振動測定; 振動センサー; 振動を正確に測定する

アプリケーションノートLA05-0020

一般的なセンシングアプリケーションノートLA05-0020

著作権©2013 Lion Precision。 www.lionprecision.com

概要

振動 多くの異なるパラメータを含む複雑な測定です。 さまざまな測定技術には、最終的な振動測定の目標に応じて長所と短所があります。 このアプリケーションノートは、これらのすべての領域に対応しています。

振動測定

振動 中心の静的位置の周りのオブジェクトの時間ベース(周期的/周期的)変位です。 次の要因は、振動の大きさと速度と複雑な関係があります。

  • オブジェクト自体の固有振動数と剛性
  • 振動を誘発する外部エネルギー源の振幅と周波数
  • 振動エネルギー源と対象物の間の結合メカニズム。

振動測定 変位、速度、加速度、周波数などの多くのコンポーネントのために複雑です。 また、これらの各コンポーネントは、ピークツーピーク、ピーク、平均、RMSなど、さまざまな方法で測定できます。 それぞれは、時間領域(オシロスコープまたはデータ収集システムによるリアルタイムの瞬時測定)または周波数領域(周波数スペクトル全体の異なる周波数での振動の大きさ)、または「総振動」の単一の数値で測定できます。 」

振動グラフ

時間領域で振動を表示すると、さまざまな瞬間における振動面の瞬間的な位置が明らかになります。

バイブインバイブレーション

周波数領域で振動を見ると、異なる周波数での振動の大きさがわかります。

MM190メーターモジュール

「Total Vibration」は、MM190メーターモジュールのTIR機能で表示できます。

振動測定は、他の値の間接的な測定として使用される場合があります。 最終的な測定目標により、 振動測定。 しばしば、 状態監視–摩耗、疲労、故障の予測または監視–物体に作用する運動エネルギーと力を決定するための振動測定が必要です。 これはしばしば慣性振動と呼ばれます。 重要なアプリケーションでの機械モーター(特にベアリング)の監視がその一例です。 これらの場合、加速度の測定により、物体の質量が既知であると仮定して、力の単位に簡単に変換できます。

意図しない変位はシステムのパフォーマンスを低下させるので、他のアプリケーションは対象オブジェクトの変位に関係しています。 ハードディスクドライブと工作機械は、このタイプの振動測定の例です。 位置振動 or 相対振動.

インパルスおよび連続振動測定

振動のさらにXNUMXつのシナリオは、連続およびインパルス振動測定です。 連続振動測定は、状態監視と動作テストに使用されます。 これは、実際の動作条件下で対象オブジェクトに何が起こるかを直接測定します。

インパルス振動測定では、多くの場合、衝撃力を測定する「キャリブレーションハンマー」を使用してオブジェクトを叩き、その結果生じるオブジェクトの振動を測定します。 このタイプのテストは、オブジェクト内の共振を明らかにし、動作条件での動作を予測するのに役立ちます。 多くの場合、アプリケーションに応じて共振周波数を回避または強調する設計上の考慮事項につながります。

振動測定機器と振動センサー技術

振動は、加速度、速度、または変位として測定されます。 それぞれに長所と短所があり、各振動測定ユニットは他のユニットに変換できますが、変換によって悪影響が生じる可能性があります。 振動測定の最も一般的な方法は、加速度と変位です。

加速度計で振動を測定する

加速度計は、振動する物体の表面(または内部)に直接設置される小さなデバイスです。 それらは、バネのように動作する柔軟な部品でつるされた小さな質量を含んでいます。 加速度計を動かすと、小さな質量は加速度に比例してたわみます。 さまざまなセンシング技術を使用して、質量のたわみの量を測定できます。 質量とバネの力は既知であるため、たわみの量は容易に加速度値に変換されます。 加速度計は、XNUMXつ以上の軸で加速度情報を提供できます。

物体に作用する力が重要な要素である慣性振動測定には、加速度計が役立ちますが、加速度計は周波数に敏感です。 高い周波数での振動は、低い周波数での振動よりも加速度が大きくなります。 このため、加速度計は低周波振動に対して非常に低い信号レベルを生成し、S / N比が低い場合があります。 また、積分を使用して速度を導出するか、二重積分を使用して変位値を導出すると、高周波信号が減少します。

対象の物体に加速度計を取り付けると、物体の質量が変化し、その固有の共振周波数が変化します。 多くの場合、物体の質量が加速度計の質量よりもかなり大きい場合、その影響は無視できます。 ただし、小さなオブジェクトでの加速度計の使用は制限されます。

加速度計は、より高い周波数で振動するより大きな物体に最適な選択肢であり、物体に作用する慣性力を測定する必要があります。

非接触変位センサーによる振動測定

静電容量式非接触変位センサー

非接触変位センサーは、センサー(プローブ)と振動する物体の表面との間に小さな隙間を空けて取り付けられます。 静電容量式および渦電流式変位センサーは、高分解能、高速測定に最適です。 出力は変位測定であるため、相対振動(位置振動)測定に最適です。 これらの測定は、振動する物体の表面の物理的な位置が任意の瞬間に重要な要素である場合に行われます。

10 kHzを超える80 kHzまでの周波数応答と、ナノメートルという低い分解能で、これらのセンサーは、高速で移動している場合でもオブジェクトの正確な瞬間位置を示します。

渦電流非接触変位センサー

センサーは物体に取り付けられていないため、物体の質量や共振特性を変更しません。 これらのセンサーは、DCから定格周波数応答に近いフラットな周波数応答を持っています。 出力は振動の周波数の影響を受けないため、測定は周波数スペクトル全体でより正確になります。

これらのセンサーからの変位データは、速度情報を提供するために区別され、加速度情報を取得するためにもう一度区別されます。 微分プロセスは、低周波信号を制限し、高周波信号を強調します。 これにより、周波数が高くなると信号対ノイズ比が低くなります。

瞬時振動および全振動

「総振動」は、振動信号のTIR(ピークツーピーク)キャプチャで測定できます。

変位センサーは、オシロスコープまたはデータ収集システムでリアルタイムに観察できる出力を生成します。 このリアルタイムの瞬時データは、回転部品の時間または角度位置の関数として機械の性能を決定するために使用できる正確な振動データを提供します。

他のアプリケーションでは、単純な「総振動」数が必要です。 そのような数値を取得するには、センサー出力を処理する必要があります。 Eliteシリーズの容量性変位センサーを使用している場合、MM190信号処理およびメーターモジュールは、総振動測定値を取得できます。 ピークキャプチャ機能には、最も負の測定と最も正の測定の差を表示するTIR(Total Indicator Reading)オプションが含まれています。 リセットボタンは、それらのキャプチャされた値をクリアして、新しい値をキャプチャできるようにします。 この単一のピークツーピーク(ピークツーバレー)測定は、総振動の指標です。

「総振動」の変化は、MM190モジュールのTracking TIRオプションで測定できます。

振動値が時間の経過とともに変化すると予想される場合、おそらく機械システムの調整中に、トラッキングTIRオプションを使用できます。 TIRの追跡にはピーク間の値が表示されますが、ピーク値はゆっくりとゼロに向かって減衰することができます。 この方法では、値が減少した場合でも、数秒後にインジケーターに現在のTIR値が表示されます。 この機能により、オブジェクトの環境での実験が容易になり、ピーク値を手動でリセットする必要なく、総振動を低減できるものを決定できます。

変位センサープローブの取り付け

振動を測定する場合、変位センサーも振動にさらされる可能性があります。 センサー自体への振動の影響を最小限に抑えるには、センサーをしっかりと取り付ける必要があります。 剛体のマウントに締め付けられたねじ付きボディのプローブは、振動の影響を最小限に抑えるために必要な剛性を提供する必要があります。

止めネジを取り付けると、プローブの軸に沿ってプローブがロックされますが、他のXNUMXつの軸、特にマイクロレベルとナノレベルでの動きが残っている可能性があります。

クランプマウントは、止めネジマウントよりも安定したマウントです。 しかし、マイクロレベルとナノレベルでは、フォームエラーにより、止めネジマウントのようにXNUMX点クランプしかできません。

XNUMX点クランプマウントは本質的に安定しており、真円度の小さな形状誤差の影響を受けません。

クランプ取り付けされた滑らかな円筒形プローブは、振動環境の影響を受けやすいため、慎重に検討する必要があります。 円筒型プローブには、さまざまなクランプ取り付け方法があります。 他のものよりも優れているものもあります。 高解像度で測定する場合、実装設計が測定品質に重要な役割を果たし始めます。

一般的な取り付け方法は、プローブを固定するための止めネジ付きの貫通穴です。 サブミクロンレベルで測定しない安定した非振動環境での測定には、多くの場合、この方法で十分です。 ただし、このシステムはプローブをXNUMX点(止めねじと止めねじの反対側の点)でのみ固定するため、少なくともXNUMXつの軸である程度の動きの自由度があります。 振動環境での高解像度測定には、より優れたシステムが必要です。

円筒形プローブの貫通穴を締める「ピンチクランプ」マウントは、より良い解決策です。 全周クランプは、プローブのより多くの表面にかみ合い、より安定したマウントを提供します。 ただし、プローブまたは貫通穴が真円でない場合は、止めネジのXNUMX点クランプのように機能し始める可能性があります。

最も安定したクランプ方法は、プローブを全周ではなくXNUMX点またはXNUMX点でクランプするピンチクランプを使用します。 この方法は、プローブ本体またはクランプのスルーホールの真円度エラーにもかかわらず安定しています。

追加の静電容量式変位センサーの取り付けに関する考慮事項

容量性変位センサーの測定「スポットサイズ」は、プローブの検知エリアの直径の約130%です。 測定対象領域がこれよりも小さい場合、エラーの影響を受けやすくなり、特別なキャリブレーションが必要になる場合があります。

複数の容量性プローブ

同じターゲットで複数の静電容量プローブを使用する場合、それらの駆動電子機器を同期する必要があります。 Lion Precisionマルチチャンネル静電容量センサーシステム(EliteシリーズおよびCPL230)は、同期電子機器を使用しています。 静電容量センサーは、隣接するプローブ間の最小距離を必要としません。

静電容量センサーの環境配慮

静電容量センサーには、清潔で乾燥した環境が必要です。 プローブとターゲットの間の材料の変化は、測定に影響します。

すべてのセンサーは温度に対してある程度の感度がありますが、Lion Precisionの静電容量センサーシステムは、20%FS /°C未満のドリフトで35°Cと0.04°Cの間の温度変化を補正します。

湿度の通常の変化は、容量性変位測定には影響しません。 湿度が90%の範囲に入ると、測定に影響を与え始める可能性があります。 測定エリアに結露があると、測定が無効になります。

追加の渦電流変位センサーの取り付けに関する考慮事項

渦電流変位センサーは、プローブの端を巻き込む磁場を使用します。 その結果、渦電流変位センサーの「スポットサイズ」は、プローブ直径の約300%です。 これは、プローブからXNUMXつのプローブ直径内にある金属物体がセンサー出力に影響することを意味します。

この磁場は、プローブの軸に沿ってプローブの後方に向かって広がります。 このため、プローブの検出面と取り付けシステム間の距離は、プローブ直径の少なくとも1.5倍でなければなりません。 渦電流変位センサは、プローブの周囲に適切に設計された座ぐりが存在しない限り、取り付け面と同一平面に取り付けることはできません。

渦電流プローブの取り付けでは、プローブの直径の少なくともXNUMX倍のチップの周囲に金属のないスペースが必要です。 フラッシュ取り付けには、座ぐりが必要です。

プローブの近くの干渉物が避けられない場合、フィクスチャ内のプローブで理想的に行われる特別なキャリブレーションを実行する必要があります。

複数の渦電流プローブ

同じターゲットで複数のプローブを使用する場合、チャネル間の干渉を防ぐために、少なくともXNUMXつのプローブ直径でプローブを分離する必要があります。 これが避けられない場合は、干渉を最小限に抑えるために、特別な工場較正が可能です。

渦電流センサーの環境配慮

渦電流センサーによる線形変位測定は、測定エリア内の異物の影響を受けません。 渦電流非接触センサーの大きな利点は、かなり厳しい環境で使用できることです。 すべての非導電性材料は、渦電流センサーには見えません。 機械加工プロセスからの切りくずなどの金属材料でさえ、センサーと大きく相互作用するには小さすぎます。

渦電流センサーは温度に対してある程度の感度がありますが、システムは15%FS /°C未満のドリフトで65°Cと0.01°Cの間の温度変化を補償します。

湿度の変化は、渦電流変位測定には影響しません。

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