Im im Prozess der Herstellung eines Quadcopters. An diesem Punkt begegnete ich einem Problem mit der MPU-6050 Winkelberechnung. Wenn quadcopter stationär ist mit Motoren im Off-Zustand und Im Kippen es, Winkel-Lesungen in allen 3-Achsen ist gut, aber wenn Motoren in auf Zustand sind, beginnt die Ablesung über den Platz zu springen und kann sogar von realem Wert um 20 Grad unterscheiden. Ich gehe davon aus, dass dieser Effekt auf mechanische Vibrationen durch Motoren zurückzuführen ist. Ich habe Bilder von MPU-6050 Board Montage und ein Diagramm der Winkelablesungen von MPU-6050 in X-Achse mit Kalman-Filter, Komplementärfilter und MPU-6050 DMP (Kalman und komplementäre Filter-Implementierungen sowie Verarbeitung Code für Graphen ist von Kristian Lauszus GitHub, DMP mit Jeff Rowberg I2Cdev Bibliothek). Ich habe die zweite MPU an einen anderen Mikrocontroller angeschlossen, so dass es nicht elektrisch mit einem Quadcomputer verbunden und MPU an Bord mit zwei Schwämmen von beiden Seiten der MPU montiert wurde. Ergebnisse waren ziemlich gleich. Also jetzt weiß ich wirklich, dass Rauschen (zumindest die Mehrheit der Lärm) nicht mit elektrischen Schaltgeräuschen von Motoren verwandt ist. Vibrationen war der Grund, warum ich mein quadcopter Projekt vor einem Jahr aufgegeben habe. Aber das Problem ist lösbar, nur extrem ärgerlich daran zu arbeiten. Ich vermute, Sie kombinieren Beschleunigungssensor und Gyro Daten (sowohl Kalman und Comp. Filter sind Sensor Fusion Algorithmen). Könnten Sie versuchen, die Werte anzupassen, so dass Gyro hat viel höhere quotcontributionquot auf das Ergebnis und Beschleunigungsmesser nur korrigiert Kreisel Drift. Sie könnten auch versuchen, Tiefpassfilter (in Software) die Winkel. Und mechanische Lösungen (Nylon-Spacer, besserer Rahmen etc.) helfen auch. Ndash Mishony Mai 17 16 at 13:12 Im Falle von MPU DMP Programmierung habe ich Jeff39s Arduino Beispiel Skizze, ich habe gerade geändert FIFO Rate von 100 Hz bis 25 Hz, weil FIFO viel überlaufen, Im Falle von Kristian Filter Umsetzung: Sample Rate ist 1 KHz FSYNC deaktiviert und eingestellt 260 Hz Acc Filterung, 256 Hz Gyro Filterung, 8 KHz Abtast Kreisel Full Scale Range ist 177250degs Beschleunigungssensor Full Scale Range ist 1772g PLL gesetzt mit X-Achsen-Gyroskop-Referenz deaktiviert Schlaf-Modus. Die schwarze gerade Linie repräsentiert 0 Grad. Kalman-Filterlinie ist auch schwarz, es ist schwer zu sehen, da Kalman-Werte nahe an komplementäre Filter sind. Ndash Martynas Janknas Mai 17 16 at 17:07 Vergewissern Sie sich, dass die Hochleistungsschaltung, die Ihre ESCs fährt, eine gemeinsame Masse mit dem niedrigen Leistungssignalkreis vom Mikrocontroller teilt. Ich fand das sehr wichtig beim Aufbau meines Quads, da es auch einige Fehler mit den anderen Systemen wie dem RxTx verursacht hat. Antwortete am 24. Mai 16 um 15:34 Ich habe erfolgreich einen Trikopter-Flugcontroller entwickelt, ich hatte auch Probleme mit Vibrationen, so dass die einzige Möglichkeit, mit ihm zu decken ist, von Anfang zu beginnen und Balance Motoren, Propeller, etc., nur dann sollten Sie sein Fein, um zu gehen. Wenn Sie einen Flugsteuerpult kaufen, sehen Sie, daß es nicht richtig mit Ihrer Hardware arbeitet, es sei denn, Sie balancieren alles. Sie haben auch die Resultate von den Lesungen vom Gyroskop zu filtern. Ich habe einen gleitenden durchschnittlichen Filter mit guten Resultaten benutzt. Hier können Sie die einige Tests und die fliegende Maschine zu sehen. Viel Glück mit deinem Projekt. Vibrationsmessung Vibration kann als die Oszillation oder sich wiederholende Bewegung eines Objekts um eine Gleichgewichtsposition betrachtet werden. Die Gleichgewichtsposition ist die Position, die das Objekt erreichen wird, wenn die auf ihn wirkende Kraft Null ist. Vibrationen treten in der Regel aufgrund der dynamischen Effekte von Fertigungstoleranzen, Freiräumen, Roll - und Reibkontakt zwischen Maschinenteilen und Unwuchtkräften in rotierenden und hin - und hergehenden Elementen auf. Oft können kleine unbedeutende Vibrationen die Resonanzfrequenzen einiger anderer Bauteile anregen und in große Schwingungs - und Geräuschquellen verstärken. Manchmal sind mechanische Vibrationen erforderlich. So erzeugen wir z. B. Vibrationen in Kompressoren, Betonverdichtern, Ultraschallreinigungsbädern, Gesteinsbohrern und Staplern. Vibrationsprüfmaschinen werden ausgiebig verwendet, um den Produkten und Unterbaugruppen ein kontrolliertes Vibrationsniveau zu verleihen, wo es erforderlich ist, ihre physikalische oder funktionelle Antwort zu untersuchen und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Vibrationsumgebungen zu ermitteln. Was sind Vibrationen Vibrationskörper beschreibt eine oszillierende Bewegung um eine Referenzposition. Die Anzahl der Zeiten, in denen ein vollständiger Bewegungszyklus während des Zeitraums von einer Sekunde stattfindet, heißt Frequenz und wird in Hertz (Hz) gemessen. Die Bewegung kann aus einer einzigen Komponente bestehen, die bei einer einzigen Frequenz, wie bei einer Stimmgabel, oder von mehreren Komponenten, die bei verschiedenen Frequenzen gleichzeitig auftreten, wie beispielsweise bei der Kolbenbewegung einer Brennkraftmaschine, auftreten. Auf dem Bild unten sehen wir die Bewegung einer Stimmgabel. Eine Stimmgabel ist ein akustischer Resonator in Form einer zweigleisigen Gabel. Es schwingt bei einer bestimmten konstanten Tonhöhe, wenn es vibriert, indem es gegen eine Oberfläche oder mit einem Objekt schlägt und einen reinen Musikton aussendet. Signal vom Tuning der Gabel im DEWESoft Recorder. Auf dem Bild unten sehen wir die Bewegung einer Kolbenbewegung, die in Verbrennungsmotoren zu finden ist. Signal von Kolbenbewegung im DEWESoft Recorder. Schwingungssignale in der Praxis bestehen in der Regel aus vielen Frequenzen, die gleichzeitig auftreten, so dass wir nicht sofort sehen können, nur indem wir das Amplituden-Zeit-Muster betrachten, wie viele Komponenten es gibt und bei welchen Frequenzen sie auftreten. Diese Komponenten können durch die Darstellung der Schwingungsamplitude gegen die Frequenz aufgedeckt werden. Der Abbau von Schwingungssignalen in einzelne Frequenzkomponenten wird als Frequenzanalyse bezeichnet, eine Technik, die als Eckpfeiler einer diagnostischen Schwingungsmessung betrachtet werden kann. Der Graph, der den Vibrationspegel als Funktion der Frequenz zeigt, wird als Frequenzspektrogramm bezeichnet. Bei der Frequenzanalyse von Maschinenschwingungen finden wir normalerweise eine Anzahl von prominenten periodischen Frequenzkomponenten, die direkt mit den Grundbewegungen verschiedener Teile der Maschine zusammenhängen. Mit der Frequenzanalyse sind wir daher in der Lage, die Quelle unerwünschter Vibrationen aufzuspüren. Einzelne und mehrere Komponenten Maschinenvibration Die meisten von uns sind mit Vibrationen vertraut, die ein vibrierendes Objekt bewegt - oszilliert. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dass wir sagen können, dass etwas vibriert. Wir können ein vibrierendes Objekt anfassen und die Vibration spüren. Wir können auch die Bewegung eines vibrierenden Gegenstandes sehen. Manchmal schafft die Vibration Töne, die wir hören oder heizen können, die wir spüren können. Maschinenvibration ist einfach die Hin - und Herbewegung von Maschinen oder Maschinenteilen. Jede Komponente, die hin und her bewegt oder oszilliert, schwingt. Maschinenvibrationen können verschiedene Formen annehmen. Eine Maschinenkomponente kann über große oder kleine Entfernungen schnell oder langsam und mit oder ohne wahrnehmbaren Schall oder Hitze vibrieren. Maschinenvibrationen können oft absichtlich entworfen werden und haben so einen funktionalen Zweck. Zu anderen Zeiten kann Maschinenschwingung unbeabsichtigt sein und zu Maschinenschäden führen. Hier sind einige Beispiele für unerwünschte Maschinenschwingungen. Was verursacht Maschinenvibration Fast alle Maschinenvibrationen sind auf eine oder mehrere dieser Ursachen zurückzuführen: Wiederholungskräfte - Die meisten Maschinenvibrationen sind auf wiederholende Kräfte zurückzuführen, die denen ähnlich sind, die das Boot zu schaukeln. Wiederholende Kräfte wie diese auf Maschinenteile wirken und die Maschine zum Vibrieren bringen. Lockerheit - Lockerheit der Maschinenteile verursacht eine Maschine zu vibrieren. Wenn Teile locker werden, können Schwingungen, die normalerweise von tolerierbaren Werten sind, hemmungslos und übermäßig werden. Resonanz - Maschinen haben ihre natürlichen Schwingungsraten. Schwingungsursache Schwingungspegel Die Schwingungsamplitude ist die Kennlinie, die die Schwere der Schwingung beschreibt und auf mehrere Weisen quantifiziert werden kann. Auf dem Diagramm wird die Beziehung zwischen dem Peak-to-Peak-Pegel, dem Peak-Pegel, dem Durchschnittspegel und dem RMS-Pegel einer Sinuswelle gezeigt. Der Peak-to-Peak-Wert gibt die maximale Auslenkung der Welle an, eine Nutzgröße, bei der beispielsweise die Vibrationsverschiebung eines Maschinenteils für maximale Belastung oder mechanische Clearance-Betrachtungen kritisch ist. Der Spitzenwert ist besonders wertvoll für die Angabe des Niveaus der kurzzeitigen Stöße usw. Aber, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, geben die Spitzenwerte nur an, welcher Maximalpegel aufgetreten ist und der Zeitverlauf der Welle nicht berücksichtigt wird. Der gleichgerichtete Mittelwert dagegen nimmt den Zeitverlauf der Welle in Betracht, wird aber von begrenztem praktischen Interesse betrachtet, weil er keine direkte Beziehung zu irgendeiner nützlichen physikalischen Größe hat. Der RMS-Wert ist das wichtigste Maß für die Amplitude, weil es sowohl den Zeitverlauf der Welle berücksichtigt als auch einen Amplitudenwert gibt, der direkt mit dem Energiegehalt und damit mit den zerstörenden Fähigkeiten der Vibration zusammenhängt. Parameter Vibrationsparameter Als wir die vibrierende Stimmgabel betrachteten, betrachteten wir die Amplitude der Welle, als die physikalische Verschiebung der Gabel zu beiden Seiten der Ruheposition endet. Neben der Verschiebung können wir auch die Bewegung des Gabelbeins in seiner Geschwindigkeit und seiner Beschleunigung beschreiben. Die Form und die Periode der Vibration bleiben gleich, ob es sich um die Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung handelt, die in Betracht gezogen wird. Der Hauptunterschied besteht darin, dass es eine Phasendifferenz zwischen den Amplituden-Zeit-Kurven der drei Parameter gibt, wie in der Zeichnung dargestellt. Die Geschwindigkeit ist in 90 Phase mit Verschiebung, und die Beschleunigung ist in 180 Phase mit Verschiebung. Bei sinusförmigen Signalen werden Verschiebungs-, Geschwindigkeits - und Beschleunigungsamplituden mathematisch durch eine Funktion von Frequenz und Zeit verknüpft, dies wird im Diagramm grafisch dargestellt. Wenn die Phase vernachlässigt wird, wie es immer bei der Durchführung von zeitmittellichen Messungen der Fall ist, dann kann der Geschwindigkeitspegel durch Dividieren des Beschleunigungssignals um einen Faktor proportional zur Frequenz erhalten werden, und die Verschiebung kann durch Dividieren des Beschleunigungssignals um einen Faktor erhalten werden Proportional zum Quadrat der Frequenz. Durch die Erkennung der Vibrationsbeschleunigung sind wir nicht an einen Parameter gebunden. Mit elektronischen Integratoren können wir das Beschleunigungssignal auf Geschwindigkeit und Verschiebung umwandeln. Die Vibrationsparameter werden in metrischen Einheiten nach ISO-Anforderungen nahezu universell gemessen. Die Gravitationskonstante g ist immer noch weit verbreitet für Beschleunigungsniveaus, obwohl es außerhalb des ISO-Systems kohärenter Einheiten liegt. Wo eine einzige, breite Frequenzband-Vibrationsmessung erfolgt, ist die Wahl der Parameter wichtig, wenn das Signal bei vielen Frequenzen Komponenten aufweist. Die Messung der Verschiebung gibt den niederfrequenten Komponenten das meiste Gewicht und umgekehrte Beschleunigungsmessungen werden das Niveau zu den hochfrequenten Komponenten gewichten. Die Erfahrung hat gezeigt, dass der Gesamt-RMS-Wert der Vibrationsgeschwindigkeit, der über den Bereich von 10 bis 1000 Hz gemessen wird, den besten Hinweis auf eine Schwingungsschwere gibt. Eine wahrscheinliche Erklärung ist, dass ein gegebener Geschwindigkeitsniveau einem gegebenen Energieniveau entspricht, so dass die Vibration bei niedrigen und hohen Frequenzen aus der Sicht der Vibrationsenergie gleich gewichtet wird. In der Praxis haben viele Maschinen ein relativ flaches Geschwindigkeitsspektrum. Dies führt uns zu einer praktischen Betrachtung, die die Wahl der Parameter beeinflussen kann. Es ist vorteilhaft, die Parameter auszuwählen, die das flachste Frequenzspektrum ergeben, um den Dynamikbereich (die Differenz zwischen den kleinsten und größten Messwerten) der Instrumentierung voll auszunutzen. Aus diesem Grund werden die Geschwindigkeits - oder Beschleunigungsparameter normalerweise für Frequenzanalyse ausgewählt. Da die Beschleunigungsmessungen auf hochfrequente Schwingungskomponenten gewichtet werden, werden diese Parameter dazu verwendet, wo der Frequenzbereich von Interesse hohe Frequenzen aufweist. Die Art der mechanischen Systeme ist so, dass spürbare Verschiebungen nur bei niedrigen Frequenzen auftreten, daher sind Verschiebungsmessungen von begrenztem Wert in der allgemeinen Untersuchung der mechanischen Vibration. Wo kleine Freiräume zwischen Maschinenelementen in Betracht gezogen werden, ist die Vibrationsverlagerung natürlich eine wichtige Überlegung. Die Verschiebung wird oft als Indikator für die Unwucht bei rotierenden Maschinenteilen verwendet, da relativ große Verschiebungen üblicherweise bei der Wellenrotationsfrequenz auftreten, was auch die Häufigkeit des größten Interesses für Ausgleichszwecke ist. Was ist Beschleunigung und was ist ein Beschleunigungsmesser Beschleunigung ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Geschwindigkeit eines Objekts relativ zur Zeit ändert (es ist die Ableitung des Geschwindigkeitsvektors als Funktion der Zeit ein dvdt). Es ist das Ergebnis aller Kräfte, die auf ein Objekt wirken. Im Allgemeinen haben wir zwei grundlegende Messaufgaben für die Beschleunigung: Beschleunigung durch Vibration des Objekts unter Testbeschleunigung als Ergebnis einer Änderung der Geschwindigkeit des Objekts, wie ein Fahrzeug (Auto, Flugzeug), gibt es einen großen Unterschied in Durchführung dieser beiden Messaufgaben. Die wichtigste Information bei der Messung der Schwingungsbeschleunigung ist der dynamische Teil des Signals (das Objekt bewegt sich nicht). Bei der Messung der Kurvenfahrt oder der Beschleunigungsbremsung des Fahrzeugs ist das wichtigste Ergebnis der statische Teil des Signals, der zu einer Änderung der Geschwindigkeit führt. Daher müssen die Sensoren zur Messung der Änderung der Fahrzeugbewegung die Möglichkeit haben, die statische Beschleunigung (wie die Schwerkraft) zu messen, während die Sensoren zum Messen von Vibrationen in der Regel den statischen Teil aus den Ergebnissen bereits durch die Sensorgestaltung entfernt haben. Es ist auch wichtig zu wissen, wie die Geschwindigkeit Ableitung der Verschiebung (v dsdt) ist, können wir auch die Beschleunigung durch Geschwindigkeitsmessung und Ableitung des Signals oder durch Messung der Verschiebung und Doppelableitung messen. Dies ist ein praktischer Fall bei der Messung der Oberflächenverschiebung durch Verwendung von Laser - oder Wirbelstromsonden. Es ist auch sehr üblich, auch Beschleunigungsmessung zu verwenden, um Geschwindigkeit und Verschiebung zu messen. Die Prinzipien der Integration sind anders. Bei der Integration der Bewegung eines Fahrzeugs führt die statische Beschleunigung zur Änderung der Geschwindigkeit (und Verschiebung). Wir müssen wissen, dass, da die Beschleunigungsmessung Fehler hat, das Ergebnis eine Drift in Geschwindigkeit und Distanz sein wird. Diese Drifts werden durch eine Qualität von Beschleunigungssensoren bestimmt. Mit sehr guten Sensoren können die U-Boote beispielsweise wochenlang laufen und dennoch ihre korrekte Lage berechnen, aber in der normalen Welt sind wir nicht so glücklich, da der dynamische Teil des Signals viel höher ist und auch die Änderungsraten höher sind. Normalerweise verwenden wir einen anderen Sensor, um den Fehler zu kompensieren. Eine der häufig verwendeten Sensorkombinationen ist die Beschleunigungsmessung von turnGPS-Sensoren. Bei der Messung von Vibrationen ist das statische Teil nicht wichtig und muss daher bei der Integration durch Hochpassfrequenzfilter entfernt werden. Arten der Messung Beschleunigungsmessungen werden in folgende Kategorien unterteilt: Vibration - ein Objekt soll vibrieren, wenn es eine oszillierende Bewegung um eine Gleichgewichtslage ausführt. Vibrationen finden sich in den Transport - und Luft - und Raumfahrtumgebungen oder wie durch ein Shaker-System simuliert. Schock - eine plötzliche vorübergehende Erregung einer Struktur, die im Allgemeinen die Strukturresonanzen erregt. Bewegung - die Bewegung ist ein langsames Ereignis wie die Bewegung eines Roboterarms oder eine Automobil-Fahrwerksmessung. Seismisch - das ist eher eine Bewegung oder eine niederfrequente Vibration. Diese Messung erfordert in der Regel einen spezialisierten, rauscharmen Hochgeschwindigkeitsbeschleunigungsmesser. Accelerometer Accelerometer sind Geräte, die im Verhältnis zur erfahrenen Beschleunigung elektrische Signale (Spannung, Ladung) erzeugen. Es gibt mehrere Techniken zur Umwandlung der Beschleunigung in ein elektrisches Signal. Wir geben einen allgemeinen Überblick über die meisten von dann und dann schauen kurz auf ein paar andere. Grundprinzip eines Beschleunigungsmessers Die meisten Beschleunigungsmesser basieren auf Hookes und Newtons erster und zweiter Gesetz. Das Hookes-Gesetz besagt, dass die Kraft F, die benötigt wird, um eine Feder zu verlängern oder zu komprimieren, proportional zur Änderung des Abstands x um einen Faktor k ist (ein konstantes Faktorcharakteristik der Feder). Die Gleichung ist F k x. Newton erstes Gesetz besagt, dass ein Gegenstand in Ruhe bleibt oder kontinuierlich, um mit einer konstanten Geschwindigkeit zu bewegen, wenn nicht von einer anderen Kraft bearbeitet wird. Sein zweites Gesetz besagt, dass die Kraft F, die durch ein sich bewegendes Objekt erzeugt wird, gleich der Masse m mal Beschleunigung a ist, was die Gleichung F ma gibt. Der allgemeinste Weg, um diese Gesetze zu nutzen, besteht darin, eine Masse auf einer Feder aus einem Rahmen zu sperren, der die Masse umgibt (wie im Bild unten). Wenn der Rahmen geschüttelt wird, fängt er an zu bewegen, zieht die Masse zusammen mit ihm. Wenn die Masse die gleiche Beschleunigung wie der Rahmen hat, muss es eine Kraft geben, die auf die Masse ausgeübt wird, was zu einer Verlängerung der Feder führen wird. Wir können eine beliebige Anzahl von Wegaufnehmer (wie einen kapazitiven Wandler) verwenden, um diese Auslenkung zu messen. Der allgemeine Beschleunigungsmesser besteht aus einer Masse, einer Feder oder einem ähnlichen System und einem Wegaufnehmer: Zwei Konfigurationen von piezoelektrischen Beschleunigungsmessern sind üblich: Der Kompressionstyp, bei dem die Masse eine Druckkraft auf das piezoelektrische Element ausübt Eine Scherkraft auf das piezoelektrische Element ausübt. Physikgesetz Arten von Beschleunigungssensoren Beschleunigungsmesser werden durch die Verwendung verschiedener Erfassungsprinzipien entworfen. Hier ist ein schneller Überblick und Zusammenfassung, um Ihnen ein besseres Verständnis von ihnen zu geben: Piezoelektrik - Arbeiten auf der Fähigkeit der piezoelektrischen Materialien, sein elektrisches Potential zu ändern, wenn unter Stress. Sie bieten im Vergleich zu anderen Beschleunigungssensoren einzigartige Vorteile. Sie haben einen großen Dynamikbereich. Ausgezeichnete Linearität, breiter Frequenzbereich (von wenigen Hz bis 30 kHz), sind die einzigen Beschleunigungsmesser, die in der Lage sind, die Wechselbeschleunigung zu messen, sind aber nicht in der Lage, DC-Reaktionen zu messen. Weil sie keine beweglichen Teile haben, wird die Haltbarkeit erhöht. Und im Gegensatz zu anderen Sensoren benötigen sie keine externe Stromquelle. Piezoresistiv - Funktioniert ähnlich wie piezoelektrische Materialien, mit dem Unterschied ist, dass es den elektrischen Widerstand des Materials und nicht das elektrische Potential ändert. Diese Sensoren sind in der Lage, bis zu 1000 G zu messen, haben eine echte Gleichstromantwort und werden typischerweise in mikrobearbeiteten Strukturen verwendet. Kapazitiv - Ein Metallbalken oder ein anderes mikrobearbeitetes Merkmal erzeugt Kapazitäten, die bei beschleunigtem Sensor verändert werden. Sie werden am häufigsten in MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) Beschleunigungssensoren verwendet und haben ähnliche Eigenschaften wie Potentiometer in Bezug auf Frequenz, Dynamikbereich und DC-Reaktion. Potentiometrisch - Der Wischerarm des Potentiometers ist an der Federmasse befestigt, was zu einer Veränderung oder einem Widerstand führt, wenn sich die Feder bewegt. Die Eigenfrequenz dieser Geräte beträgt in der Regel weniger als 30 Hz und begrenzt sie auf niederfrequente Schwingungsmessungen. Sie haben auch einen begrenzten Dynamikbereich, aber sie können bis zu 0 Hz messen (DC-Response) Hall-Effekt - Ein Magnet wird an einer Feder befestigt, und wenn Kraft angewendet wird, wird es sich bewegen, eine Änderung im elektrischen Feld der Halle zu verursachen Element. Magnetoresistiv - Funktioniert ähnlich wie der Hall-Effekt-Sensor, wobei der Unterschied besteht, dass anstelle des Hall-Elements ein magnetisches Widerstandselement verwendet wird. Faser-Bragg-Gitter - Jede Veränderung der Gitterteilung einer optischen Faser führt zu einer Änderung der Braggs-Wellenlänge, aus der wir die Beschleunigung berechnen können. Wärmeübertragung - Eine einzige Wärmequelle ist in einem Substrat zentriert. Thermowiderstände sind gleichmäßig auf allen vier Seiten der Wärmequelle platziert. Wenn der Sensor beschleunigt wird, wird der Wärmegradient aufgrund der Konvektionswärmeübertragung asymmetrisch. Die meisten Hersteller haben eine breite Palette von Beschleunigungssensoren und auf den ersten Blick, kann es eine überwältigende Wahl sein. Eine kleine Gruppe von Allzweckarten wird die meisten Bedürfnisse befriedigen. Diese sind entweder mit oben oder seitlich montierten Steckverbindern erhältlich und haben Empfindlichkeiten im Bereich von 1 bis 10 mV oder pC pro ms2. DEWESoft Beschleunigungssensoren Die restlichen Beschleunigungsmesser werden für eine bestimmte Anwendung gemacht. Zum Beispiel sind kleinformatige Beschleunigungsmesser, die für hoch - oder hochfrequente Messungen und für den Einsatz auf empfindlichen Strukturen, Platten usw. bestimmt sind und die nur 0,5 bis 2 Gramm wiegen. Weitere Sondertypen sind optimiert für: gleichzeitige Messung in drei zueinander senkrechten Ebenen hohe Temperaturen sehr niedrige Vibrationsstufen hohe Stöße Kalibrierung anderer Beschleunigungsmesser durch Vergleich und zur permanenten Überwachung von Industriemaschinen. Kapazitive piezoelektrische Beschleunigungssensoren Piezoelektrizität ist die Fähigkeit einiger Materialien (vor allem Kristalle und bestimmte Keramiken - bekannte piezoelektrische Materialien sind Quarz, Turmalin, Keramik (PTZ), GAPO4.), Um ein elektrisches Potential in Reaktion auf angelegte mechanische Belastung zu erzeugen. Dies kann die Form einer Trennung der elektrischen Ladung über das Kristallgitter haben. Wenn das Material nicht kurzgeschlossen ist, induziert die aufgebrachte Ladung eine Spannung über das Material. Materialien, die eine elektrische Ladung erzeugen, wenn eine Kraft auf sie ausgeübt wird, zeigen den sogenannten piezoelektrischen Effekt. Piezoelektrische Beschleunigungssensoren arbeiten nach dem Prinzip, dass ein piezoelektrisches Material (üblicherweise eine künstlich polarisierte ferroelektrische Keramik) zwischen dem Boden des Sensorgehäuses und der seismischen Masse aufgebaut ist. Wenn der Sensor bewegt wird, komprimiert diese Masse das piezoelektrische Material, das einen sehr kleinen Spannungsausgang erzeugt. Auf der Elektrode gesammelt, kann das hochohmige elektrische Ladungssignal durch interne oder externe Elektronik für Messzwecke konditioniert werden. Beschleunigungsmesser, die interne Elektronik enthalten, werden als integrierte elektronische piezoelektrische (IEPE) klassifiziert, aber allgemein von den Benutzern als Spannungsmodus-Beschleunigungsmesser bezeichnet. Piezoelektrische Beschleunigungssensoren benötigen externe Ladungsverstärker für die Signalaufbereitung als Ladungsmodus-Beschleunigungsmesser. Spannungsmodus piezoelektrische Beschleunigungssensoren enthalten eingebaute, Signalkonditionierung Mikroelektronik. IEPE wurde als Standard von den Branchen Sensorik, Analyzer und Datenerfassungshersteller übernommen. Piezoelektrische Sensoren werden üblicherweise in der Modalanalyse, Umweltstressscreening, pyrotechnischen Ereignissen, Flugzeugboden-Vibrationstest, Flugzeugtest und in prädiktiven und vorbeugenden Instandhaltung eingesetzt. Spannungsmodus-Beschleunigungssensoren - IEPE Alle diese Spannungsmodus-Beschleunigungsmesser werden durch eine geregelte Gleichspannung und 2 bis 20 mA konstante Stromsensor-Erregung über ein einfaches Zweidraht-Schema gespeist. Die eingebaute Elektronik wandelt das durch das piezoelektrische Material erzeugte hochohmige Ladungssignal in ein nutzbares niederohmiges Spannungssignal direkt innerhalb des Wandlers um. Da der Ausgang niederohmig ist, kann das Signal über lange Kabelabstände übertragen und im verschmutzten Feld oder in geräuscharmen Fabrikumgebungen mit geringem Abbau eingesetzt werden. IEPE-Sensoren benötigen eine Stromversorgung von 4 mA oder 8 mA und geben typischerweise ein 5-Volt-Signal aus, so dass es viel einfacher ist, diese Signale über längere Kabel zu übertragen. Auch sind die Verstärker für diese Sensoren viel einfacher zu bauen und sind daher günstiger als normale piezoelektrische Sensoren. Der Amplitudenmessbereich ist sehr begrenzt. Wir konnten kaum einen Sensor finden, der mehr als 100g misst. Es gibt sowohl einachsige als auch triaxiale Sensoren. In letzter Zeit sind wirklich schöne Größen verfügbar - man findet einen triaxialen Sensor als Würfel, der bis zu 10 mm misst und mit dem Gewicht so leicht wie 5 Gramm. Wir können mit diesen Sensoren DEWESoft Sirius oder DEWE-43 verwenden. Sirius ACC kann IEPE-Sensoren direkt anschließen, während STG, STG-M oder DEWE-43 MSI-BR-ACC-Adapter benötigt, um mit diesen Sensoren zu messen. Ladungsmodus-Beschleunigungssensoren Auflademodus piezoelektrische Beschleunigungsmesser geben das hochohmige elektrische Ladungssignal aus, das direkt aus dem piezoelektrischen Sensorelement erzeugt wird. Diese Wandler benötigen einen externen Ladungsverstärker (bessere Option) oder einen Inline-Ladungswandler, um das hochohmige Ladungssignal auf einen niedrigen umzuwandeln Impedanzspannungssignal für Messzwecke geeignet. Da das Ausgangssignal hochohmig ist, ist das Ladungssignal sehr empfindlich gegenüber Rauschen aus der Umgebung und es sind einige wichtige Vorsichtsmaßnahmen für die ordnungsgemäße Messung erforderlich. Speziell geräuscharme Koaxialkabel sollten zwischen dem Wandler und dem externen Ladungsverstärker verwendet werden. Diese Kabel werden speziell behandelt (z. B. mit Graphit geschmiert), um triboelektrische oder bewegungsbedingte Rausch-Effekte zu reduzieren. Außerdem ist es entscheidend, einen hohen Isolationswiderstand des Wandlers, der Verkabelung und der Verbinder aufrechtzuerhalten, indem sie trocken und sehr sauber gehalten werden. Angesichts dieser Vorsichtsmaßnahmen im Vergleich zum einfachen Betrieb von Spannungs - modus-Beschleunigungssensoren werden Ladungsmodus-Beschleunigungssensoren in der Regel nur bei Hochtemperatur-, Hochbeschleunigungsanwendungen eingesetzt oder haben die Kunden Hunderte von ihnen ab Lager, da IEPE-Sensoren noch nicht verfügbar waren. Zusätzlich ist der piezoelektrische Beschleunigungsmesser selbstgenerierend, so dass er keine Stromversorgung benötigt. Es gibt keine beweglichen Teile zu verschleißen, und schließlich kann seine Beschleunigung proportional Ausgang integriert werden, um Geschwindigkeit und Verschiebung proportional Signale zu geben. Wir können Sirius CHG direkt verwenden, da es Ladungseingang und MULTI, STG oder DEWE-43 mit MSI-BR-CH unterstützt, aber bitte stellen Sie sicher, dass der Dynamikbereich für Ihre Anwendung ausreichend ist. Die letzte wichtige Eigenschaft aller piezoelektrischen Wandler (Spannungsmodus und Ladungsmodus gleichermaßen) ist ihr Wechselstromverhalten. Piezoelektrisches Material kann seine Ladungsausgabe aufgrund eines statischen Eingangs nicht halten. Mit anderen Worten, es spürt nur dynamische Ereignisse und kann daher nicht zur Messung der DC-Beschleunigung verwendet werden. Die Auslegung der Ladungsverstärkerelektronik (ob intern oder extern) definiert das niederfrequente Wechselstrompaar des Messsignals. Die typische niederfrequente Leistung der piezoelektrischen Beschleunigungsmesser reicht von einigen Hz. Ein Vergleich zwischen IEPE - und Charge-Modus-Sensoren: Statische Beschleunigungssensoren - MEMS-Sensoren Beide, Ladungs - und IEPE-Sensortypen haben eine gemeinsame Begrenzung: Sie können eine statische Beschleunigung nicht messen. Sie beginnen in der Regel von 0,3 Hz bis 10 Hz zu messen, abhängig vom Sensor. Für statische oder sehr niederfrequente Messungen muss der Anwender eine andere Art von Sensor verwenden. Sehr beliebt ist der Micro-Electro Mechanical System Sensor (oder MEMS). Dies ist eigentlich ein Mikrochip, der eine mechanische Struktur (ein freitragende oder seismische Masse) hat, die seine elektrische Eigenschaft (in der Regel Kapazität) in Bezug auf die Beschleunigung ändert. Kapazitive Schnittstellen haben einige attraktive Features. In den meisten Mikrobearbeitungstechnologien ist keine oder minimale zusätzliche Verarbeitung erforderlich. Kondensatoren können sowohl als Sensoren als auch als Aktoren betrieben werden. Sie haben eine ausgezeichnete Empfindlichkeit und der Transduktionsmechanismus ist unempfindlich gegenüber Temperatur. Die kapazitive Erfassung ist unabhängig vom Basismaterial und beruht auf der Variation der Kapazität, wenn sich die Geometrie eines Kondensators ändert. Typischer MEMS-Beschleunigungssensor besteht aus beweglicher Beweismasse mit Platten, die an einem mechanischen Aufhängungssystem an einem Referenzrahmen befestigt sind, wie im Bild unten gezeigt: MEMS-Sensoren waren ganz besonders, da sie zur Messung von Erdbeben oder anderen langsamen Bewegungen verwendet wurden. Aber mit der Entwicklung der Airbag-Technologie gab es einen großen Bedarf, einen kostengünstigen Sensor zu machen, der die statische Beschleunigung misst. Daher entstand die Single-Chip-Lösung für diesen Zweck. In letzter Zeit werden diese Sensoren auch in preisgünstigen Kreiselsystemen eingesetzt und können Sensoren finden, die auch eine sehr gute Bandbreite von bis zu einigen kHz und einen recht geringen Geräuschpegel aufweisen (obwohl noch größer als IEPE-Sensoren mit dem gleichen Messbereich). Sie wurden unentbehrlich In der Automobilindustrie, Computer - und Audio-Video-Technologie. Die Wahl des richtigen Sensors Bei der Auswahl eines beliebigen Sensors ist es wichtig, die folgenden Fragen zu beantworten: Was messen wir und unter welchen Bedingungen Was sind die relevanten Faktoren für unsere Messungen Was wollen wir aus unseren Messungen in Bezug auf Qualität, Menge und Preis Was folgt, ist eine kurze Zusammenfassung der Merkmale. Erdungsisolierung Beschleunigungsmesser mit Erdungsisolation haben in der Regel einen isolierten Montagefuß und eine isolierte Befestigungsschraube, oder in einigen Fällen ist der gesamte Beschleunigungsmesser-Gehäuse der Boden isoliert. Die Bodenisolation wird wichtig, wenn die Testartikeloberfläche leitend und auf Erdpotential ist. Ein Unterschied in den Massespannungspegeln zwischen der elektronischen Instrumentierung und dem Beschleunigungsmesser kann dazu führen, dass die Erdschleife zu fehlerhaften Daten führt. Empfindlichkeit Die Empfindlichkeit ist das erste Merkmal, das normalerweise betrachtet wird. Idealerweise möchten wir ein hohes Leistungsniveau, aber hier müssen wir kompromittieren, denn hohe Empfindlichkeit erfordert in der Regel eine relativ große piezoelektrische Baugruppe und damit eine relativ große, schwere Einheit. Unter normalen Umständen ist die Empfindlichkeit kein kritisches Problem, da moderne Vorverstärker dafür ausgelegt sind, diese Low-Level-Signale zu akzeptieren. Niederfrequenzbereich Die Voraussetzung für Schwingungsmessungen ist in der Regel, dass der Sensor eine niedrigere Hochpassabschaltung aufweist als die interessanten Frequenzen der aktuell getesteten Geräte. Bei einer rotierenden Maschine, die normalerweise mit 50 Hz läuft, können wir einen Sensor mit einem 5 Hz abgeschnitten wählen. Bei der Messung von Bau - oder Schiffsschwingungen muss diese Ebene sehr gering sein. Eine weitere wichtige Sache, zu berücksichtigen, ist Bandbreite, da die niedrigere es bekommt, desto länger ist Wiederherstellungszeiten von Stößen oder Überlastungen. Außerdem sollte der Verstärker der Bandbreite des Sensors folgen. Es ist schön, wenn der Verstärker mindestens zwei Bereiche hat, um in Messungen flexibler zu sein. Eine typische Anwendung für niederfrequente Messungen ist die Papierfabrik. Sie haben eine Frequenz von 15 Hz, wo der Benutzer einen Sensor mit 0,3 Hz oder weniger Bandbreite benötigen würde. Für diese Anwendungen sind Ladung oder IEPE am besten geeignet. Wenn wir die statische Beschleunigung messen müssen, dann wird eine andere Sensorik wie MEMS-Sensoren benötigt. Der niederfrequente Bereich, über den der Beschleunigungsmesser eine echte Leistung liefert, ist in der Praxis um zwei Faktoren am niederfrequenten Ende begrenzt. Der erste ist der niederfrequente Cutoff des Verstärkers, der ihm folgt. Dies ist normalerweise kein Problem, da die Grenze in der Regel deutlich unter einem Hz liegt. Die zweite ist die Wirkung der Umgebungstemperaturschwankungen, auf die der Beschleunigungsmesser empfindlich ist. Mit modernen Scher-Beschleunigungssensoren ist dieser Effekt minimal, so dass Messungen unter 1 Hz für normale Umgebungen möglich sind. Bandwidth (frequency range) Mechanical systems tend to have much of their vibration energy contained in the relatively narrow frequency range between 10 Hz to 1000 Hz but measurements are often made up to say 10 kHz because interesting vibration components are often present at these higher frequencies. Therefore, we must ensure, when selecting an accelerometer, that the frequency range covers the range of interest. The upper limit is determined by the resonant frequency of the mass-spring system of the accelerometer itself. As a rule of thumb, if we set the upper-frequency limit to one-third of the accelerometers resonance frequency, we know that vibration components measured at the upper-frequency limit will be in error by no more than 12. With small accelerometers where the mass is small, the resonant frequency can be as high as 180kHz, but for the somewhat larger, higher output, general purpose accelerometers, resonant frequencies of 20 to 30kHz are typical. We need to be careful about the increased sensitivity at sensor high-frequency end due to its resonance. Reading in this area will be too high but can be removed in the frequency domain if sensor transfer characteristics is known (by using transfer curves in DEWESoft). Amplitude range Charge sensors have the biggest amplitude ranges (special designed shock sensors can have more than 100 000 g amplitude range), but IEPE are also fairly high (up to 1000 g). MEMS sensors usually have very limited range (up to few hundred g). For general purposes, it is best to use IEPE, whereas for high levels piezoelectric sensors are better. Sometimes (for example for seismic applications) an accelerometer with high sensitivity is required (2 g or lower range). Maximum shock level The charge sensors are the least sensitive to shock. They can sustain up to 100 000 g of shock while IEPE can usually take not more than 5 000 to 10 000 g. MEMS sensors are even more sensitive to shock. Noise level The residual noise level defines the lowest amplitude level of what the sensor will measure. This is also the reason why we should take a sensor with the optimum measurement range because sensors with a higher range will also have a higher noise level. IEPE sensors have very high dynamic range (we can see signals better than 160 dB below the maximum range). Charge sensors are similar, but we need to consider that the noise can be easily generated in the cable. MEMS sensor is much worse in dynamic range limited by internal electronics. Temperature range All the sensors, that include electronics, have a limited high-temperature range, up to 130 deg C. The temperature range of charge sensors is much higher - even up to 500 deg C. Please note however that this also requires a high-temperature cable. All piezoelectric materials are temperature dependent so that any change in the ambient temperature will result in a change in the sensitivity of the accelerometer. Piezoelectric accelerometers also exhibit a varying output when subjected to small temperature fluctuations, called temperature transients, in the measuring environment. This is normally only a problem when very low level or low-frequency vibrations are being measured. Modern shear type accelerometers have a very low sensitivity to temperature transients. When accelerometers are to be fixed to surfaces at higher temperatures than 250C, a heat sink and mica washer can be inserted between the base and the measuring surface. With surface temperatures of 350 to 400C, the accelerometer base can be held below 250C by this method. A stream of cooling the air can provide additional assistance. MEMS sensor temperature range is limited by internal electronics (from -40C to 125C). In some applications, like modal testing, weight can be a big factor due to the mass loading effect. The added mass to the structure changes the dynamic behavior, so ideally a sensor should have no mass at all. That is the kind of hard to achieve by normal design, but we can use laser contactless sensors in such cases. As a general rule, the accelerometer mass should be no more than one tenth of the dynamic mass of the vibrating part onto which it is mounted. Ground loops The ground loop currents can flow in the shield of accelerometer cables because the accelerometer and measuring equipment are earthed separately. The ground loop is broken by using an isolated sensor, an isolated amplifier or electrically isolating the accelerometer base from the mounting surface by means of an isolating stud. Cable noise Cable noise is mainly the issue of piezoelectric accelerometers having a high output impedance. These disturbances can result from triboelectric noise or electromagnetic noise. Triboelectric noise is often induced into the accelerometer cable by mechanical motion of the cable itself. It originates from local capacity and charge changes due to dynamic bending, compression and tension of the layers making up the cable. This problem is avoided by using a proper graphitized accelerometer cable and taping or gluing it down as close to the accelerometer as possible. Electromagnetic noise is often induced in the accelerometer cable when it is placed in the vicinity of running machinery. Transverse vibrations Piezoelectric accelerometers are sensitive to vibrations acting in directions other than coinciding with their main axis. In the transverse plane, perpendicular to the main axis, the sensitivity is less than 3 to 4 of the main axis sensitivity (typically lt 1). As the transverse resonant frequency normally lies at about 13 of the main axis resonant frequency this should be considered where high levels of transverse vibration are present. Accelerometer mass Choosing the mounting position for the accelerometer The sensors can be mounted in different ways. The bandwidth of the sensor is especially sensitive to the way it is mounted. The method of mounting the accelerometer to the measuring point is one of the most critical factors in obtaining accurate results from practical vibration measurements. Sloppy mounting results in a reduction in the mounted resonant frequency, which can severely limit the useful frequency range of the accelerometer. Stud - it is best to drill a hole in the test specimen and fix the sensor to the surface with a screw. This should not affect any sensor property. Obviously, in some cases a customer might not be particularly thrilled to do this, for example, to his brand new prototype of an airplane wing. Adhesive - another type of mounting, which doesnt affect the bandwidth that much is a thin double sided adhesive tape or bees wax (this is limited in its temperature range). Magnet - a very widely used mounting technique for machine diagnostics is to mount the sensor on a magnet. This will still produce a good bandwidth, but of course, the surface must be ferromagnetic (not aluminum or plastic). On sensors where we can use the mounting clip, we can glue the mounting clip up front and then just attach the sensor itself. A quick and dirty solution is also to hold down the sensor with the a hand on a rod. This is useful for some places which are hard to reach, but the bandwidth will be cut to 12 kHz. The accelerometer should be mounted so that the desired measuring direction coincides with its main sensitivity axis. Accelerometers are also slightly sensitive to vibrations in the transverse direction, but this can normally be ignored as the transverse sensitivity is typically less than 1 of the main axis sensitivity. A graph below is showing the bandwidth reduction from different mounting methods: Mounting option Eddy-current sensor Eddy-current sensors are noncontact devices capable of high-resolution measurement of the position andor change of position of any conductive target. Eddy-current sensors are also called inductive sensors, but generally eddy current refers to precision displacement instruments and inductive refers to inexpensive proximity switches. High resolution and tolerance of dirty environments make eddy-current sensors indispensable in todays modern industrial operations. Eddy-current sensors operate with magnetic fields. The driver creates an alternating current in the sensing coil at the end of the probe. This creates an alternating magnetic field with induces small currents in the target material - these currents are called eddy currents. The eddy currents create an opposing magnetic field which resists the field being generated by the probe coil. The interaction of the magnetic fields is dependent on the distance between the probe and the target. As the distance changes, the electronics sense the change in the field interaction and produce a voltage output which is proportional to the change in distance between the probe and target. The target surface must be at least three times larger than the probe diameter for normal, calibrated operation. Eddy-current sensors are used to detect surface and near-surface flaws in conductive materials, such as metals. Eddy current inspection is also used to sort materials based on electrical conductivity and magnetic permeability, and measures the thickness of thin sheets of metal and nonconductive coatings such as paint. Detects surface and near surface defects. Only conductive materials can be inspected. Test probe does not need to contact the part Ferromagnetic materials require special treatment to address magnetic permeability. Method can be used for more than flaw detection. Depth of penetration is limited. Minimum part preparation is required Flaws, that lie parallel to the inspection probe coil winding direction, can go undetected Tolerance of dirty environments Skill and training required is more extensive than other techniques. Not sensitive to material in the gap between the probe and target Surface finish and roughness may interfere. Less expensive and much smaller than laser interferometers Reference standards are needed for setup Position measurement Eddy-Current sensors are basically position measuring devices. Their outputs always indicate the size of the gap between the sensors probe and the target. When the probe is stationary, any changes in the output are directly interpreted as changes in position of the target. This is useful in: automation requiring precise location machine tool monitoring final assembly of precision equipment such as disk drives precision stage positioning Vibration measurement Measuring the dynamics of a continuously moving target, such as a vibrating element, requires some form of noncontact measurement. Eddy-Current sensors are useful whether the environment is clean or dirty and the motions are relatively small. Eddy-current sensors also have high-frequency response (up to 80 kHz) to accommodate high-speed motion. They can be used for: drive shaft monitoring vibration measurements Eddy-current sensor Lets do some vibration measurements in DEWESoft. Since the vibration is difficult to visualize and since there were lots of questions about the difference between acceleration, vibration velocity, and displacement, it is helpful to actually show the vibration. This example has a shaker with an attached light plastic structure that has a low natural frequency. At the same time, a video of the movement of this beam was taken with a high-speed camera. This helps to really see the vibrations as they were measured with the accelerometer. It is always advisable to use a measurement device with anti aliasing filter. Otherwise, we can never be sure that the measurement is correct. Quite often acceleration in a high-frequency range (around 20 kHz) is very high. If a device without anti aliasing filters is used, and samples with lower sampler rates are taken, those high frequencies will be mirrored in the lower range. Especially for the measurements like modal analysis this is the most important criteria. Below is the analog channel setup. There are two ACC modules we will use for the measurement of vibrations. Lets look how to scale the measurements. Sensor setup There are three ways to perform the setup of the sensor: user can enter it from the calibration sheet, user can calibrate it with the calibrator, user can use TEDS technology to read out calibration values. Entering the setup from the calibration sheet. It is helpful to take a look at the sensor calibration sheet. There is the sensitivity of the sensor, expressed either in mV(ms2) or mVg (or both) for IEPE sensors and in pCg for piezoelectric (charge) sensors. The picture below shows the calibration data sheet for a triaxial sensor. The Reference sensitivity is the key value to be entered in the DEWESoft setup. First, as usual, we should enter the Units of measurement. In this case, we use ms2. Then it is the best to go to the Scaling by function section. We check the Sensitivity box and enter 9.863 mV(ms2) in the sensitivity field. Also do not forget to set IEPE measurement. The second way is to do the calibration. We can use a standard old accelerometer calibrator which outputs 10 ms2 peak level acceleration (7,07 ms2 RMS). The sensor is attached to the calibrator, and the acceleration level is adjusted to the sensor mass. Then we enter in Scaling by two points the acceleration level of 7,07 ms2 and click calibrate from RMS. The current measured voltage level in mV is written to the second point scaling. There we can already see if the calibration was successful or not. In the data preview, we can see that the peak level is approximately 10 ms2 and the RMS is around 7,07. We can also select the Scaling by function and compare measured sensitivity to the calibration data sheet. The third, quite a new way of sensor setup, is the use of an electronic calibration sheet - TEDS. With a TEDS sensor, it is quite easy to select settings. Plug in the sensors in Sirius ACC, run DEWESoft and the sensors should be recognized immediately. TEDS works only if the amplifier is in IEPE mode (it doesnt work in the voltage mode). If this is set up later (after the first scan) or if we plug in the sensor when DEWESoft is already running on the setup screen, the TEDS sensors need to be rescanned. This can be done by clicking on the AMPLIFIER column caption on the basic setup screen and selecting the Rescan modules option. TEDS will also work with MSI-BR-ACC. When a sensor is correctly recognized, scaling factors, sensor serial number, and Recalibration date will be read from the sensor. In the setup screen, the user doesnt we have to enter the sensitivity since it is already filled in from the sensor. This principle is easy and straightforward, and it prevents user errors. Math setup - velocity and displacement The second step is to calculate the vibration velocity and the displacement. This can be achieved in the math section with the filter, since the integrator is actually nothing more than a filter. We enter integration and double integration in the setup - first will be the integrator (for calculation of vibration velocity) and the second one will be the double integrator (for measurement of the displacement). Lets go to the channel setup of the first math formula. First, we need to choose the input channels. We must select Acceleration. It is quite a common error to forget to choose the correct input channel, so it is advisable to do this step first. Then we should choose the Integration as math operation. Since the DC offset is merely an error in measurement and calculation, we need to set up the high pass filter (in Flow field) to cut off the DC offset. For single integration, the Order of the filter needs to be at least two(if filter order is one, there will be static offset left in the result, if there is no filter, it will drift away). Next, we enter the units. If the integration is from acceleration to velocity and the acceleration unit is ms2, the output unit is normally ms. If the scale is 1, the units are in ms. If we choose the scaling factor 1000, we will have units in mms. It is also interesting to know the vibration displacement. For this, we should setup another channel by again selecting Acceleration and selecting double integration. Since the double integrator is in fact a second order filter, we need to set the high pass filter to the Order at least three or higher. Usually the displacement caused by the vibration is not visible by the eye, and is measured in micrometers, but since this measurement has quite high values, the output unit was set to be in mm. The scaling factor is therefore again 1000. We can already see in the preview that the peak-peak movement is around 15 mm and since this is a value which can be confirmed with the eye, we can be sure that the scaling factors and the settings are correct. Channel setup - velocity and displacement Displacement and vibration velocity can also be calculated from the acceleration in DEWESoft much easier. Just go to the setup of the acceleration channel from which you want to get displacement or velocity. Displacement To get displacement check the checkbox at Displacement. When the displacement checkbox is checked the following setup will appear. The input signal is signal from accelerometer and displacement is second integration of acceleration. To get vibration velocity check the checkbox at Velocity. When the velocity checkbox is checked the following setup will appear. The input signal is signal from accelerometer and velocity is integration of acceleration. Vibration analysis - acceleration, velocity and displacement In the analysis mode, we can look through the data. Here, one picture is put on top of another to see the movement of the accelerometer. The first picture below is the upper point of displacement. On the scope of the right, we can see nicely that the acceleration, displacement, and velocity are phases shifted. On the recorder graph below, we can analyze the acceleration, velocity, and displacement. The displacement (blue curve) is in the upper position. The velocity (red curve) is zero - this is also clear because the upper point is a turnaround and before reaching this point on the top, the velocity is decreased and at the top point, the velocity is zero. The acceleration (green curve) at the top is at maximum in the negative direction. Acceleration is the rate of change of the velocity. We can see from the velocity curve that the rate of change is at a maximum at the top therefore the acceleration is at its maximum at the top dead point Now lets go to the next significant point of the movement - the center point. We can see that it is the center point because the displacement is in the middle. The velocity of the center is at a maximum in the negative direction. The beam is reaching the middle point with the maximum velocity, and it will slowly start to decelerate. Acceleration at that point is zero - when a body is standing still or moves with constant velocity, its acceleration is zero. This can be confirmed by observing the blue acceleration curve. The third significant point is the bottom point. Here, a top point is shown in the background for reference. Displacement is at the lowest point, velocity is zero and will continue to increase, the acceleration is at a maximum in the positive direction - the speed is changing at a maximum rate at this point. We conducted a simple experiment to get a better feeling about the vibration measurement. In practice, the vibration measurement would surely look different, but we would use the same basic principles as shown in this example. Vibration measurement - example Lets do some vibration measurements in DEWESoft. Since vibration is difficult to visualize and since there were lots of questions about the difference between acceleration, vibration velocity and displacement, it is helpful to actually show the vibration. Measurement was made with our new shaker. We tested our new product KRYPTON. Vibration durability test Video shows the vibration durability test of our latest product - KRYPTON. On the picture below we can see the screenshot from a software that runs the shaker. We set the frequency sweep from 10 Hz to 250 Hz, and the maximum acceleration was up to 33 g. On the shaker near KRYPTON, the DEWESoft accelerometer was fixed with a glue. Lets see the signal from the accelerometer. Lets take a look at the maximum acceleration detected by DEWESoft accelerometer. As it is seen in the picture, maximum was at 325.9 ms2, which is 33 g. We have also made a formula for vibration velocity and displacement like it was described on previous pages. The result is already known. Shock test Next test was shock test. Product is exposed to multiple shocks that reach 50 ms2 in our case, but can go up to 100 ms2. Next measurement was made with drop test. As you can see in the video below the product is lifted up, and then falls down, because of gravity. When the aluminium plate hits the ground, the object under test can be hit with 900 g. In our case, KRYPTON was hit with 957.5 ms2 which is equivalent to almost 100 g. Envelope detection Envelope detection is a procedure for early detecting of faults on ball bearings. To add a new envelope detection math module go to a math section and select Envelope detection under Add math section. Envelope detector has several stages and for each stage the parameters must be set: Calculation type defines the principle of calculation: Filtering - uses filter procedure for envelope calculation. Filtering is a standard procedure for calculating envelope used also in other implementations. Peak detection - uses the procedure of detecting peak values in the signal. Peak detection is a procedure which calculates amplitudes more exact than filtering. Use Bandpass checkbox enables or disables the first stage of calculation - band pass filtering. Acceleration sensor measures entire frequency range and acquires unbalance, misalignment and other faults on the machine. Ball bearing errors have very low energy and, therefore, is a small contribution to entire frequency spectrum. Signal band At signal band setup, we have to define lower and upper frequency limit Envelope band At envelope band setup, we have to define lower and upper frequency limit Bearing database In bearing database, we select the type of the machinery. If it is not listed you can add your own in XML database file. The frequency of interest is automatically calculated based on a geometry. When an error of the ball bearing occurs, it will produce ringing with a frequency which corresponds to its natural frequency. This ringing will repeat each time when a damaged part of the ball hits the ring or vice versa. We have to know also that inner ring, outer ring, cage and balls have different typical repeating frequency depending on the geometry of the bearing and the rotational frequency. To only focus on these high frequencies of the ringing, we have to look at the original frequency spectrum. We have generated a sine wave which have a small 10 kHz rings on top. In the frequency domain, we dont see at all the frequency that the ringing repeats, but only a major sine wave (could come from unbalance) and very high frequency coming from the bearing. Bandpass filtering in the envelope detector must be set to remove all components except ringing of the ball bearing. This can be usually found around 10 kHz. In our example, I have set lower frequency limit to 6 kHz and upper limit to 12 kHz to get all the energy. Signal after filtering would look like this: Only high frequency remains, but we still dont see the main low frequency with which the rings are repeating. Therefore, we have to apply an envelope to the signal. Envelope will draw a curve around the peaks of the signal, producing only positive part of the data. To do correct amplitude, we have to choose the Envelope band frequency. Bearings usually have typical frequencies up to 500 Hz and we also might want to Remove DC component in order to see nice frequency spectrum without large DC value coming from DC offset. After this filter, the signal looks like in the picture below and frequency spectrum of the envelope signal reveals the frequency of hits. This was simulated case to see the math procedure behind calculation. In reality, the signal will look like this. Not much to see from the time signal, but with calculation of typical frequencies we can see that the outer ring frequency is clearly shown in the FFT of the envelope signal. Following picture shows the typical damage of the outer ring of the large bearing (courtesy of Kalmer d. o.o. Trbovlje).Evil Mad Scientist Laboratories Using an ADXL330 accelerometer with an AVR microcontroller The last decade has seen more than an order of magnitude drop in the price of accelerometers. devices capable of measuring physical acceleration (often in more than one direction). History suggests that whenever a useful technology makes a precipitous drop in price, unexpected applications follow, and that8217s exactly what has happened in this case. Starting from zero and summing up acceleration, you can use an accelerometer to find velocity, and from that derive relative position information. By measuring the acceleration due to gravity, one can also determine orientation (technically, inclination)8211 you can tell which way it8217s pointing. Those are pretty useful skills for a chip And so as bulk prices for tiny chip-scale three-axis accelerometers have begun to approach 5, they have started to appear in all kinds of mass-market applications that you might not have predicted: laptop computers (for hard drive protection), smart phones and cameras (for orientation8211 e. g. portrait vs. landscape on the iPhone), cameras for image stabilization, and quite visibly in the controllers for Nintendo8217s Wii system. With all that promise, you might think that an accelerometer is a difficult beast to harness. That turns out not to be the case. In this little project we demystify the mighty accelerometer and show you how to get started playing with one. In the spirit of hobbyist electronics we do this the easy way8211 without designing a PCB or even soldering any surface-mount components. Note: An updated version of this article is now available here . Our project consists of two main elements: the accelerometer chip and a microcontroller that will read out the data and display it. Let8217s first focus on the accelerometer. We8217ll be using the ADXL330, which is a very popular little XYZ accelerometer made by Analog Devices. It8217s actually the same chip that you would find as the accelerometer inside the Nintendo Wiimote controller. Purchased one at a time, on its own, this chip costs about 11.50 from Digi-Key. and the price goes down to about 7.25 in large quantity. (If you are Nintendo, the price is even lower.) One of the downsides to new and fancy devices like these is that they tend to come in unfriendly packages. The ADXL330 is only available in a 16-pin LFCSP that8217s a plastic package 4 mm X 4 mm, with pins that can be seen through a good magnifying glass. While it8217s hard to work with on it8217s own, there actually is a good solution for playing with this: get a breakout board. This breakout board from SparkFun comes complete with a ADXL330 accelerometer soldered in place. The relevant connections to the chip are broken out into a row of 0.18243 spaced holes (which I have filled in with a six-pin header) and the three sensitivity axes of the chip are clearly labeled with bright markings on the silkscreen layer8211 a nice touch. The board is Sparkfun SKU: SEN-00692. 35. Yes, it costs a fair bit more than the bare chip itself, but the price is fair and the convenience factor can8217t be beat. (If cost really is an issue, one potential option is to actually use Nintendo8217s buying power to your benefit: disassemble a wii nunchuk controller (20) to get at the similar accelerometer that lives in it. You could even take apart the Wiimote itself, if you can get a good price on the unit. In any case, getting at the connections to the chip will be much more difficult than just buying a decent breakout board.) The accelerometer actually has a very simple analog interface. We only really need to connect to five pins on it. First, it wants power. It needs 1.8-3.6 V (and ground), and just to keep our discussion simple, let8217s plan on using 3V for everything8211 either use a single lithium coin cell two alkaline AA cells in series. The chip also has three analog outputs8211 one for each direction. On these outputs, 1.5 V (really, halfway between the power and ground rails) represents zero acceleration, and deviations from that, either higher or lower, represent higher or lower accelerations. The chip is sensitive to accelerations of - 3 g in each direction. (There is a sixth pin on the breakout board, which is for a self-test feature on the ADXL330 that we will not be using.) Next, we need a simple microcontroller to read out the analog outputs and process them. We8217re using the Atmel ATmega48, a member of the ATmega4888168 series of AVR microcontrollers. If you8217re new to programming AVR microcontrollers, you have an extra step and some reading to do here. (And, as it turns out, this actually is an excellent example of a 8220first8221 microcontroller project for anyone.) To get up to speed, please read LadyAda8217s tutorial. As is explained in the tutorial, you will need an AVR programmer (e. g. USBtinyISP. 22) and a working installation of the (free) AVR software toolchain. Now we come to actually building up the hardware. The first step is to build a simple target board for the ATmega48 a board on which the chip can be programmed. As explained in that article, we need a socket for the AVR (28-pin 0.38243 DIP), a 6-pin DIL header, a battery holder (in this case lithium coin cell or 2 X AA), and a piece of prototyping perfboard to build it all on. Besides those, we also have the accelerometer breakout board, of course. From the battery (left side) we hook the postive end to the indicated pins (Vcc, V) of the microcontroller (3 places), the ISP header, and the ADXL330 breakout board. The negative side of the battery is our effective ground, and get wired up to the ground pins of the microcontroller (2 places), the ISP header, and the ADXL330 breakout board. The four remaining pins on the ISP connector (the 2 x 3 header) also need to be wired up to the matching pins on the microcontroller: MOSI, MISO, SCK and RESET. We have skipped drawing the wires here to keep the diagram from looking like this. Hopefully, you learned connect-the-dots long before soldering. P Next, wire up the outputs of the ADXL330 board to the ADC inputs of the microcontroller as shown. X output to pin 28, Y to pin 27, Z to pin 26. Finally, we add some indicators: two LEDs (one red, one blue) for each of the three axes. The big idea is that when there is no acceleration in (say) the X axis direction, both LEDs are off. When it detects acceleration one way, the red LED lights up (and lights up more, the harder the acceleration is) and it lights up blue for acceleration in the opposite direction. (Naturally, the other two axes work the same way.) To do this, we8217re using the pulse width modulation outputs from the three timers (timer 0, timer 1, and timer 2) on the microcontroller. Each timer has two outputs, called 8220output compare8221 pins A and B, which go to the two LEDs. The six outputs are called OC0A, OC0B, OC1A, OC1B, OC2A, and OC2B, and are hooked up to the LEDs as indicated in the diagram. The AVR can directly drive LEDs of either color, without a series resistor, when powered by a lithium coin cell. However, it turns out that the AVR cannot be programmed in the circuit if the red LEDs are hooked up as shown but without the series resistors. (That8217s because of the difference in LED forward voltage for the two colors.) If you use an alkaline battery to run this circuit, you may wish to put a small resistor ( 30 ohms) in series with the blue LEDs as well. Two minor details, not shown in the diagrams. First, the ADXL330 breakout board is socketed8211 I cut apart a dip chip socket to make a holder for the breakout board 6-pin header so that it doesn8217t have to be permanently soldered to this setup. Secondly, I added a small power switch by the battery holder that lets you switch the circuit on or off easily. You can download the firmware program (C code) for the AVR here (11 kB. ZIP file). It8217s a very simple AVR-GCC program, licensed under the GPL. It reads in three analog inputs sequentially, and lights up the six display LEDs depending on the values that it reads. Once you8217ve gotten the AVR programmed, it should be ready to go and show you outputs that depend on the acceleration. As you swing it around, even fast, you can see the LEDs responding to motion in the different directions. If you aren8217t wildly swinging the board around, what you8217ll see is just the steady-state gravitational acceleration displayed. You might call it a precision tilt sensor, and it can tell you which way is up. If we tilt our board left or right, such that the X-axis is now pointing slightly up or down (slightly with or slightly against gravity) you can see the X-axis LED pair, which is the on the left, switch from red to blue: If instead we tilt the board forward and back, such that the Y axis is along or against gravity, you see the same thing for the middle pair of LEDs: Finally, the Z indicator pair, on the right, is blue until you turn the board upside down8211 or shake it up and down. So that8217s it: a working 8220Hello world8221 for an accelerometer, all the way up to blinking LEDs. Our C code is intentionally simple, and ready to mod. What can you do with it Soon, your little homebrew robot8211 or maybe gigantic evil death machine8211 will be able to tell how far it8217s been, which way it8217s facing, and which way is up. We think that this a useful building block, and we8217ll be interested to see what other new things people build with it. Note: An updated version of this article is now available here . Post navigation Good job, there are not too many accelerometer interface articles out there. I have a question, is this accelerometer able to be used for vibrational measurements You say quotAs you swing it around, even fast, you can see the LEDs responding to motion in the different directions. quot I am currently designing a system that records wheel flats on railway wagons, and was wondering if such a system would pick up such a vibrational anomaly Can you describe the amount of movement required to change the LEDs A video of you shaking your system around (slow, easy 8211 fast, hard) would be awesome You certainly could use the accelerometer for vibrational measurements. The particular response of the LEDs is really easy to change and if you wanted to, you could make the display much more sensitive than I have here. Excellent, thats great. This could help me in my endless quest for stabilized video from a bicycle mount. Is there any way to take the - 3V and drive a 6-12V linear actuator with fast smooth motion If so then I could get rid of all my aluminum arms bearings, springs, Too cool. Thanks That certainly could be done. The chip output is 0-3 V, by the way (or - 1.5 V from 1.5 V), not - 3 V. What kind of a drive depends on what type of actuator you8217re using, but it doesn8217t sound like a big challenge to do what ever kind of level translation and high-current buffering you might need. Great work first all. By the I8217m working on my final year project making use of DsPIC P30F6014A to read in analogue outputs of the adxl330 x, y,z pins. I got few questions though 1) what is the best reference voltage that can be chosen for DsPic P30F6014A when interfacing adxl330 to get better results 2) The out impedance of adxl330 is 32k, PIC amp Atmel processors require 10k or less. How did you go about this Some suggesting using OPAM non-inverting. Your help is very much appreciate. Email me at keleisteinyahoo. co. uk 1) Use a voltage reference chip. TI makes a number of good ones, for example. 2) The Atmel chips do not quotrequire 10k or less, quot they just recommend it for fastest response, and in this context 32 k is not far from 10 k in any case. for your case you seem to have used 3volts for your reference voltage. Did you connect your vref - to the ground How about deriving 3volts using voltage divider, are there any complications Excellent stuff Keep it up Hi, Thanks for this excellent tutorial. It8217s my first try on an AVR and I managed to get it working (amazing), but can8217t figure one thing out The led8217s dont show any difference between soft shaking and hard shaking. Ive previously made a setup with an Arduino and Nunchuck (which is eventually the same hardware as this tutorial, if I understand well) and that gives a very nice difference between soft and hard shaking. Should this setup do that as well, or would it be able to I have no experience in C so have a hard time trying to understand and reconfigure the script, so any clues to where to look and how to amend which part of the code would be much appreciated. Also another question, would it be a problem to run this on 4.5V or more I8217d like to get more light out of it. Many thanks When built correctly, this project should give smoothly changing LED output8211 able to detect and display small angles. Hi, Thanks for your reply. I didn8217t mean the transition is not smooth 8211 the brightness changes very smoothly when tilting the device, which strength I was also able to amend in the code with the (originally) 2 multiplier. What I meant though is acceleration, instead of tilt. If I suddenly move the device straight up, it does give a quick flicker, which is always the same, where as in the Arduino setup the sudden move up is noted much more detailed, and there is a difference in brightness levels with upward moves of different intensity. I hope I8217m being clear Sounds like a software difference. This program gives real-time output, with no averaging or smoothing. Look at the algorithm used in the other one, if you want to replicate that behavior. quotArduinoquot is not really different from quotAVRquot 8212 the same code will run on this processor whether you give it a new brand name or not. hello im working with ADXL 330 TO MONITOR THE HUMAN ACTIVITY. PLEASE HELP BY GIVING IDEA ABOUT HARD WARE DETAILS peterece1987yahoo hello friends i have question, can i measure distance of one point to end point by ADXL330 if your answer yes. how can i do i integrate twice from accelaration please help me8230 i would this module in submarine to measure distance8230 I8217m looking into intigrating the adxl330 chip into my L3 university project. What I need to know is can the chip sense when it is being twistedspun around Ie, it is flat on a surface and twistedturned as if there was a pivot in the middle of the chip. I hope this explanation makes sense :) No. What you8217re looking for is called a quotrate gyroquot chip. part of my project involved using the accelerometer to connect to the PIC16f877 so that we can read the acceleratio for 3-axis (X, Y,and Z) from the PIC16f877 to pc. if You have the code to reading of the data I would be very happy if will be able to send me the code And also if you have the circuit of the connection pic to adxl330. This is most interesting. Do you know the resolution values for the various acc chips available. If one were to use 1 vs 10 vs 50 chips in an array, could you increase the resolution (accuracy) of the readings. I am interested in measuring gravity to a high degree, perhaps 10-8 of 1G, typical for gravity meters. The iPhone uses an ST LIS331DL chip: -2g but if I read the specs right, it only has 8 bits so that8217s 128 parts per 1g, not a great resolution. If I read that as bad, then it might take a truck load to get down to what I8217m looking for. Is there anything more accurate gtDo you know the resolution values for the various acc chips available. The sensors are analog. The bit resolutions that we discuss are internal to the microcontroller and are unrelated to the sensor outputs. Hii Thanks for a great articles on accelerometers for beginners. Well there is a problem that i want to discuss. Is it possible to note the reading of a point for instance (x6, y5 and z2) through an accelerometer. Actually i am working on a project in which a robot can note the reading of a point and save it in the micro-controller and then it can visit the point again when commanded. Any guidance regarding this will really help me. Thanks Unless you had some very strong gravity-generating material at the origin of this plot, this particular chip wouldn8217t be able to tell you where a point in space iswas. It can tell you which way in all three dimensions the chip is tilting, but it can8217t give you relative distances from an origin. Well, okay, I take that back. In the very first part of the article, it discusses that you can calculate velocity and then distance based on acceleration, but I wouldn8217t exactly call it quoteasyquot to do in a small robot, IMHO. So is there any way that we can get the coordinates of a point in space Although the space will be limited like (-10 to 0 to 10). Or is there any other sensor or perhaps some logic of the algorithm that can be programmed into the controller. Secondly i cant figure out the above C program for the AVR controller. I think i m a bit weak in C controller programming. so can you please just share us the step by step logic that8217s being used in the program, so that i can program it for PIC or 8051 in assembly. amp Thanks for your help quotSo is there any way that we can get the coordinates of a point in spacequot The short answer (again): No. quotAlthough the space will be limited like (-10 to 0 to 10). Or is there any other sensor or perhaps some logic of the algorithm that can be programmed into the controller. quot If you have a robot that is programmed to move to a specific place, and then move to another point based simply on coordinates, all you need to do is keep track of the coordinates of where you start, and then move to where you want to go. If you8217re at 0,0, and want to move to 2,0, you program the bot to move to 2,0, and then it stores the fact that it8217s at 2,0. To move to -5, -8, the bot would need to move -7 units X and -8 units Y. Repeat ad infinitum. You can8217t use an accelerometer to figure out where you are on that grid. You just keep track of it as you go along (at a basic level) Thanks for ur reply. i got it this time, Can you please simplify the above program made in C. I mean please just tell us the logic behind this program. Well i think is that the accelerometer gives a pulse every time its tilted in any direction. So the controller is programmed so that when ever the accelerometer readings go high they send a pulse to the led8217s. Am i right and how do u program it for the strong led blinking, so that when the accelerometer is tilted powerfully the led8217s too light-up strongly. I8217m not sure how to answer this. You say, quotIs it possible to note the reading of a point for instance (x6, y5 and z2) through an accelerometer. quot The accelerometer reads acceleration 8212 not quotpointsquot whatever those are. If you mean, quotcan an accelerometer measure where in space it isquot The answer is simply quotno. quot I was curious about this as well, as I am constructing a similar project. I see that you had labeled the microprocessor with three input pins and three output pins, to represent the X, Y, and Z planes of the one accelerometer. But I also saw unlabeled pins. Are there more input pins and output pins that can handle more accelerometer chips If not, is there another microprocessor that could Any advice you could give on this would be greatly appreciated. gt8230you had labeled the microprocessor with three input pins and three output pins, gtto represent the X, Y, and Z planes of the one accelerometer. The X, Y, and Z labels are only on the accelerometer outputs, not on the microcontroller inputs. gtBut I also saw unlabeled pins. Are there more input pins and output pins that can gthandle more accelerometer chips If not, is there another microprocessor that could I8217m not sure why you8217d want output pins for this. There are six analog inputs on this particular AVR, so you can read out the complete output of two accelerometers. Other AVRs, and other microcontroller types as well, sometimes have more or fewer analog inputs. Would you happen to know of a particular model that has 15 (or more) inputs 8211 to handle 5 accelerometers Thanks again for your input. This has helped tremendously. You might look at the xmega chips some of them have up to 16 accelerometers. We recently wrote about them here.
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