技術指南:認識加速規與振動量測原理

一月 4, 2018
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本文資訊可協助您了解振動與振動量測的基本概念、加速規(Accelerometer)運作原理,以及不同的加速規規格對於應用中的振動量測效能影響程度。除了感測器特性,您還需要考慮到所需的軟硬體,以正確處理、取得與視覺化加速規量測值。例如,您需要對原始振動訊號執行訊號處理並以較有意義的格式顯示資料,例如頻譜。

何謂校準?

當機器或元件在平衡位置出現位移或機械震盪現象,就稱為振動。它是週期性現象(像是單擺動作),或為隨機現象(像是輪胎在石子路上的動作)。振動可藉由公制單位(m/s2)或重力常數單位「g」來表示,其中1g=9.81m/s2。物件振動方式有兩種:自由振動與強迫振動。

當物件或結構因移位或受衝擊而出現自然震盪現象時,就稱為自由振動。舉例來說,當您敲擊音叉,它會在發出聲響後慢慢停止。自然頻率通常指的是結構受到衝擊或移位,「傾向」震盪的頻率。共振指的是系統在某些頻率下的震盪頻率高出其他頻率的傾向。處於或接近物件自然頻率下的強迫振動,會在結構內部積蓄能量。經過一段時間後,即使強迫振動的施力幅度極小,振動幅度也會變得極大。如果結構內的自然頻率符合正常環境振動現象,則該結構會振動得更激烈,並提早失效。
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如果結構內的自然頻率符合環境振動頻率,則這些結構可能會失效。

當結構因為變換施力方向而振動,會產生強制振動現象。旋轉或變換動作,會強迫物件以非自然頻率振動。當洗衣機振動頻率與轉軸旋轉頻率不相等時,就會出現強迫振動現象。在狀況監控上,會使用振動量測值來表示旋轉機械的運作狀況,像是壓縮機、渦輪或泵浦等。這類機器內含各種零件,每一個零件都有獨特的振動型態或特徵。藉由一段時間內的振動特徵趨勢,您就能預測機器何時失效,並依此排定正確的維護時間表以提升安全性並降低成本。

要如何量測振動?

振動經常透過陶瓷壓電感測器或加速規量測而得。加速規感測器的基本原理是通過量測實際裝置的動態加速狀況而得出電壓。加速規是全接觸式傳感器,通常直接安裝在高頻元件上,例如滾軸、齒輪或旋轉葉片。這種多功能感測器還可用於撞擊量測(爆破與故障測試)與較慢的低頻率振動量測等。加速規的優點包括可對廣泛的頻率與動態範圍提供線性資料。
 
用來量測振動的另一種感測器,則是位移計。與用來量測加速以決定振動程度的加速規不同的是,位移針是量測目標距離的非接觸式傳感器。這些感測器幾乎只供旋轉機器用於量測軸心振動程度。常見的應用範例是,渦輪機械之類的機械系統用來進行機台監控與防護量測。因為彈性的液膜軸承與厚重本體緣故,振動無法有效傳導到外部護罩,因此您可以使用位移針(而非加速規)直接量測機軸運動。
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加速規(Accelerometer)的振動量測原理為何?

加速規(Accelerometer)仰賴壓電效應來運作,其原理是通過量測後者在特定水晶類型承受應力時所產生的電荷量而判斷振動大小。測試結構的加速度會傳導到加速規內部的振盪質量,進而在壓電水晶上產生等比例的施力。這項施加在水晶上的外部應力會接著產生高阻抗(與施力,乃至於加速度等比例的電荷)。
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IEPE加速規輸出與壓電水晶上振動力等比例的電壓訊號。

壓電或電荷模式加速規需要藉由外部放大器或內部電荷轉換器來放大產生的電荷、降低輸出阻抗以便相容於量測裝置,並且有效減少對外部雜訊來源與串音的磁化率。其他加速規則內建高電荷敏感度放大器。此放大器可接收穩定電流源,再根據壓電晶體上變化的電荷而改變阻抗。這些感測器稱為整合式電子壓電(IEPE)感測器。針對這類加速規打造的量測硬體,可為放大器提供內建的電流激發。接著透過加速規輸入之間的電壓變化,即可量測到阻抗變化。

如何選擇正確的加速規規格?

加速規規格多樣,提供不同的設計、尺寸與操作範圍選擇。了解期望量測的訊號特性及任何環境限制,有助您整理並釐清各種不同加速規的電子與物理規格。
 
振動振幅
量測的最大振動振幅或範圍,決定了可使用的感測器範圍。若您嘗試量測超出感測器能力的振動範圍,感測器會扭曲或截斷響應。一般來說,用於監控高振動準位的加速規具有較低的敏感度與質量。
 
敏感度
敏感度為加速規最重要的參數之一。此參數以參考頻率(例如,160Hz)描述振動與電壓之間的轉換關係。敏感度是以mV/G單位來表示。如果以100mV/G的傳統加速規敏感度來量測10G訊號,將獲得1000mV或1V輸出。精確的敏感度可藉由校準獲得,並通常會列在隨感測器附上的校準證書上。敏感度同時也與頻率相關。要判斷敏感度與頻率之間的變化關係,需要針對可用的頻率範圍進行完整的校準。圖4顯示加速規傳統的頻率響應特性。一般會使用低敏感度加速規來量測高振幅訊號,並使用高敏感度加速規來量測低振幅訊號。
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加速規在敏感度相對較不明顯的狀態下,具有寬廣的可用頻率範圍。

軸數
共有2種軸向加速規類型可選擇。常見加速規均量測單軸加速度。此款加速規可測得機器振動強度。第二種則是3軸式加速規。此款加速規透過正交分量的方式,建立加速度的3D向量。使用此種加速規可判斷振動類型,例如側向、橫向或旋轉等。
 
重量
加速規重量必須比所監控的結構重量小很多才行。在結構上增加質量會改變其振動特性,進而導致不精確的資料與分析結果。加速規重量通常不應大於測試結構重量的10%。
 
安裝選項
振動量測系統的另一個考量因素,就是如何將加速規安裝到目標表面。傳統上有4種安裝方法:

  • 手持或探針尖端
  • 磁式
  • 黏式
  • 樁式安裝

樁式安裝是目前最佳的安裝方式,但需要在目標材料上鑽孔,通常是在需要永久安裝感測器的情況下,才會使用這種方式。其他方式則是供暫時固定使用。無論固定方法是哪一種,都會影響加速規的量測頻率。一般來說,連接方式越寬鬆,可量測的頻率限制就越低。附加在加速規上的任何質量(例如黏式或磁式安裝基極)都會降低共振頻率,進而影響其準確度並限制加速規的可用頻率範圍。請參閱加速規規格說明,了解不同的安裝方式對於頻率量測限制有何影響。表1顯示100mV/G加速規的典型頻率限制。

1 安裝100mV/G加速規的頻率限制
環境限制
選擇加速規時,請注意一些重要的環境參數,例如最大作業溫度、有害化學物質暴露與濕度等。大多數加速規都具備耐用可靠的結構,因此可運用在危險環境中。使用不鏽鋼打造的工業加速規可保護感測器免於腐蝕與化學物質侵害,提供多一層保護。

如果系統必須在極端溫度條件下作業,請使用電荷模式加速規。由於這類加速規並未包含電子元件,其作業溫度只會受到結構中使用的感測元件與材質限制。不過,由於它們並未內建任何處理與電荷放大功能,電荷模式加速規會對環境干擾相當敏感,並需要低雜訊配線。如果環境雜訊很多,請使用內嵌式電荷轉換器,或內建電荷放大器的IEPE感測器。

濕度規格由加速規使用的密封類型決定。一般的密封包括全封閉式、樹脂或環境式。這類密封大多數都能承受高濕度,不過若是液體浸潤且長時間暴露在高濕度環境下時,建議使用全封閉式密封。
 
成本
雖然電荷模式與IEPE加速規的成本相近,但由於IEPE加速規不需要特殊的低雜訊電纜與電荷放大器,相較於比較大型的多通道系統,成本可因此大幅降低。除此之外,IEPE加速規只需基本維護便能輕鬆操作,因此使用起來會更加得心應手。

5.加速規的訊號處理功能

在準備加速規以便由DAQ裝置正確量測時,您需要考慮到下列事項,以確保符合所有訊號處理需求:

  • 透過電流放大來增加量測解析度,同時提升訊噪比
  • 透過電流激發,為IEPE感測器中的電荷放大器供電
  • 透過AC耦合去除DC偏移、增加解析度,同時善用完整的輸入裝置範圍
  • 透過濾波來移除外來的高頻雜訊
  • 透過適當的接地去除不同接地電位之間的電流雜訊
  • 透過動態範圍量測加速規的完整振幅範圍
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