機械設備和系統(tǒng)使用高速數據采集卡作為測量工具,，需要使用各種傳感器或換能器把各種力學參數,如加速度、壓力,、轉速轉化為可以測量的電信號,。這篇文章將介紹如何使用模塊化的高速數據采集卡進行機械測量。

高速數據采集卡的選擇

機械測量所需帶寬通常低于100kHz,。所以200 kHz或更高的采樣率就能滿足工程要求。分辨率應為16位,，以匹配常用壓電傳感器的動態(tài)范圍,。表1推薦了幾款符合機械測量的高速數據采集卡的型號和相關參數:

表1 適用于機械測量的高速數據采集卡和digitizerNETBOX

傳感器

長期應用于工業(yè)領域的傳感器或換能器有很多的形狀和類型，具備成熟的技術和高可靠性可用于工業(yè)測量,。新型微機電傳感器(MEMs)封裝體積更小,、成本更低、可應用于大眾市場,。傳感器的選擇取決于應用場景,。需要考慮包括動態(tài)范圍(大和小值的測量參數),帶寬、環(huán)境(濕度,、干燥度,、爆炸…),加載(傳感器如何影響測量),互連方法,和成本等等。

大多數傳感器使用時需要電源,、信號調節(jié)和現場布線,。傳感器供應商會提供所有連接到高速數據采集卡的或其他測量儀器的所有必要硬件。一些傳感器的所使用的連接器不是很常見會導致電纜配置有些困難,。比如,壓電加速度計的標準連接器是使用10-32螺紋的微粒同軸連接器,。傳感器制造商通常提供常用BNC連接器的適配器和線纜。以下介紹結合傳感器和高速數據采集卡的一個簡單的機械測量應用,。

機械測量舉例1

圖1顯示了關于小型三葉冷卻風扇的機械測量現場連接,。

圖1將轉速計，加速度計,，麥克風連接到高速數據采集卡實現小型制冷風扇的相關機械測量

用于測量的高速數據采集卡的參數為：4個模擬通道,16位分辨率,60 MS/s采樣率,30 MHz帶寬,。16位分辨率可很好的匹配加速計和麥克風較大的動態(tài)范圍。NETBOX顯著優(yōu)勢是通過以太網連接控制,，可放置于離主機較遠的地方,。

測量使用了3個傳感器,。首先是一個光學轉速器。這個傳感器感應風扇軸上的反光條來讀取風扇的轉動頻率,。每次旋轉反射的光被光電晶體管獲取,。 加速度計是一種振動傳感器，連接到風扇罩,。加速器產生一個與振動加速度成比例的電壓輸出,。這次測量使用的是一個壓電加速度，由壓電陶瓷或石英等材料制成,。這個傳感器在有限的高端電源電壓(通常±5V)時,，帶有較高的動態(tài)范圍和前置放大器較低的噪聲水平。一個典型的壓電加速度計的動態(tài)范圍是在85到110dB.

加速度計靈敏度定義為每g加速度的輸出電壓,。在這個實驗中使用的單位敏感性為100mV/ g,。它的帶寬的頻率為10kHz。這個帶寬規(guī)范是完全不同于用于電子電路的半功率點或0.707使用低頻率響應,，是基于30%的帶寬振幅容差制定的,。

注意,加速度計需要一個電源或前置放大器驅動高速數據采集卡輸入。這些單元通常是電池供電的小化封裝和接地,。加速度計電源可能還包括信號處理功能,如放大,、過濾和積分。使用積分可將加速度轉化為速度,，另一個積分功能是將速度轉換成位移,。

加速度計使用磁鐵固定支架固定在風扇罩上，磁鐵磁性影響換能器的帶寬,。利用螺紋直接固定到測試設備,會有好的信號相應,，粘合或使用蠟也常用的安裝方法,也會減少了帶寬.如果測量帶寬低于1kHz，這些問題可不作考慮,。

圖2 利用高速數據采集卡進行制冷風扇測量

第三個傳感器用于測量的麥克風,，用于讀取聲聲壓，產生一個與壓力成正比的電壓,。帶寬為100kHz,。它還需要電池供電,20 dB的增益放大器。

傳感器標定

盡管傳感器制造商供其產品的標定文檔,。許多傳感器可以在使用前使用便攜式標定器標定,。這些設備,通常電池供電的。大部分產生已知振幅下固定頻率的正弦波,，如標定加速度計1 g峰值 1 kHz的正弦波或標定麥克風使用110 db 1 kHz的正弦波,。這些工具故障用于診斷由電纜或電壓損壞造成的系統(tǒng)錯誤。
   使用傳感器時有許多細節(jié)需要注意。使用前好查閱供應商的應用手冊,應用筆記和相關建議,。

實驗數據及分析

   高速數據采集卡自帶軟件不僅可以顯示獲得的機械單元的相關數據,還提供了相應的信號處理和分析功能,。圖3顯示了這次實驗相應的數據采集、分析,、處理操作,。

  圖3 小型風扇的震動和聲學測量

通過左邊信息窗格讀取風扇的頻率為27.8Hz(每秒的轉速)。這個頻率讀數乘以60為風扇每分鐘轉速,，即為每分鐘1668轉(RPM),。同時統(tǒng)計顯示小、大頻率和頻率偏差,。由于這個信號的時域視圖有點難以解釋,對這個信號的進行快速傅里葉變換(FFT)并顯示在右上角,。

FFT顯示了構成加速度信號的頻率成分。FFT的頻譜把信號拆分為各種頻率成分,，并可以得出相關的物理分析,。左邊的峰值出現在27.8Hz,為風扇馬達的轉動頻率。也有諧波分量在56 Hz,83 Hz,111Hz和140 Hz,。三次諧波在83 Hz也比其他更高,它是葉片通過頻率,。在120 Hz的峰值是由于感應電動機的旋轉磁場導致，可以看出FFT簡化了對振動信號的分析,。

軟件窗口中心底部顯示了麥克風的標記聲壓。數據單位為帕斯卡,。通過觀察看到兩個主要譜線在84和168 Hz,，這是葉片通過頻率和二次諧波。主要的窄帶聲信號與風扇的葉片運動有關,。低頻機械振動和寬帶的空氣噪聲構成了FFT的基線,。

高速數據采集卡的關鍵選擇參數是,有足夠的帶寬,足夠的通道數,和足夠的動態(tài)范圍。工程中選取的北京坤馳科技有限公司的16位分辨率系列高速數據采集卡可提供16個模擬輸入通道,可以支持96dB動態(tài)范圍,。其另有兩個系列產品也都帶有16個模擬通道也可以使用在這個實驗應用中,。實踐表明，使用一個Star-Hub模塊可以擴展更多的通道,，通道數多可達256,。

機械測量舉例2

圖4是顯示利用高速數據采集卡實現對小型空氣壓縮機的機械測量，使用壓力傳感器,加速度計和麥克風測量其內部氣缸壓力,、振動加速度和聲級,。

圖4 小型空氣壓縮機內部氣缸壓力,、轉速、聲壓的測量

壓力傳感器固定在壓縮機的艙口，實現沒有機械干擾或氣體泄漏的內部訪問,。傳感器也是一款陶瓷或晶體材料的壓電傳感器,，靈敏度單位是100 mV / psi。

加速度計是粘到汽缸上,。應用場景將決定安裝方法,。傳感器可以粘或者使用磁性支架固定在設備上。磁性支架的使用必須有符合所需的測量軸,。此外,傳感器和配件應該足夠小和輕便而不影響測量,。傳感器的“加載”在機械測試領域“加載”很像探針加載在電氣測量中，兩個都影響測量的準確性,。

    圖5 空氣壓縮機機械測試的傳感器配置圖

汽缸壓力的上升是由于壓縮機輸出端口被關閉,，即增加壓縮機工作強度導致的。通過左邊窗格的顯示峰間測量信息可讀取大輸出壓力變化,。

注意,轉速計可用來測量壓縮機轉速,，壓力波形很干凈,并提供相應信息。讀出的信息面板提供了壓縮機轉速為53.5Hz.

壓力數據的FFT出現在左下角網格,53.5Hz的頻率范圍主要包括轉速及其諧波,。注意,諧波峰值出現雙峰,。這是由于壓縮機加載時減速?；l范圍很小,高次諧波的諧波數量較多,。

圖6 空氣壓縮機的艙內壓力、轉速,、聲壓測量及FFT顯示

圖6的中心頂部網格顯示了加速度計信號通道的信號,10mV/g的靈敏度,。可分析峰間有效的振動信號的振幅,。從時域信號看到,當壓縮機的輸出端口阻塞,，會增加振動水平。加速度信號的FFT顯示在對應中心的底部網格中,。如壓力頻譜一樣,振動光譜由轉動頻率及其諧波組成,。

右上角的網格顯示麥克風信號的聲級。麥克風靈敏度是42mv/Pa,。聲壓級別保持相對不變,直到輸出端口關閉時,，會略微下降并伴有負峰。峰值又出現在輸出端口打開時,，麥克風用來檢測閥門關閉的聲壓,。有效(rms)聲級是記錄為315 mPa,解釋了當壓縮機運行時外殼的非預期噪聲原因。麥克風的頻譜信號顯示在右下角的網格中,。像其他兩個信號頻譜一樣,，由轉動頻率及其諧波組成,。

總結

機械測量可以很容易地通過高速數據采集卡、適當的傳感器和配件實現,。一些簡單的機械測量的基本設置和操作以及數據分析都可以通過操作軟件實現,，包括設置適當的參數測量單位和從原始數據提取有用的信息,如轉速的變化等。