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使用PC音频和DIY运动传感器进行低成本振动分析

2022-12-14 10:53:31 Stephen Woodward 阅读:
振动分析是一种强大而非侵入性的用于测量、理解和量化机械系统内部动态的方法,但是其必要仪器的成本有时会阻碍个人使用。本设计实例探索了个人计算机(PC)音频编解码器、软件示波器和电子表格运算在采集由简单、廉价的DIY运动传感器所产生的信号,从而在成本不高的情况下实现高性能振动分析方面的潜力。

振动分析是一种强大而非侵入性的用于测量、理解和量化机械系统内部动态的方法,但是其必要仪器的成本有时会阻碍个人使用。本设计实例探索了个人计算机(PC)音频编解码器、软件示波器和电子表格运算在采集由简单、廉价的DIY运动传感器所产生的信号,从而在成本不高的情况下实现高性能振动分析方面的潜力。yMEednc

廉价的动磁速度传感器

商用运动传感器采用各种物理效应(压电等)来感知运动,但有种很容易自制的类型,它包括一个小型的业余级棒状磁铁,而使之在手工缠绕的线圈内移动。由穿过线圈的磁力线所产生的输出电压,与磁铁相对于线圈的速度成正比(图1)。也可以将其在数值上转换为加速度(通过微分)和位移(通过积分)的度量。yMEednc

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图1:在动磁式速度传感器中,由穿过线圈的磁力线所产生的输出电压,与磁体相对于线圈的速度成正比。yMEednc

制造这种传感器的一种简单方法,是在缝纫机的塑料线轴上缠绕几千匝40AWG的“可焊接”绝缘漆包线(即无需在焊接前对其进行剥离——这在实际处理看不见的电线时是种好的避免方法!),然后将其粘在钻了孔的木销上,这样就可以容纳磁铁和合适的弹簧(图2图3)。yMEednc

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图2:DIY动磁式速度传感器设计。yMEednc

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图3:DIY动磁速度传感器。yMEednc

我们可使用重力来很容易地校准传感器,从而补偿磁铁强度和线圈匝数等方面的不确定性。对于所示的传感器,我们移除了弹簧,将组件保持垂直,并使线圈位于底部。然后将磁铁放入到孔中并释放,而使其自由下落。如此产生的峰峰值电压(Vpp),在磁体穿过线圈时就会被记录下来。yMEednc

自由下落物体的加速度约为9.8m/s2。因此,通过X米高度的自由落体运动,就会产生Vm/s=(19.6X)1/2m/s的速度。给定X作为磁铁下降的距离(所示传感器约为0.2m),则Vpp=2K(19.6X)1/2m/s,由此得出K=Vpp/2/(19.6X)1/2m/s,其中K是将速度Vm/s与输出电压V相关联的传感器速度校准常数:Vm/s=V/K。yMEednc

速度比例信号的采集

将个人计算机中所常见的16位和24位音频I/O硬件(所谓的“声卡”)与示波器模拟软件相结合,可提供低成本(甚至零成本)的信号采集功能,这几乎是振动分析的理想选择。缩放、触发和时基选项、频率分析和数据文件存储都包括在内。但是,这种输入硬件的一个遗留问题,有时会对振动分析造成重大限制,那就是频率响应的底端,毕竟它专门针对可听声音的采集和再现进行了优化。正如另一篇设计实例“Input buffer and attenuator for sound card oscilloscopes extends low-end frequency response”(可扩展低端频率响应的声卡示波器的输入缓冲器和衰减器)中所建议的那样,可通过增加一点输入外部电路来部分克服这一限制,如图4所示。yMEednc

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图4:声卡前端电路。yMEednc

或者,可以运用采集后的数值软件校正,产生类似的效果。可能需要对T进行经验调整,以便优化补偿。yMEednc

令:ai(i=1至n)为原始交流耦合输入数据数组;yMEednc

T为输入样本之间的时间(对于数字音频,通常为1/44kHz=22.73μs);yMEednc

T为声卡音频输入的RC时间常数,通常约为1.5ms至25ms;yMEednc

di(i=1至n)为校正输出数据数组。yMEednc

则:di=ai+SUM(a1:ai)(e(t/T)–1)yMEednc

数据分析

简单的电子表格运算可以将数字化(以及可选的低频校正)的传感器信号转换为机械运动的基本物理过程:yMEednc

  • 积分(以m为单位的位移):yi(i=1至n)=SUM(d1:di)t/K;
  • 线性(以m/s为单位的速度):vi(i=1至n)=di/K;
  • 微分(以m/s2为单位的加速度):gi(i=3至n–2)=(di-2–8di-1+8di+1–di+2)/(12tK)。

典型应用

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图5:22J枪口能量弹簧活塞气枪在发射周期中的加速度,X轴单位为s,Y轴单位为G。yMEednc

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图6:利用双通道(立体声)编解码器采集Y-Z轴打靶气枪枪口关于所指示弹丸离开的振动瞬间。yMEednc

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图7:作者在一台(非常旧的)Maytag洗碗机上检测泵轴承振动的设置。yMEednc

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图8:Maytag洗碗机泵轴承振动分析。yMEednc

最后,感谢Jim Tyler先生对动磁传感器(或Jim将其命名为“测速仪”)的创新和创造性设计、实现和应用,借此就可测量和改进精密打靶气枪的内部弹道学。谢谢,Jim!yMEednc

Stephen Woodward与EDN的设计实例专栏的关系可以追溯到很久以前。自1974年他的第一篇投稿发表以来,总共收到了64篇投稿yMEednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Low-cost vibration analysis using PC audio and DIY motion sensors,由Franklin Zhao编译。)yMEednc

本文为《电子技术设计》2022年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里yMEednc

责编:Franklin
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Stephen Woodward
W .Stephen Woodward是仪表、传感器和计量学自由顾问,是EDN设计实例栏目最高产且最富创意的作者之一。
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