Датчики вибрации принцип работы

Датчики вибрации

Статья о датчиках вибрации. В статье приведена принципиальная схема датчика вибрации, а также подробно разобраны 2 типа датчиков вибрации: оптические и пьезоэлектрические вибродатчики.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Датчики давления метран» или «Датчики перемещения (индуктивный, оптический, емкостной и другие типы)».

Датчик вибрации (виброметр) – прибор, позволяющий определять параметры вибрационных явлений. Наиболее часто виброметры используются для определения:

  1. Виброскорости
  2. Виброускорения
  3. Виброперемещения

Проще говоря, если вибрирующий объект считать простым осциллятором, то виброметр позволяет получить сведения как о базовых параметрах его колебаний (частота и амплитуда), так и, в некоторых случаях, получить спектральную характеристику колебательного процесса.

Рисунок 1. Схема датчика вибрации.

Общая схема датчика вибрации содержит два основных блока (Рисунок 1): вибропреобразователь (1) и электронный блок обработки (2). Функциональное назначение первого блока – преобразование механических вибраций в электрический сигнал. Механизмов преобразования несколько:

  • Пьезоэлектрический
  • Оптический
  • Вихретоковый
  • Индукционный

Механизм преобразования в значительной мере определяет как характеристики прибора, так и его стоимость.

Второй блок – электронный блок обработки – служит для «расшифровки» полученного сигнала. Как правило, на входе таких блоков стоит аналогово-цифровой преобразователь, и основная часть операций над сигналом производится уже в цифровом виде, что расширяет функциональные возможности процесса пост-обработки, улучшает помехоустойчивость и позволяет осуществлять вывод информации по внешнему интерфейсу.

При использовании на производстве стационарные виброметры могут входить в состав регулирующих систем в качестве датчиков обратной связи, для этих целей некоторые модели виброметров имеют аналоговый выходной сигнал (как правило, напряжение).

Для получения комплексной характеристики вибрационного процесса в состав измерительной системы может быть добавлен спектроанализатор. Если спектроанализатор многоканальный – он может служить основой распределённой системы вибрационной диагностики, содержащей более одного вибродатчика.

В настоящее время большинство виброметров относится к одному из двух типов:

  1. Оптический виброметр
  2. Пьезоэлектрический виброметр

Рассмотрим более подробно каждый тип датчиков.

Оптический виброметр

В основу работы оптического виброметра подобно ультразвуковым датчикам перемещения положен эффект Доплера. Прибор обычно содержит лазерный источник излучения, приёмную оптическую схему, а также электронную схему обработки (Рисунок 2). При отражении излучения от неподвижного объекта длина волны принятого луча не отличается от истинной длины волны лазера. Если объект перемещается вдоль оси излучения, происходит сдвиг длины волны отражённого излучения на некоторую величину (эффект Доплера), значение и знак которой несут информацию о скорости и направлении движения объекта, а используемая в составе приёмного оптического модуля интерферометрическая схема позволяет определить эту величину. Таким образом, колебания отражающей поверхности модулируют частотный сдвиг, и электронная обработка этого сигнала модуляции позволяет получить параметры вибрационных колебаний.

Рисунок 2. Схема оптического виброметра.

Несмотря на то, что в состав оптических виброметров входит источник лазерного излучения, такие приборы достаточно безопасны, поскольку за счёт высокой чувствительности приёмной оптической системы для проведения измерений достаточной оказывается весьма незначительная оптическая мощность.

Одним из основных достоинств оптических виброметров является то, что диагностика с их помощью может проводиться бесконтактно, при их использовании в стационарном измерительном комплексе требуется лишь однократная фокусировка на измеряемой поверхности. Кроме того, устройства этого типа обладают высокой точностью и быстродействием, поскольку лишены подвижных элементов. К недостаткам можно отнести довольно высокую цену.

Пьезоэлектрический виброметр

Как ясно из названия, в основу работы данного типа приборов положен пьезоэффект – явление возникновения разности потенциалов на пьезокристалле при его механической деформации. Внутри корпуса виброметра содержится инертное тело, подвешенное на упругих элементах, содержащих пьезоэлектрический материал (Рисунок 3). Если корпус прибора прикреплён к вибрирующей поверхности, упругие элементы зарегистрируют колебания инертного тела, которое не прикреплено непосредственно к корпусу, а потому стремится сохранять своё первоначальное положение. В целом, в данной конфигурации пьезоэлектрический виброметр есть не что иное, как акселерометр, и часто довольно сложно провести границу между этими видами чувствительных устройств.

Рисунок 3. Схема пьезоэлектрического виброметра.

Электрический сигнал с пьезокристалла, как правило, подаётся на аналогово-цифровой преобразователь, и его обработка осуществляется в цифровом виде. В целом, как и в случае с оптическим виброметром, основным назначением приёмного чувствительного блока является преобразование вибрации в электрический сигнал, а характер его дальнейшей обработки определяется параметрами цифровой электронной схемы.

Основным недостатком этого класса приборов является необходимость соприкосновения чувствительной части с измеряемым объектом, что не всегда уместно в условиях производства. Кроме того, пьезоэлектрические приборы имеют, как правило, более узкий диапазон воспринимаемых частот, поскольку имеют механический тракт передачи вибрации, где максимальная частота определяется инертностью компонентов.

К достоинствам пьезоэлектрических виброметров можно отнести их относительно невысокую стоимость, а также относительно простое устройство, что обеспечивает надёжность и устойчивость к внешним воздействиям.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

Как выбрать датчик вибрации

Датчики вибрации служат для измерения уровня вибрации рабочего оборудования, передачи данных об измерении на удалённые устройства (ПЛК, ПК, преобразователи) и в некоторых случаях для отображения величины вибрации по месту установки.

Датчики вибрации хоть и объединены общим названием, однако разделяются по назначению и функциональным возможностям. Таким образом, можно выделить датчики для вибромониторинга оборудования и датчики для систем вибродиагностики оборудования.

Датчики для вибромониторинга

В случае, если Вам достаточно знать амплитуду общей вибрации того или иного агрегата без выявления причины вибрации, то есть осуществлять вибромониторинг, то в таком случае достаточно применить следующие датчики:

МодельРабочий диапазонВыходыСтепень защитыМатериал корпусаВзрывобезопасное исполнение
VTV
0…50 м/саналог. 4-20 мAIP67/IP68/IP69KНержавеющая стальВзрывобезопасное
исполнение
есть
VKV
0…50 м/саналог. 4-20 мA,
дискретный PNP
IP67ПластикБез взрывобезопасного
исполнения
VNB
0…500 м/саналог. 4-20 мA,
дискретный PNP,
USB2.0
ЖК-дисплей
IP67Отливка из цинка, никелированныйБез взрывобезопасного
исполнения

Датчики осуществляют измерение среднеквадратичного значения (СКЗ) вибрации [м/с] на частотах от 0 до 1000 Гц, так как именно в этом спектре возникают все основные вибрации рабочего оборудования. Датчики вибрации имеют аналоговый выходной сигнал, пропорциональный диапазону измерения СКЗ.

Датчики измерения вибрации такого типа дают представление лишь об общем уровне вибрации оборудования и не позволяют определить конкретные дефекты (дисбаланс, износ подшипников, дефект зубчатого зацепления) на характерных им частотах. Вибрации из-за подобных дефектов могут превысить СКЗ и привести к внезапной поломке агрегата.

Работоспособность оборудования по величине СКЗ может определяться с опорой на ГОСТ ИСО 10816-1-97 или используя рекомендации производителей этого оборудования.

Датчики для вибродиагностики

В том случае, если требуется знать не только амплитуду вибрации, но и её причину, необходимо использовать более совершенные методы и осуществлять серьёзные вычисления. Для выполнения такого рода задач служит следующая группа датчиков в сочетании с контроллером VSE:

МодельРабочий диапазон,
м/с 2
ВыходыСтепень защитыМатериал корпусаВзрывобезопасное исполнение
VSA
±3,3 g
±25 g
±250 g
аналоговый,
0…10 мА
IP68/IP69K/IP67Нержавеющая стальБез взрывобезопасного
исполнения
VSP
±50 gтоковый выход под VSEIP65/IP67/IP68Нержавеющая стальВзрывобезопасное
исполнение
есть

Датчики контроля вибрации серий VSA и VSP предназначены для измерения величины виброускорения [м/с 2 ] на частоте вибраций от 0 до 16000 Гц, в зависимости от модели датчика. Принцип работы таких датчиков основан на технологии MEMS. Выходные сигналы датчиков не являются унифицированными и могут быть корректно обработаны только контроллером VSE.

Использование такой системы (датчики+контроллер) позволяет осуществлять полноценный спектральный анализ вибраций оборудования, благодаря чему можно выявить фактически любой дефект как целой конструкции, так и каждого её элемента в отдельности. Среди наиболее распространённых дефектов, определяемых этой системой можно выделить:

  • дисбаланс;
  • дефекты подшипников;
  • нарушение крепления к станине;
  • отсутствие или избыток смазки;
  • повреждение ротора/статора;
  • несоосность вала;
  • нарушение в зубозацепление;
  • дефекты зубчатой пары;
  • расцентровка.

Все представленные датчики вибрации применяются для стационарного контроля, т.е. устанавливаются непосредственно в корпус рабочего оборудования и производят измерения непрерывно, таким образом нет необходимости персоналу постоянно обходить каждый агрегат и снимать показания вручную.

Читайте также:  Огневые работы определение

Датчики для вибродиагностики должны располагаться максимально близко к объекту диагностики (подшипник, зубчатое колесо, вал и т.д.), между датчиком и объектом диагностики не должно быть резиновых прокладок и прочих демпферов, ослабляющих вибрацию. Монтаж датчиков осуществляется в резьбовые отверстия на корпусе агрегата напрямую, либо через конусную шайбу, а также посредством бобышки или магнитной рамки.


Чтобы избежать возможных ошибок при самостоятельном подборе датчика вибрации, обратитесь к специалистам компании «РусАвтоматизация». Инженеры компании сэкономят ваше время и помогут с выбором датчика вибрации, который наилучшим образом подходит для решений именно Ваших задач.

Датчики измерения вибраций

Назначение

Одним из параметров который характеризует нормальную работу авиационного двигателя, является параметр, получивший название вибрация.

Вибрация авиационного двигателя – движение точки или механической системы в целом во время, которого возрастают и уменьшаются со временем параметры, которые его характеризуют. Причинами возникновения вибрации могут быть:

круговая неравномерность потока воздуха на входе в двигатель;

неравномерность процессов в проточной части двигателя;

овальность подшипников опор роторов;

несбалансированность роторов двигателя;

неисправность последовательно соединенных роторов;

тепловой дисбаланс роторов.

Могут быть и другие причины, среди которых и такие как удары, которые возникают при разгоне, пробежке ВС по ВПП.

Наиболее веской причиной, по которой на авиационной технике (АД) устанавливаются, технические устройства (измерительные системы) для измерения вибрации является причина возможности раннего обнаружения и профилактики выхода из строя (разрушения) силовых установок.

Средства измерительной техники, которые измеряют величины характеризующие вибрацию, называются виброметрами, а в авиации их называют аппаратурой контроля вибрации и обозначают буквами ВВ (ИВ) с цифрами, которые условно определяют назначение и область применения.

Применяемые в настоящее время датчики вибрации, как правило, имеют электрический выход. В качестве преобразователей перемещения в электрический сигнал используются омические, индуктивные, емкостные, электромагнитные, микросинные, пьезоэлектрические, магнитострикционные и другие типы преобразователей.

Существует много других типов и конструктивных форм датчиков вибрации. Ограничиваясь рассмотрением приведенных типов датчиков, заметим, что один и тот же датчик может работать во всех трех диапазонах измерения (перемещения, скорости и ускорения). Выбор датчика определяется диапазоном частот вибраций. Больше того, подавая сигналы вибродатчика на дифференцирующие или интегрирующие устройства, можно получить скорость или перемещение при входном, ускорении и аналогично ускорение при позиционном или скоростном входе.

Сигналы датчиков вибрации записываются на осциллографах (регистрирующих устройствах) различных типов. В настоящее время разработаны компактные магнитоэлектрические осциллографы для применения на борту летательного аппарата.

Принцип действия датчика вибрации

При измерении вибраций всегда участвуют три элемента: вибрирующее звено, исходное (не вибрирующее) звено и устройство для измерения движения вибрирующего звена относительно не вибрирующего. Очень часто исходное звено отсутствует, например, при измерении вибраций на самолете, поэтому исходное положение должно быть создано в самом приборе. Обычно исходное (не вибрирующее) звено создается при помощи массы, которая может двигаться вдоль (или вокруг) оси измерения вибраций. Масса связывается с основанием прибора при помощи пружины и демпфера (рис. 6.2.1).

Масса вибродатчика по аналогии с сейсмографами (приборами для записи землетрясений) называется сейсмической или сейсмическим элементом. Сейсмический элемент вместе с пружиной и демпфером образуют сейсмическую систему. Такая система реагирует на вибрации, передаваемые на корпус вибродатчика. Движение корпуса прибора 4, который приводится в соприкосновение с вибрирующим элементом, относительно сейсмического элемента 1, исполняющего роль исходного звена, измеряется датчиком 5. Совокупность сейсмической системы и датчика сигналов 5 образует датчик вибраций или, короче, вибродатчик. Сигналы датчика 5 в зависимости от параметров сейсмической системы могут быть сделаны пропорциональными относительному перемещению элементов 7 и 4, относительной скорости или ускорению.

При изучении вибродатчиков необходимо различать следующие движения его элементов:

Перемещение корпуса прибора относительно инерциального пространства;

Перемещение сейсмического элемента относительно инерциального пространства;

Перемещение сейсмического элемента относительно корпуса прибора.

Рис. 6.2.1. Схема датчика вибраций:

1 – сейсмический элемент; 2 – пружина; 3 демпфер; 4 корпус прибора; 5 датчик; 6 – входная ось вибродатчика; 7 – направление передачи вибраций на корпус вибродатчика

В ходным сигналом датчика является первое перемещение, а выходным – третье.

Предотвращаем аварии: датчик контроля вибрации мотора с передачей данных на смартфон по BLE

Типовая схема датчика мониторинга вибраций мотора, разработанная Texas Instruments, базируется на трехосевом аналоговом акселерометре, малошумящем усилителе, программируемом микроконтроллерном блоке с АЦП и беспроводном контроллере с BLE-интерфейсом. Схема может автономно работать от полугода до 25 лет (в зависимости от режима работы и задействования беспроводной части) и позволяет отслеживать состояние систем кондиционирования, холодильных установок насосов, бытовых и промышленных конструкций и сооружений для ранней профилактики аварийных ситуаций.

Основное предназначение датчиков в системах автоматизации – это индикация текущего состояния объекта управления, своевременное обнаружение и оповещение о внештатных ситуациях.

Развитие и миниатюризация вычислительной техники, а также удешевление датчиков позволяет внедрять предиктивные (предсказательные) методы технического обслуживания. Данные методы предназначены для определения состояния оборудования без вывода из эксплуатации. Их основная задача – предсказать, когда будет нужно провести то или иное техническое обслуживание, чтобы предотвратить приближающийся отказ оборудования.

Помимо аппаратных решений, компания предоставляет и программные ресурсы:

  • средства разработки программного обеспечения;
  • стеки протоколов;
  • примеры приложений.

Структурная схема датчика вибрации

Одним из опорных решений TI является проект TIDA-01575 [1, 2], представляющий собой датчик мониторинга вибраций мотора. В данном решении задействован аналоговый трехосевой акселерометр, малошумящий усилитель, программируемый микроконтроллерный блок с АЦП и беспроводной контроллер с BLE-интерфейсом. Задача представленного решения – анализировать уровень и характер вибраций, возникающих при работе мотора, чтобы определить момент его технического обслуживания, не дожидаясь выхода мотора из строя.

Главные особенности предлагаемого решения:

  • отслеживание вибраций МЭМС-акселерометром с тремя осями измерения;
  • точность определения вибраций по всех трем осям до 0,01 g;
  • Фурье-анализ уровня вибрации (используется быстрое преобразование Фурье, БПФ);
  • оптимизация энергопотребления для длительной автономной работы;
  • модульное исполнение в виде платы расширения BoosterPack™ с возможностью интеграции с платами серии LaunchPad™;
  • возможность легкой адаптации программного обеспечения для работы устройства в сетях Wi-Fi, Sub1GHz SimpleLink, Bluetooth5 или просто для передачи результатов по UART-интерфейсу.

Структурная схема датчика вибраций мотора TIDA-01575 представлена на рисунке 1. В нее входят:

  • аналоговая часть (AFE) в виде платы с акселерометром, схемой усиления сигналов на сдвоенном операционном усилителе LMP7702 и ключом управления питанием;
  • плата аналого-цифрового преобразователя на базе микроконтроллера MSP432P401R;
  • плата LaunchPad с СнК CC2650 для организации беспроводного интерфейса.

Рис. 1. Структурная схема датчика вибраций мотора

Принцип работы

Центральным элементом датчика является микроконтроллер MSP432P401R, выполняющий задачи по приему и обработке сигналов акселерометра, спектральному анализу сигналов, выдаче результатов по UART или передаче их сетевому процессору CC2650.

Сбор первичных данных, обработка измерений и выдача результатов разделены логически в коде приложения и представлены различными программными задачами в рамках операционной системы TI RTOS.

Работой с сигналами акселерометра ведает задача vibration Task. Она запускает АЦП на опрос каналов по прерываниям таймера с частотой 74 кГц и 14-битным разрешением. Благодаря этому каждый из трех каналов акселерометра опрашивается с частотой 24 кГц. По завершении фазы опроса вызывается функция частотного анализа – по полученным данным для каждого канала (каждой оси вибрации).

При работе без сетевого процессора данные контроллером передаются по интерфейсу UART при помощи задачи comms Task. UART настраивается на режим 8-N-1 при скорости 460,8 кбит/с, и при помощи любого программного обеспечения, способного работать с виртуальным COM-портом, возможен прием или визуализация этих данных.

Когда MSP432P401R является хост-контроллером для BLE-процессора, запускается задача AP_create Task, вызывающая функции SimpleLink SDK Bluetooth для установки связи с BLE-процессором на основе СнК CC2650. На рисунке 2 представлено взаимодействие задач опроса акселерометра и передачи обработанных данных по Bluetooth.

Рис. 2. Схема работы приложения в связке «хост-контроллер + сетевой процессор» (BLE-процессор)

При неустановленном соединении (то есть когда нет подключения к конкретному смартфону) устройство рассылает adv-пакеты определенного формата (рисунок 3). В широковещательных данных пакета после небольшого заголовка последовательно идут скомпонованные данные по всем трем осям. В данных для каждой оси указываются параметры преобразования Фурье, номер гармоники с максимальной энергией и значение ее энергии.

Рис. 3. Структура широковещательных данных датчика вибрации

Зная формат adv-пакетов, можно в фоновом режиме отслеживать состояние мотора даже без подключения смартфона к датчику вибраций.

После подключения датчик предоставляет подключенному устройству набор сервисов и характеристик в соответствии со специализированным профилем, и приложение уже может считывать сами спектры вибраций по любой из осей.

Так как датчик может быть расположен в труднодоступном месте (под защитными кожухами или внутри корпуса станка) возможна проблема с его обеспечением стационарным питанием. В связи с этим актуально подключение возможностей режимов пониженного энергопотребления MSP432P401R для продления времени работы без замены батареи. Приложение управляет питанием элементов системы, синхронизируя работы программных компонентов и аппаратной части.

Сам акселерометр и схема обработки его сигналов в процессе измерений потребляют довольно большой ток, поэтому в промежутках между сериями измерений необходимо их отключать.

Управление питанием разделено программой на две части.

В периоды между измерениями, – а это относительно длительные промежутки простоя, – контроллер переходит на уровень LPM3. Длительность данных промежутков определяется функцией pretive_maintenance_setWakeTime (uint8_t Hours, uint8_t Minutes), описанной в файле vibCapture.c. Аргументами функции являются значения длительности интервала, заданные в часах и минутах.

Во время самих измерений, когда требуются промежутки ожидания, например, для стабилизации питания и сигналов в аналоговой части, контроллер переходит в режим потребления LPM0.

Этими мерами минимизируется время нахождения контроллера в активном режиме и, следовательно, дополнительно снижается среднее энергопотребление всего датчика.

Схема профиля энергопотребления приведена на рисунке 4.

Рис. 4. Профиль энергопотребления датчика вибрации

Тестирование приложения

Для тестирования опорного программно-аппаратного проекта был собран небольшой макет (рисунок 5). В его состав входит:

  • бесколлекторный мотор постоянного тока, который при тестировании вращается с частотой 3600 об/мин (60 об/с);
  • датчик вибраций в сборе с пластиной-резонатором на тестируемом моторе;
  • нагрузка мотора в виде другого аналогичного мотора.

Рис. 5. Тестовый макет для опорного решения датчика уровня вибраций

Симуляция неисправности проводилась путем неполного затягивания креплений ведущего мотора, вследствие чего характер его вибраций изменялся.

Взаимодействие с датчиком по BLE производилось при помощи приложения для смартфона SimpleLink SDK Explorer, которое доступно в соответствующих магазинах приложений для платформ Android и IOS.

При неустановленном соединении из adv-пакетов, рассылаемых датчиком, извлекается информация о доминирующих гармониках в спектре колебаний и их энергии (рисунок 6).

Рис. 6. Окно приложения до установки BLE-соединения с датчиком вибраций

После установки соединения приложению доступна детальная информация о спектре колебаний по каждой из осей.

На рисунке 7 представлены спектры вибраций по оси Х для случая нормально закрепленного мотора (отмечен как «Passing motor») и случая, когда крепления мотора были ослаблены («Failing motor»).

Рис. 7. Спектры вибраций по оси Х для случая нормально закрепленного мотора (а) и мотора с ослабленными креплениями (б)

По характеру спектров видно, что в первом случае преобладают вибрации на основной частоте работы мотора (60 Гц), а при ослаблении спектр начинает размываться и появляются дополнительные гармоники, при этом мощность основной гармоники падает. Аналогичные графики доступны и для осей Y и Z.

Диаграмма потребления тока системой во время работы представлена на рисунке 8. Из него видим, что длительность активной фазы работы составляет порядка 65…70 мс, средние токи в активной фазе не превышают нескольких миллиампер (6…9 мА в среднем, с пиками – до 10…12 мА).

Рис. 8. Профиль потребления тока датчиком вибраций на различных этапах работы

Рекомендованным для данного проекта источником автономного питания является батарея типа CR123A с емкостью порядка 1470 мА⋅ч. Неизбежный саморазряд батареи несколько снизит ее емкость: для дальнейших расчетов принято снижение полной емкости на 5%, что даст эффективную емкости батареи 1396 мА⋅ч.

В случае, если хост-контроллер датчика работает автономно (без беспроводного сетевого процессора), основным фактором, влияющим на длительность автономной работы, будет период измерений. В таблице 1 приведены оценки среднего тока потребления и длительности работы датчика вибраций без задействованного BLE-процессора в зависимости от периода измерений.

Таблица 1. Оценки среднего тока потребления и длительности работы датчика вибраций без задействованного BLE-процессора

Линейка поставок компании Texas Instruments содержит все необходимые компоненты для построения систем предиктивного обслуживания:
  • аналоговые и цифровые датчики физических величин;
  • микроконтроллеры, имеющие ультрамалое значение потребления, в том числе и с энергонезависимой оперативной памятью (серии FRAM-контроллеров);
  • энергоэффективные беспроводные системы-на-кристалле (СнК) диапазона 2,4 ГГц и субгигагерцевого диапазона;
  • примеры опорных решений, включающие в себя документацию (электрические принципиальные схемы, топология печатных плат, списки компонентов).
Период измерений, чСредний ток потребления, мкАВремя автономной работы, часы/годы
131,744037/5
216,584606/9,65
48,8158636/18,1
66,2225161/25,7

Добавление BLE-процессора в датчик несколько увеличивает энергопотребление. Поскольку события подключения к датчику по BLE пользователем достаточно редки, основной вклад в увеличение среднего тока потребления будет давать рассылка беспроводным контроллером adv-пакетов, а точнее – интервал между их рассылкой.

Увеличение интервала между рассылкой adv-пакетов снижает среднее энергопотребление (таблица 2), но, с другой стороны, несколько затрудняет обнаружение устройства, рассылающего пакеты (по крайней мере, стандартными средствами или при настройках поиска близлежащих устройств «по умолчанию»).

Таблица 2. Средний ток потребления и длительность работы датчика вибраций при подключенном BLE-процессоре в зависимости от интервала рассылки adv-пакетов

Интервал рассылки, сСредний ток потребления, мкАВремя автономной работы, часы/годы
0,1303,44601/0,5
156,624665/2,8
241,733506/3,82
531,1744789/5,1

Дальнейшим усовершенствованием проекта в плане энергопотребления может быть применение внешнего нанотаймера/супервизора для отключения питания на время паузы между замерами. Также можно использовать adv-пакеты для фоновой трансляции результатов измерений – не просто максимальных значений и их частот, а полного спектра. Конечно, такое решение потребует некоторых дополнительных изменений программного обеспечения на смартфоне: режим рассылки adv-пакетов не предусматривает подтверждения их приема и какого-либо протокола обмена данными, рассылка идет в одностороннем порядке.

Заключение

Опорный проект датчика вибраций является прекрасным примером системы с беспроводным BLE-интерфейсом, реализованным на микроконтроллере и беспроводном сетевом процессоре. Отдельного упоминания достойны задействованные в проекте меры по оптимизации энергопотребления как на стороне аналогово-измерительной части, так и на стороне микроконтроллеров.

Напрямую проект может быть применен в таких задачах, как:

  • мониторинг систем вентиляции и кондиционирования;
  • мониторинг холодильных установок;
  • отслеживание состояния насосов;
  • датчик вибрации конструкций и сооружений.

Виды датчиков для измерения вибрации

Классификация датчиков вибрации

Датчиком вибрации (измерительным преобразователем) называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем [5, c. 37].

Измерительные преобразователи (ИП) характеризуются чувствительностью, динамическим диапазоном, пределом и погрешностями преобразований.

Под чувствительностью преобразователя понимают отношение изменения сигнала на выходе к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную чувствительность.

Абсолютная чувствительность [5, c. 37]

Относительная чувствительность [5, c. 37]

где – изменение сигнала на выходе;

x – измеряемая величина;

– изменение измеряемой величины

Предел преобразования – наибольшее значение входной величины, которое воспринимается ИП без искажений и повреждений.

Динамический диапазон измерений характеризуется наибольшим и наименьшим значениями входных величин, измерения которых производится без искажений.

Под погрешностью измерений в общем случае понимают отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

ИП определяются также динамическими характеристиками, которые описывают их поведение при быстрых изменениях измеряемых величин.

К динамическим характеристикам, в частности, относят амплитудно-частотные и фазовые характеристики ИП. Частотная характеристика определяет зависимость чувствительности ИП от частоты изменения входного сигнала, а фазовая характеристика – зависимость сдвига фаз между векторами входной и выходной измеряемых величин от частоты синусоидального изменения входной измеряемой величины.

При измерении параметров вибрации используют два принципа измерения. Кинематический принцип заключается в том, что измеряют координаты точек исследуемого объекта относительно выбранной неподвижной системы координат, например неподвижных элементов измерительного прибора или неподвижных объектов вне прибора.

Приборы, действие которых основано на кинематическом принципе измерения, называют приборами измерения параметров вибрации относительно неподвижных координат.

Динамический принцип заключается в том, что параметры исследуемого вибрационного процесса измеряют относительно искусственной неподвижной системы отсчета, в большинстве случаев инерционного элемента, сочленяемого с вибрирующим объектом через упругий подвес.

ИП инерционного действия, реализующие динамический принцип измерения, являются измерителями абсолютных значений параметров вибраций исследуемых объектов. Абсолютные измерения вибраций обеспечиваются за счет использования инерционной массы, вывешенной на упругом подвесе, который при достаточно высоких частотах вибрации сохраняет инерционный элемент практически в состоянии покоя.

По принципу работы ИП абсолютной вибрации разделяют на генераторные и параметрические (рис. 31).

Рис. 31. Классификация преобразователей абсолютной вибрации

Генераторные ИП осуществляют прямое преобразование механической энергии в электрический сигнал. К ним относят ИП, действие которых основано на эффекте Холла, пьезоэлектрические, индукционные и др.

Параметрические ИП представляют собой устройства, в которых под действием измеряемых входных механических величин изменяются электрические параметры схем: сопротивление, емкость, частота и т.д. Особенностью параметрических ИП является наличие внешних источников питания и демодуляторов, фиксирующих изменение электрических параметров схем.

К параметрическим ИП относят резистивные, реостатные, тензорезисторные, емкостные, индуктивные, трансформаторные, магнитоупругие, вихретоковые, вибрационно-частотные, электронно-механические и др.

Из всего многообразия существующих ИП наибольшее распространение получили преобразователи с пьезоэлектрическим, тензорезистивным, электромагнитным (индуктивным), емкостным и струнным чувствительными элементами. Каждый из перечисленных ИП имеет свою область рационального применения. Так, пьезоэлектрические ИП наиболее целесообразно использовать при наличии в динамическом процессе широкого спектра частот (до нескольких десятков тысяч герц) и больших значений ускорений. Тензорезистивными, индуктивными, емкостными и вибрационно-частотными ИП целесообразно одновременно измерять переменную и постоянную составляющие динамического процесса.

Рассматриваемые датчики являются контактными, их закрепляют на исследуемом объекте и кабелем соединяют с контрольно-измерительной аппаратурой. Они просты в реализации, имеют точное положение на исследуемом объекте. Небольшая стоимость и приемлемая точность широко распространили их в промышленности, однако необходимость установки контактного датчика непосредственно на динамическом объекте резко снижает область их применения.

К основным недостаткам контактных датчиков можно отнести: подверженность датчиков и линий связи вредным с точки зрения надежности механическим и температурным воздействиям, что приводит к частым и дорогостоящим сбоям и отказам в системах контроля состояния оборудования; наличие линий связи, которые могут помешать вращающимся или движущимся узлам; применимость только, когда их масса принципиально меньше массы исследуемого объекта; относительно слабый уровень электрического сигнала, по сравнению с микрофонным эффектом подводящих проводов, собственными шумами и другими помехами; изменение чувствительности со временем, требующей периодической калибровки; существенный разброс характеристик от образца к образцу; невозможность производить измерения, начиная с 0 Гц; малая механическая прочность.

Существует много ситуаций, в которых необходимо измерить параметры вибрации объекта, не имея физического контакта с ним, или такой контакт просто невозможен, например, вращающиеся объекты (валы, цилиндры и т.п.), когда вследствие их эксцентриситета имеют место биения.

Таким образом, для случаев, в которых невозможен или недопустим контакт с исследуемым динамическим объектом, необходимо использование бесконтактных ИП, что, в свою очередь, не исключает их применимость наряду с контактными датчиками. Общим достоинством бесконтактных ИП является отсутствие механического воздействия на исследуемый объект и пренебрежительно малая инерционность, что позволяет избежать основных недостатков, присущих контактным методам. В частности, это возможность получения необходимой информации на малых и больших расстояниях, в любых режимах работы, в условиях низких и высоких температур, давлений, от герметичных объектов, от элементов находящихся в агрессивных и взрывоопасных средах, из замкнутых объемов. Отсутствие влияния на работу механических систем позволяет бесконтактным датчикам исследовать вибрацию легких поверхностей, стенок баков, лопастей турбин и прочих объектов, к которым невозможно крепление обычных датчиков.

Бесконтактные датчики основаны на принципе зондирования объекта звуковыми или электромагнитными волнами. Используются оптические, радиоволновые, акустические, радиационные, электромагнитные и магнитные методы [7]. Рассмотрим некоторые из них.

Датчики, используемые в методе ультразвуковой фазометрии, измеряют разности фаз опорного сигнала ультразвуковой частоты и сигнала, отраженного от исследуемого объекта. В качестве чувствительных элементов используется пьезоэлектрическая керамика. К достоинствам этого метода можно отнести дешевизну и компактность аппаратуры, малое время измерения, отсутствие ограничения на нижнюю границу частотного диапазона, высокую точность измерения низкочастотных вибраций. Использование ультразвуковых методов ограничивают невысокая разрешающая способность, сильное затухание ультразвука в воздухе, зависимость от состояния атмосферы, уменьшение точности измерения с ростом частоты вибрации [8].

Широкое распространение получили оптические ИП, зондирующие объект видимым светом. Все они подразделяются на две группы. К первой относятся датчики на эффекте Допплера. Простейшими из них являются датчики, основанные на гомодинном методе, который позволяет измерять амплитуды и фазы гармонических вибраций, но с их помощью невозможно исследовать негармонические и большие по амплитуде вибрации. Датчики, основанные на гетеродинном методе, лишены этого недостатка, однако требуют калибровки и очень сложной аппаратуры. Существенным недостатком оптических датчиков первой группы являются высокие требования к качеству поверхности исследуемого объекта и среде. Требования к качеству поверхности для датчиков второй группы намного ниже и они обладают высокой разрешающей способностью. Однако они требуют сложного и дорогостоящего оборудования, а также сравнительно большего времени измерения [9].

Общими недостатками оптических ИП являются: сложность, громоздкость и высокая стоимость оборудования; большое энергопотребление; высокие требования к качеству поверхности исследуемого объекта и к состоянию атмосферы (определенная влажность, отсутствие запыленности и т.п.). Кроме того, лазерное излучение оказывает вредное влияние на зрение обслуживающего персонала и требует дополнительных мер предосторожности и защиты [8].

Частотную нишу между ультразвуковыми и оптическими датчиками занимают радиоволновые. Особенности носителя информации – электромагнитного поля – придают ряд замечательных свойств радиоволновым методам измерения, контроля и технической диагностики. Радиоволновые датчики являются безинерционными и допускают бесконтактные измерения не только вибрации, но и перемещения, а также линейной скорости объектов. Контролируемые объекты могут быть как проводниками, так и диэлектриками с потерями или без потерь. Они могут быть использованы на расстоянии от сантиметров до нескольких метров, в условиях отсутствия или плохой оптической видимости, высоких температур и для объектов с большим многообразием форм и материалов поверхностей. Становится возможным измерить вибрацию динамических узлов, не нарушая конструкции или через герметичные стенки приборов. Например, измерить параметры движения второй крыльчатки турбины самолета, зондируя сигналом через первую в процессе их работы [10].

Радиоволновые методы измерения основаны на использовании зависимостей от контролируемой величины различных параметров электромагнитных систем, применяемых в качестве первичных измерительных преобразователей. К таким параметрам относятся: амплитуда и фаза отраженного сигнала; частота электромагнитных колебаний системы, ее добротность; число возбуждаемых типов колебаний; время прохождения электромагнитной волны от источника излучения до контролируемого объекта и др.

Из всего разнообразия радиоволновых методов измерения вибраций можно выделить две основные группы: резонаторные и интерференционные.

Резонаторные методы основаны на размещении вибрирующего объекта в поле ВЧ или СВЧ резонатора (вне или, хотя бы частично, внутри него), при котором под влиянием вибраций изменяются характеристики резонатора. Они могут быть реализованы на объемных резонаторах и отрезках длинных линий. С применением СВЧ резонаторов возможно достижение большой чувствительности при соответствующем построении измерительной цепи и выборе ее параметров, в частности по двухканальной схеме с опорным каналом [10].

Однако сложность конструкции, низкая чувствительность, малая удаленность от объекта измерения, необходимость создания дополнительных гармонических колебаний, а также сложный механизм оценки уровня вибрации не позволяют им найти широкое применение.

В основе интерференционных методов лежит зондирование вибрирующего объекта электромагнитными волнами ВЧ и СВЧ диапазонов, прием и анализ отраженных (рассеянных) объектом волн. Между излучающим устройством и объектом в результате интерференции образуется стоячая волна. Вибрация объекта приводит к амплитудной и фазовой модуляции отраженной волны и к образованию сигнала биений. У выделенного сигнала переменного тока амплитуда пропорциональна амплитуде вибраций, а частота соответствует частоте вибраций контролируемого объекта. Однако прямое измерение абсолютных значений параметров вибрации, проводимое по амплитуде выходного сигнала биений, требует выполнения сложных процедур калибровки (градуировки) при смене и/или изменении расстояния до исследуемого объекта, что затрудняет разработку на их основе вибродатчиков с нормированными метрологическими характеристиками. Эти сложности в реализации ограничивают широкое использование и внедрение радиоволновых датчиков на базе существующих амплитудных методов [10].

Этого недостатка лишен фазовый интерференционный радиоволновой метод, в котором амплитуда отраженного сигнала непосредственно не участвует в расчете параметров.

Сравнительные характеристики бесконтактных методов приведены в таблице 3 [7].

Оцените статью
Добавить комментарий