如何检测非电气现象中的振动数据

振动是许多电子应用中的一个重要的设计考虑因素,如工业,汽车,航空航天和海运系统,消费品和光盘驱动器。甚至设计用于相对无振动环境的电子设备也可能在运输过程中受到潜在的破坏性振动。与振动相关的概念也能在计算机图形学、游戏和动画中找到实用性,包括虚拟和增强现实。

这个常见问题回顾了周期振动和随机振动的基本概念,考察了测量振动的各种方法,并解释了如何利用光谱密度函数和概率密度函数来描述振动的特征。

振动是物体在平衡位置上的运动或机械振动。它可以是周期性的,也可以是随机的,可以用公制单位表示。 2 或重力常数单位"g",其中1克=9.81米/秒 2 .物体可以经历自由振动或强迫振动.

标准的质量弹簧阻尼器模型由分布在整个物体上的一个或多个离散质量节点组成,并通过一个或多个弹簧和阻尼器网络进行互联(图1)。这个模型非常适合于对具有复杂和非线性物质属性的物体进行重复的前后、左右或上下运动建模。像MATLAB这样的软件包可以用来运行振动模拟。

图1:经典质量(M)弹簧(K)和阻尼器(C)模型的振动方向X

振动用频率、位移、速度和加速度定量表示:

· 频率 (f)测量振动物体产生重复运动的次数(通常在一秒钟内),用赫兹进行量化。

· 置换 (d)根据具体情况,测量以数模、毫米等方式测量的振动峰之间的幅幅(距离)。

· 速度 (五)用毫米/秒、厘米/秒等计量D的变化速度。

· 加速度 (a)以M/S衡量V的变化率 2 或者是重力常数。

对于正弦振动,D,V和A具有固定的数学关系作为频率和时间的函数。当进行时间平均测量时,忽略了相位,V可以用与F成正比的系数除以A来推导,D可以用与F的平方成正比的系数除以A来推导。

物体可以受到自由振动或强迫振动。当一个物体或结构被移动,然后允许自然振动时,就会发生自由振动。当结构由于交替和/或重复力而振动时,会发生强迫振动。自由振动导致物体以其自然频率振动,而强迫振动往往导致物体以非自然频率振动。物体固有频率或附近的强迫振动会引起共振,即系统随能量增加而振荡,从而导致过早失效。

机械系统,如洗衣机、压缩机、涡轮机、泵等,在操作过程中受到随机的强迫振动。即使是相对"无振动"的环境,例如汽车的乘客车厢,也会出现相对较高的振动峰值。在许多系统中,条件监测和预防性维护需求的预测是非常重要的。加速度和位移的测量是调节监测的重要组成部分.

图:汽车仪表板上收集的加速度时间记录,任何车辆的相对"无振动"区域。

测量振动

加速度和位移的大小是测量振动最常用的指标.加速度计和非接触式位移传感器通常用于这一目的。

加速度计可以在一个或多个轴上产生加速度信息。它们是小型的,直接安装在被监视的物体表面或内部。它们可以用离散的机械部件制造,也可以用微机电系统(MEMS)技术制造。任何运动都会引起加速度计的运动,它内部的小质量会与加速度成正比地偏转。加速度很容易计算,因为质量和弹簧的力量是已知的数量.

利用加速度计的惯性振动传感广泛应用于从手机手机到汽车和航天器的系统中。在这些应用中,振动往往是相对较低的频率,产生较低的信号,并且可能有很低的信号噪声比。

当使用加速度计时,一个重要的因素是加速度计的质量相对于安装它的物体的质量。假设两者之间的质量差不够大.在这种情况下,由物体和加速度计组成的系统将具有不同于单独物体的自然共振频率。如果存在,需要说明这一因素。这也是使用基于模块的加速度计和非接触式位移传感器的原因之一。

非接触位移振动传感器利用各种技术,包括电容,涡流和激光三角测量。这些传感器可提供纳米或亚微米分辨率,并可用于具有挑战性的材料,如硅、塑料、玻璃和微型电子和医疗组件。这些小分辨率与高达80千赫的频率响应相结合,使这些传感器即使在目标高速移动时也能产生精确的瞬时位置。

非接触式传感器在传感器探测器和目标物体表面之间有一个小间隙。电容和直流位移传感器可以提供高分辨率的高速测量。激光三角测量传感器还可以提供高分辨率、高速的测量,并可以在更长的距离上工作。

利用电容技术,传感器和目标形成一个平行板电容。当恒频电流通过传感器电容时,传感器上交流电压的幅值与电极(目标和传感器)之间的距离成正比。电容传感器也可以测量绝缘子,但对传感器间隙介质特性的变化很敏感,因此在清洁、干燥的应用中操作最有效。

涡流非接触位移传感器使用感应测量技术工作。该传感器由线圈组成,线圈由交流电构成,产生磁场。当一个导电物体被放置在磁场中时,就会产生涡流。集成单片机利用从传感器线圈到目标的能量变化来计算位移距离。涡流传感器通常是小型设备,可用于所有导电材料,包括铁磁材料和非铁磁材料。涡流技术提供高精度,不受灰尘、污垢、油、湿度、高压或介质材料的影响。

激光三角测量位移传感器使用激光二极管将一个光点传送到被跟踪物体的表面。CCD阵列通过一个精密光学透镜系统捕捉从那一点返回散射的光。这些系统的光束宽度很小(用于高度局部化的测量)。当目标相对于传感器移动时,利用CCD传感器测量反射光的变化,集成单片机可以计算精确的位置变化,从而计算加速度。

振动测试

振动测试通常采用两种测试方式:正弦式和随机式。正弦振动测试相对简单,但不像随机振动测试那么有用。正弦测试一次使用一个频率,而随机测试可以在任何时间点激发定义的光谱中的任何频率。

随机测试对于识别可能的设计缺陷和使设备在测试(DUT)中失败非常重要。对故障的测试可以找出设备中的弱点,以及最小化或消除这些弱点的方法。随机测试比正弦测试更严格,因为随机测试"同时"强调了DUT的所有共振。

通过正弦测试,可以发现一个共振频率会影响到DUT的一部分的性能,而另一部分会在不同的频率上共振。在不同时间识别不同部分的单独共振频率可能不会导致故障甚至故障。但是当两个共振频率同时被激活时,DUT就会失败。随机测试将同时激发两个共振频率并确定潜在的失效模式。

选择正确的振动测试谱或振动曲线是随机振动测试成功的关键之一.工业标准,如MIL-STD-810、DO-160、ML-STD-202、SAEJ1455和IAR6068,为选择振动剖面提供了指导,但需要针对每个具体应用对剖面进行优化。

私营部门司和PDF功能

在开始随机振动测试之前,必须定义测试频谱.该光谱可以用功率谱密度图。私营部门司绘制每带宽的平均平方加速度(G) 2 在测试期间使用的每一个频率。

图:典型功率谱密度振动测试规范(单位频率平均平方加速度).

采用闭环反馈的方法进行随机振动试验,使振动表现出目标私营部门的特征。私营部门司的结果来自一个平均过程,不符合一个独特的时间波形集。概率密度函数(pdf)可以用来提取来自一个psp测试的特定信息。pdf是一个幅度直方图。直方图中的每一个点都是被测信号样本被发现在相应的小幅度范围内的次数数(一个"垃圾桶")。由于该系统实施随机振动测试,因此使用pdf来分析该系统产生的加速度值范围,以提取出相对于整体平均值的高加速度。

总结

振动是物理系统(如电子设备)和非物理系统(如游戏和ARR/VR应用)中的一个重要量。它用频率、位移、速度和加速度定量地表示。这些量之间的固定数学关系意味着一旦知道加速度,其他值就可以计算出来。因此,加速度计是最常用的振动测量传感器。系统振动测试是一个基于随机变量的复杂统计过程,依靠使用功率谱密度图和概率密度函数。