使用加速規量測振動

什麼是振動？ 

當機器或元件在平衡位置出現位移或機械震盪的現象，就稱為振動。它可能是週期性現象 (像是單擺動作) 或是隨機現象 (像是輪胎在石子路上的動作)。振動可用公制單位 (m/s²) 或重力常數單位「g」來表示，其中 1 g 等於 9.81 m/s²。物件的振動方式有兩種：自由振動與強迫振動。

當物件或結構因位移或受到衝擊而出現自然震盪現象時，就稱為自由振動。舉例來說，當您敲擊音叉時，它會發出聲響然後慢慢停止。自然頻率通常指的是結構受到衝擊或位移，「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。

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相等時，就會出現強迫振動現象。在狀態監控上，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。

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。大多數加速規仰賴壓電效應來運作，而後者是在特定水晶類型承受應力時所產生的電壓。測試結構的加速度會傳導到加速規內部的震盪質量，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)。 

選擇正確的加速規

多功能的加速規提供各式各樣的設計、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。一般會使用靈敏度與質量較低的加速規來監控高振動準位。

靈敏度

靈敏度為加速規最重要的參數之一。此參數以參考頻率 (例如 160 Hz) 描述振動與電壓之間的轉換關係。靈敏度是以 mV/G 單位來表示。如果以 100 mV/G 的傳統加速規靈敏度來量測 10 G 訊號，將獲得 1,000 mV 或 1 V 輸出。精確的靈敏度可藉由校準獲得，並通常會列在隨感測器附上的校準證書上。靈敏度同時也與頻率相關。要判斷靈敏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。一般會使用低靈敏度加速規來量測高振幅訊號，並使用高靈敏度加速規來量測低振幅訊號。

軸數

共有 2 種軸向加速規類型可選擇。最常見的加速規只量測單軸加速度，通常是用來量測機器振動準位。另一款為三軸式加速規，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 種安裝方式：

• 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。無論固定方式是哪一種，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 100 mV/G 加速規的典型頻率限制。

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、環氧樹脂或環境式。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，NI 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連接線與電荷放大器，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。

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，您需要考慮到下列因素，以確保符合所有訊號處理需求：

• 透過放大電流來增加量測解析度，並提升訊噪比
• 透過電流激發，為 IEPE 感測器中的電荷放大器供電
• 透過 AC 偶合去除 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

如要深入了解如何處理、擷取、分析與顯示加速規量測值，請下載「準確量測感測器工程師指南 (Engineer's Guide to Accurate Sensor Measurements)」。

將加速規連接至 NI 硬體

了解自己的感測器或測試需求後，接下來就必須決定用於收集資料的硬體。擷取硬體的品質好壞，決定了收集資料的品質。

NI 提供一系列歷經精心設計的聲音與振動硬體，可擷取振動資料，並相容於各種 IEPE 感測器。

為確認 NI 聲音與振動裝置以及 IEPE 感測器、加速規等的相容性，請參考 NI 介面卡中的 IEPE 感測器激發與合規電壓。如果有使用前置放大器，NI 聲音與振動硬體仍可正常運作，但訊號特性可能會改變。請確認前置放大器的輸出是在聲音與振動硬體輸入範圍內。同理，如果使用的是非 IEPE 感測器，請確認感測器輸出符合裝置輸入功能。