振动测量 :振动传感器 精确测量振动

应用笔记LA05-0020

一般传感应用笔记LA05-0020

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概要:

振动 是包含许多不同参数的复杂测量。 根据最终的振动测量目标,不同的测量技术各有利弊。 本应用笔记介绍了所有这些领域。

振动测量

振动 是对象围绕中心静态位置的基于时间的(周期性/循环性)位移。 以下影响因素与振动的大小和速率具有复杂的关系:

  • 对象自身的固有频率和刚度
  • 任何引起振动的外部能量源的振幅和频率
  • 振动能量源与目标物体之间的耦合机制。

振动测量 由于其许多组成部分(位移,速度,加速度和频率)而变得复杂。 同样,可以用不同的方式来测量这些分量中的每一个–峰峰值,峰值,平均值,RMS; 每一个都可以在时域(使用示波器或数据采集系统进行实时,瞬时测量)或频域(跨频谱的不同频率下的振动幅度)进行测量,也可以仅针对“总振动”进行单独测量。

振动图

在时域中查看振动可以发现振动表面在不同时刻的瞬时位置。

振动振动

在频域中查看振动可以发现不同频率下的振动幅度。

MM190仪表模块

可以通过MM190仪表模块上的TIR功能显示“总振动”。

有时将振动测量值用作其他测量值的间接值。 最终的测量目标决定了如何实现 振动测量 。 通常, 状态监测 –预测或监视磨损,疲劳和故障–需要进行振动测量,以确定动能和作用在物体上的力。 这通常被称为惯性振动。 在关键应用中监控机械马达(尤其是轴承)就是一个例子。 在这些情况下,如果已知物体的质量,加速度的测量就可以轻松地转换为力的单位。

其他应用涉及关注对象的位移,因为意外位移会降低系统的性能。 硬盘驱动器和机床是这种振动测量的示例,有时也称为 位置振动 or 相对振动.

脉冲和连续振动测量

振动的另外两种情况是连续和脉冲振动测量。 连续振动测量用于状态监视和操作测试。 它可以直接测量实际操作条件下目标对象发生的情况。

脉冲振动测量包括经常用测量冲击力的“校准锤”撞击物体,然后测量物体产生的振动。 这种类型的测试可以揭示物体内部的共振,以帮助预测其在工作条件下的行为。 它经常导致设计上的考虑,以根据应用避免或增强谐振频率。

振动测量设备和振动传感器技术

振动被测量为加速度,速度或位移。 每个都有优点和缺点,并且每个振动测量单元都可以转换为其他单元,尽管转换可能带来不利的后果。 加速度和位移是振动测量的最常用方法。

用加速度计测量振动

加速度计是直接安装在振动物体表面上(或内部)的小型设备。 它们包含一小块质量,并由像弹簧一样工作的柔性部件悬吊。 当加速计移动时,较小的质量将与加速度成比例地偏转。 可以使用多种传感技术来测量质量的偏转量。 因为质量和弹簧力是已知的,所以偏转量很容易转换为加速度值。 加速度计可以在一个或多个轴上提供加速度信息。

加速度计很好地服务了惯性振动测量,其中作用在物体上的力是关键因素,但是加速度计对频率敏感。 较高频率的振动比较低频率的振动具有更大的加速度。 因此,加速度计会产生非常低的信号电平以进行低频振动,并且信噪比可能会很差。 同样,使用积分来导出速度或使用双积分来导出位移值也会减少高频信号。

将加速度计安装到目标物体上会改变物体的质量,从而改变物体的固有共振频率。 当物体的质量远远大于加速度计的质量时(通常是这种情况),其影响可以忽略不计。 但这确实限制了在较小物体上使用加速度计。

对于较大的物体,以较高的频率振动,加速度计是一个很好的选择,其中需要测量作用在物体上的惯性力。

使用非接触式位移传感器测量振动

电容式非接触式位移传感器

非接触式位移传感器需要将传感器(探头)安装在与振动物体表面之间的很小间隙的位置上。 电容式和电涡流位移传感器是高分辨率,高速测量的最佳选择。 由于它们的输出是位移测量,因此非常适合相对振动(位置振动)测量。 当在任何时候振动物体表面的物理位置是关键因素时,便进行这些测量。

这些传感器具有超过10 kHz且最高可达80 kHz的频率响应,以及低至纳米级的分辨率,即使物体高速移动,它们也能显示出精确的瞬时位置。

电涡流非接触式位移传感器

由于传感器未安装在物体上,因此它们不会改变物体的质量或共振特性。 这些传感器的直流响应频率平坦,接近其额定频率响应。 由于输出不受振动频率的影响,因此在整个频谱上的测量都更加准确。

来自这些传感器的位移数据可以被区分以提供速度信息,并且可以被第二次区分以获得加速度信息。 微分过程将限制低频信号并强调高频信号。 这将导致较高频率下较低的信噪比。

瞬时振动和总振动

可以通过TIR(峰对峰)捕获振动信号来测量“总振动”。

位移传感器产生的输出可以在示波器上或通过数据采集系统实时观察。 这种实时的实时数据可提供精确的振动数据,这些数据可用于确定机器性能,作为时间或旋转零件角度位置的函数。

在其他应用中,需要一个简单的“总振动”数。 要获得这样的数字,将需要处理传感器输出。 如果您使用的是Elite系列电容式位移传感器,则MM190信号处理和仪表模块可以得出总振动测量值。 峰值捕获功能包括一个TIR(总指示器读数)选项,可显示最负和最正测量值之间的差异。 重置按钮将清除那些捕获的值,以便可以捕获新的值。 单个峰峰值(峰谷)测量表明总振动。

可以通过MM190模块的Tracking TIR选项来测量“总振动”的变化。

如果预期振动值会随时间变化,则可能是在调整机械系统期间,可以使用“跟踪TIR”选项。 跟踪TIR会显示峰峰值,但允许峰值缓慢衰减至零。 这样,即使该值减小了,指示器也会在几秒钟后显示当前的TIR值。 此功能有助于对对象的环境进行实验,以确定无需手动重置峰值即可减少总振动的原因。

位移传感器探头安装

在测量振动时,位移传感器也可能会受到振动的影响。 为了最大程度地减少振动对传感器本身的影响,必须将其牢固安装。 将螺纹体拧紧到刚性安装座中的探头应提供所需的刚性,以最大程度地减少振动影响。

固定螺钉安装可沿探头的轴锁定探头,但在另两个轴上仍可能有运动,特别是在微米和纳米级别。

夹具安装座比固定螺钉安装座更稳定。 但是在微米和纳米级别,形状误差只能导致两点式夹具,非常类似于固定螺钉安装座。

三点式夹具安装座本质上是稳定的,不受圆度上的小形状误差的影响。

夹紧安装光滑圆柱形探头时需要仔细考虑,因为它们很可能会受到振动环境的影响。 圆柱形探头有不同的夹具安装方法。 有些比其他更好。 在高分辨率下进行测量时,安装设计开始对测量质量起重要作用。

常见的安装方法是使用带有固定螺钉的通孔固定探头。 对于在稳定,非振动的环境中进行非亚微米级别的测量,这种方法通常就足够了。 但是,该系统仅将探头固定在两个点(固定螺钉和与固定螺钉相对的点),这使它可以在至少一个轴上自由移动。 为了在振动环境中进行高分辨率测量,需要更好的系统。

一个“弹簧夹”安装座是一个更好的解决方案,在该安装座中,将通孔拧紧在圆柱形探头上。 全周向夹具与探头的更多表面接合,从而提供更稳定的安装。 但是,探头或通孔的任何不圆度都可以像固定螺钉的两点夹一样开始工作。

最稳定的夹紧方法是使用夹紧钳,将探头夹紧在三个或四个点而不是整个圆周上。 尽管探头主体或夹具的通孔有圆度误差,该方法仍保持稳定。

其他电容式位移传感器安装注意事项

电容式位移传感器的测量“探测斑点大小”约为探头感应区域直径的130%。 如果测量目标区域小于此范围,则容易出错,可能需要进行特殊校准。

多个电容式探头

当多个电容式探头测量同一个目标时,其驱动电子设备必须同步。 Lion Precision多通道电容式传感器系统(Elite系列和CPL230)使用同步电子设备。 电容式传感器不需要相邻探头之间的最小距离。

电容式传感器的环境注意事项

电容式传感器需要清洁,干燥的环境。 探头和目标之间材料的任何变化都会影响测量。

所有传感器对温度都有一定的灵敏度,但是Lion Precision电容传感器系统针对20°C和35°C之间的温度变化进行了补偿,其漂移小于0.04%FS /°C。

湿度的普通变化对电容位移测量没有影响。 90%范围内的湿度可能会开始影响测量。 测量区域中的任何凝结都会使测量无效。

电涡流位移传感器的其他安装注意事项

电涡流位移传感器使用的磁场会吞没探头的末端。 结果,电涡流位移传感器的“探测斑点大小”约为探头直径的300%。 这意味着距离探头三个探头直径以内的任何金属物体都会影响传感器的输出。

该磁场也沿着探头的轴向探头的后方延伸。 因此,探头的感应面与安装系统之间的距离必须至少为1.5倍于探头直径。 除非在探头周围存在设计合理的沉孔,否则涡流位移传感器不能与安装表面齐平安装。

电涡流探头的安装必须在探头端部周围留出至少三倍于探头直径的无金属空间。 齐平安装需要沉孔。

如果不可避免地在探头附近产生干扰物,则必须进行特殊的校准,最好是将探头放在固定装置中。

多个电涡流探头

当多个探头测量同一个目标时,必须将它们分开至少三个探针直径的距离,以防止通道之间发生干扰。 如果不可避免,可以进行特殊的工厂校准以最大程度地减少干扰。

电涡流传感器的环境注意事项

使用电涡流传感器进行线性位移测量可避免测量区域中的异物进入。 电涡流非接触式传感器的最大优点是它们可以在相当恶劣的环境中使用。 电涡流传感器看不到所有非导电材料。 即使是例如加工过程的切屑金属材料,也因为太小而无法对传感器产生显著影响。

电涡流传感器对温度有些敏感,但是系统会对15°C和65°C之间的温度变化进行了补偿,其漂移小于0.01%FS /°C。

湿度的变化对电涡流位移测量没有影响。

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