使用加速度计测量振动

什么是振动？ 

振动是关于机器或组件偏离平衡位置的运动或机械振荡。它可以是周期性的，比如钟摆的运动，也可以是随机的，例如轮胎在砾石路面上的运动。振动可以用公制单位(m/s²)或重力常数单位“g”来表示，其中1 g= 9.81 m/s²。物体的振动方式有两种：自由振动和受迫振动。

当物体或结构发生移位或受到冲击，会自然地振荡，这就是自由振动。例如，当我们敲打一个音叉时，音叉会响起来，但声音会渐渐减弱直至消失。固有频率经常是指结构在受到冲击或发生移位时“希望”振荡的频率。共振是指系统在特定频率下的振荡比其他频率更剧烈。在物体的固有频率或接近物体的固有频率下发生受迫振动会使物体内部积累能量。即使一开始的受迫振动幅度非常小，随着时间的推移，振动也可能相当剧烈。如果物体的固有频率与正常环境振动频率相等，那么物体的振动会更剧烈，但也更快停止。

受迫振动是指结构由于施加变化的力而发生振动的情况。旋转或交替运动可以强迫物体以非固有频率振动。一个例子是洗衣机的失衡，在该情况下，洗衣机甩动的频率等于旋转栅门的旋转频率。在状态监测中，振动测量用于指示压缩机、涡轮机或泵等旋转机械的运行状况。这些机器包含各种部件，并且每个部件都有各自独特的振动模式或特征。通过在一段时间内记录不同振动特征的趋势，您将可以预测机器何时会发生故障，并妥善安排维护作业，从而提高安全性，并降低维护成本。

振动测量 

振动通常使用陶瓷压电传感器或加速度计进行测量。大多数加速度计通常基于压电效应，即某些类型的晶体在受到压力时会产生电压。测试结构的加速度传输到加速度计内的质量块，然后在压电晶体上生成相应的力。这个来自外部的压力会使晶体产生高阻抗电荷，电荷量与所施加的力成正比，因而也与加速度成正比。 

选择合适的加速度计

由于加速度计具有多种用途，因而市面上提供了各种设计、尺寸和量程的加速度计。要理清加速度计的所有不同电气和物理规格，需要先了解要测量的信号的特性以及各种环境约束。

振幅

要测量的振动的最大振幅或范围决定了要使用的传感器的量程。如果要测量的振动超出传感器的量程，响应就会失真或削波。通常情况下，用于监测高振动幅度的加速度计具有较低的灵敏度和较轻的质量。

灵敏度

灵敏度是加速度计的最重要参数之一。它描述的是在参考频率下（如160 Hz）振动和电压之间的转换。灵敏度的单位是mV/G。典型的加速度计灵敏度为100 mV/G，这意味着如果测量的是10 G信号，输出将为1,000 mV或1 V。确切的灵敏度由校准决定，这个参数通常在传感器随附的校准证书中列出。灵敏度也依赖于频率。如果要确定灵敏度如何随频率变化，就需要在整个可用频率范围内进行全面校准。图4显示了加速度计的典型频率响应特性。一般情况下，我们使用低灵敏度加速度计来测量高振幅信号，使用高灵敏度加速度计来测量低振幅信号。

轴数量

加速度计有两种轴类型。最常见的加速度计仅测量沿单轴的加速度。通常，此类加速度计用于测量机械振动的幅度。另一类加速度计为三轴加速度计。此类加速度计可通过正交组件创建加速度的三维向量。此类加速度计通常用于确定振动的类型，如侧向、横向或是旋转振动。

重量

加速度计的重量应该比所监测的结构小许多。在结构上增加质量块会改变结构的振动特性，并可能导致数据和分析不准确。加速度计的重量通常应不超过测试结构重量的10％。

安装方法

振动测量系统的另一个考量因素是如何将加速度计安装到目标表面。有四种典型的安装方式可供选择：

• 手持式或探头尖端
• 磁式
• 粘接式
• 螺柱安装式

螺柱安装是迄今为止最好的安装技术，但需要在目标材料上钻孔，通常适用于永久性传感器安装。其他方法主要用于临时安装。每种安装方法都会影响加速度计的可测量频率。一般而言，连接越松，可测量频率范围越小。在加速度计中添加任何质量块，如粘接式或磁式安装基座，都会降低谐振频率，这可能会影响精度和加速度计可用频率范围。查看加速度计规格，以确定不同安装方法如何影响频率测量范围。表1显示了100 mV/G加速度计的典型频率范围。

环境约束

选择加速度计时，需要注意重要的环境参数，如最高工作温度、有害化学物质接触和湿度。得益于坚固、可靠的结构，大多数加速度计可适用于危险的环境。如需额外的保护，不锈钢制成的工业加速度计可以防止传感器生锈和受到化学腐蚀。

如果系统必须在极端温度下工作，则需要使用充电式加速度计。由于这些加速度计不包含内置电子器件，工作温度仅取决于结构所使用的感测元件和材料。然而，由于它们不具有内置的调理和电荷放大功能，充电式加速度计对环境干扰非常敏感，需要低噪声线缆。如果环境非常嘈杂，则应使用具有内置电荷放大器的内嵌充电转换器或IEPE传感器。

湿度规格由加速度计的密封类型决定。常见的密封包括密封胶密封、环氧树脂密封和环境密封。这些密封大多数可以承受高湿度的环境，但是密封胶密封建议用于液体浸泡和长时间暴露在过度潮湿环境的情况。

成本

虽然充电式和IEPE加速度计的成本差不多，但是对于大型多通道系统，IEPE加速度计的成本要低得多，因为它们不要求专用的低噪线缆和电荷放大器。此外，由于IEPE加速度计的操作和维护要简单得多，因而更易于使用。

加速度计的信号调理

在选择要使用DAQ设备进行测量的加速度计时，需要考虑以下几点，以确保满足您所有的信号调​理要求：

• 放大，可提高测量精度和信噪比
• 电流激励，以便为IEPE传感器中的电荷放大器供电
• 交流耦合，用于去除直流偏移、提高分辨率，并充分利用输入设备的整个输入范围
• 滤波，可去除外部高频噪声
• 正确接地，可消除不同接地电势差之间的电流噪声
• 动态范围，可测量加速度计的完整振幅范围

如需详细了解如何调理、采集、分析和显示加速度计测量数据，请下载精确传感器测量工程师指南。

将加速度计连接至NI硬件

在了解了传感器或测试需求后，就需要决定采集数据所需的硬件。采集硬件的质量决定了所采集数据的质量。

NI提供各种声音和振动硬件来采集振动数据，且可兼容各种IEPE传感器。

如需确认NI声音和振动设备与IEPE传感器、加速度计等之间的兼容性，请参阅NI板卡中IEPE传感器的激励电压和合规电压。如果使用前置放大器，NI声音和振动硬件仍然会工作，但信号特性可能会改变。因此需验证前置放大器的输出是否在声音和振动硬件的输入范围内。同样，对于非IEPE传感器，请确保传感器输出与设备输入功能兼容。