interno) dell'oggetto vibrante. Contengono una piccola massa sospesa da parti flessibili che funzionano come molle. Quando si sposta l'accelerometro, la piccola massa si fletterà in modo proporzionale alla velocità di accelerazione. È possibile utilizzare una varietà di tecniche di rilevamento per misurare la quantità di deflessione della massa. Poiché sono note le forze di massa e di molla, la quantità di deflessione viene prontamente convertita in un valore di accelerazione. Gli accelerometri possono fornire informazioni di accelerazione su uno o più assi.

Le misure di vibrazione inerziale in cui le forze che agiscono sull'oggetto sono il fattore critico sono ben servite dagli accelerometri, ma gli accelerometri sono sensibili alla frequenza. Le vibrazioni a frequenze più alte hanno accelerazioni maggiori rispetto a quelle a frequenze più basse. Per questo motivo, gli accelerometri producono livelli di segnale molto bassi per le vibrazioni a bassa frequenza e possono avere scarsi rapporti segnale-rumore. Inoltre, l'uso dell'integrazione per derivare la velocità o la doppia integrazione per derivare i valori di spostamento riduce i segnali ad alta frequenza.

Il collegamento di accelerometri all'oggetto di interesse modifica la massa dell'oggetto che modifica le sue frequenze di risonanza naturale. Quando la massa dell'oggetto è considerevolmente più grande della massa dell'accelerometro, come spesso accade, l'effetto è trascurabile. Ma limita l'uso di accelerometri su oggetti più piccoli.

Gli accelerometri sono un'ottima scelta per oggetti più grandi, che vibrano a frequenze più elevate, in cui è necessario misurare le forze inerziali che agiscono sull'oggetto.

Misurazione delle vibrazioni con sensori di spostamento senza contatto

Sensori di spostamento capacitivi senza contatto

I sensori di spostamento senza contatto si montano con un piccolo spazio tra il sensore (sonda) e una superficie dell'oggetto vibrante. I sensori di spostamento capacitivo e a correnti parassite sono le scelte migliori per misurazioni ad alta risoluzione e ad alta velocità. Poiché le loro uscite sono misurazioni di spostamento, sono perfette per le misurazioni relative alle vibrazioni relative (vibrazioni posizionali). Queste misurazioni vengono eseguite quando la posizione fisica della superficie dell'oggetto vibrante in qualsiasi momento è un fattore critico.

Con una risposta in frequenza superiore a 10 kHz e alta fino a 80 kHz e risoluzioni basse quanto i nanometri, questi sensori indicano la posizione istantanea precisa dell'oggetto anche quando si sta muovendo ad alta velocità.

Sensori di spostamento senza contatto a correnti parassite

Poiché i sensori non sono montati sull'oggetto, non modificano la massa dell'oggetto o le sue caratteristiche di risonanza. Questi sensori hanno una risposta in frequenza piatta da CC a quasi la loro risposta in frequenza nominale. Poiché l'uscita non è influenzata dalla frequenza della vibrazione, le misurazioni sono più accurate in tutto lo spettro di frequenza.

I dati di spostamento di questi sensori possono essere differenziati per fornire informazioni sulla velocità e differenziati una seconda volta per ottenere informazioni di accelerazione. Il processo di differenziazione limiterà i segnali a bassa frequenza e enfatizzerà i segnali a frequenza più alta. Ciò comporterà rapporti segnale-rumore più bassi nelle frequenze più alte.

Vibrazione istantanea e totale

La "vibrazione totale" può essere misurata con acquisizioni TIR (picco-picco) del segnale di vibrazione.

I sensori di spostamento producono uscite che possono essere osservate in tempo reale su un oscilloscopio o con un sistema di acquisizione dati. Questi dati istantanei in tempo reale forniscono dati precisi sulle vibrazioni che possono essere utilizzati per determinare le prestazioni di una macchina in funzione del tempo o della posizione angolare di una parte rotante.

In altre applicazioni, è richiesto un semplice numero di "vibrazione totale". Per ottenere tale numero, l'uscita del sensore dovrà essere elaborata. Se si utilizzano sensori di spostamento capacitivo serie Elite, il modulo di elaborazione del segnale e misuratore MM190 può ottenere una misurazione totale delle vibrazioni. Le funzioni di acquisizione del picco includono un'opzione TIR (Total Indicator Reading) che visualizza la differenza tra le misurazioni più negative e più positive. Un pulsante Reimposta cancella quei valori acquisiti in modo da poter acquisire nuovi valori. Questa singola misurazione picco-picco (picco-valle) è un'indicazione della vibrazione totale.

La modifica della “vibrazione totale” può essere misurata con l'opzione Tracking TIR del modulo MM190.

Se si prevede che il valore della vibrazione cambi nel tempo, magari durante una regolazione del sistema meccanico, è possibile utilizzare l'opzione Tracking TIR. Tracking TIR visualizza il valore picco-picco, ma i valori di picco possono decadere lentamente verso lo zero. In questo modo, l'indicatore mostra il valore TIR corrente dopo alcuni secondi, anche se il valore è diminuito. Questa funzione facilita la sperimentazione con l'ambiente dell'oggetto per determinare cosa può ridurre la vibrazione totale senza la necessità di reset manuali dei valori di picco.

Montaggio della sonda del sensore di spostamento

Quando si misura la vibrazione, è probabile che anche i sensori di spostamento siano esposti a una vibrazione. Per ridurre al minimo gli effetti delle vibrazioni sui sensori stessi, devono essere montati rigidamente. Le sonde con corpi filettati serrati in un supporto rigido dovrebbero fornire la rigidità necessaria per ridurre al minimo gli effetti delle vibrazioni.

Il montaggio con vite di fermo blocca la sonda lungo l'asse della sonda, ma potrebbe esserci ancora movimento negli altri due assi, specialmente a livello micro e nano.

Un innesto a morsetto è un innesto più stabile di un innesto a vite. Ma a livello di micro e nano, gli errori di forma possono comportare solo un morsetto a due punti molto simile a un innesto a vite.

Un innesto a tre punti è intrinsecamente stabile e non influenzato da piccoli errori di forma nella rotondità.

Le sonde cilindriche lisce montate su morsetti richiedono un'attenta considerazione in quanto hanno maggiori probabilità di essere influenzate da un ambiente vibrante. Esistono diversi metodi di montaggio a pinza per sonde cilindriche; alcuni sono migliori di altri. Quando si misura ad alte risoluzioni, il design di montaggio inizia a svolgere un ruolo importante nella qualità della misurazione.

Un metodo di montaggio comune è un foro passante con una vite di fermo per fissare la sonda. Per le misurazioni in un ambiente stabile e non vibrante che non misura ai livelli inferiori al micron, questo metodo è spesso sufficiente. Ma questo sistema fissa la sonda solo in due punti (la vite di fermo e il punto opposto alla vite di fermo) che gli consente una certa libertà di movimento in almeno un asse. Per misurazioni ad alta risoluzione in un ambiente vibrante, è necessario un sistema migliore.

Un innesto a “pinch clamp” in cui un foro passante è stretto sulla sonda cilindrica è una soluzione migliore. Il morsetto a circonferenza completa si impegna più della superficie della sonda e fornirà un supporto più stabile. Tuttavia, qualsiasi eccesso di rotondità della sonda o del foro passante può iniziare a funzionare come il morsetto a due punti di una vite di fermo.

Il metodo di bloccaggio più stabile utilizza un morsetto che blocca la sonda in tre o quattro punti anziché nella circonferenza completa. Questo metodo rimane stabile nonostante gli errori di rotondità del corpo della sonda o del foro passante della pinza.

Ulteriori considerazioni sul montaggio del sensore di spostamento capacitivo

I sensori di spostamento capacitivo hanno una “dimensione del punto” di misura circa il 130% del diametro dell'area di rilevamento della sonda. Se l'area target della misurazione è più piccola di questa, sarà suscettibile di errori e potrebbe richiedere una calibrazione speciale.

Sonde capacitive multiple

Quando vengono utilizzate più sonde capacitive con lo stesso target, è necessario sincronizzare la loro elettronica di azionamento. I sistemi di sensori capacitivi multicanale Lion Precision (serie Elite e CPL230) utilizzano elettronica sincronizzata. I sensori capacitivi non richiedono una distanza minima tra le sonde adiacenti.

Considerazioni ambientali per i sensori capacitivi

I sensori capacitivi richiedono un ambiente pulito e asciutto. Qualsiasi cambiamento nel materiale tra la sonda e il target influenzerà la misurazione.

Tutti i sensori hanno una certa sensibilità alla temperatura, ma i sistemi di sensori capacitivi Lion Precision sono compensati per le variazioni di temperatura tra 20 ° C e 35 ° C con una deriva inferiore allo 0.04% di FS / ° C.

I normali cambiamenti di umidità non hanno alcun effetto sulle misurazioni di spostamento capacitivo. Umidità nell'intervallo del 90% possono iniziare a influenzare la misurazione; l'eventuale condensa nell'area di misurazione renderà la misurazione non valida.

Ulteriori considerazioni sul montaggio del sensore di spostamento a correnti parassite

I sensori di spostamento a correnti parassite utilizzano un campo magnetico che avvolge l'estremità della sonda. Di conseguenza, la “dimensione del punto” dei sensori di spostamento a correnti parassite è circa il 300% del diametro della sonda. Ciò significa che qualsiasi oggetto metallico entro tre diametri della sonda dalla sonda influenzerà l'uscita del sensore.

Questo campo magnetico si estende anche lungo l'asse della sonda verso la parte posteriore della sonda. Per questo motivo, la distanza tra la superficie di rilevamento della sonda e il sistema di montaggio deve essere almeno 1.5 volte il diametro della sonda. I sensori di spostamento a correnti parassite non possono essere montati a filo con la superficie di montaggio a meno che non sia presente un foro di contro progettato correttamente attorno alla sonda.

Il montaggio della sonda a correnti parassite deve consentire uno spazio privo di metallo attorno alla punta almeno tre volte il diametro della sonda. Il montaggio a filo richiede un foro interno.

Se è inevitabile interferire con gli oggetti vicino alla sonda, sarà necessario eseguire una calibrazione speciale, idealmente eseguita con la sonda nell'apparecchio.

Sonde a correnti parassite multiple

Quando vengono utilizzate più sonde con lo stesso target, devono essere separate da almeno tre diametri della sonda per evitare interferenze tra i canali. Se ciò è inevitabile, sono possibili speciali calibrazioni di fabbrica per ridurre al minimo le interferenze.

Considerazioni ambientali per i sensori di correnti parassite

Le misurazioni di spostamento lineare con sensori a correnti parassite sono immuni al materiale estraneo nell'area di misurazione. Il grande vantaggio dei sensori senza contatto a correnti parassite è che possono essere utilizzati in ambienti piuttosto ostili. Tutti i materiali non conduttivi sono invisibili ai sensori a correnti parassite. Anche i materiali metallici come i trucioli di un processo di lavorazione sono troppo piccoli per interagire in modo significativo con i sensori.

I sensori a correnti parassite hanno una certa sensibilità alla temperatura, ma i sistemi sono compensati per le variazioni di temperatura tra 15 ° C e 65 ° C con una deriva inferiore allo 0.01% di FS / ° C.

Le variazioni di umidità non hanno alcun effetto sulle misurazioni di spostamento della corrente parassita.

LINK UTILI

Icona PDF
Icona del documento
Icona del documento
Icona del documento

Scarica TechNote

MISURA DELL'ALTEZZA Z PER LO STUDIO DEL CASO DI MICROSCOPI ELETTRONICI A SCANSIONE

RILEVAMENTO DELL'ALTEZZA Z PER IL STUDIO SUL CASO DI ISPEZIONE DEL WAFER DEL SEMICONDUTTORE POSTERIORE

STUDIO DI CASO DI SPESSORE AL WAFER AL SILICIO SEMI