Bezprzewodowe czujniki siły: praktyczny przewodnik po bezprzewodowym pomiarze siły

Kabel jest najmniej interesującą częścią pomiaru siły, dopóki tak nie jest. Wychwytuje hałas z szafki napędowej dwie wnęki dalej, powoduje zmęczenie złącza po kilku tysiącach cykli, zaczepia się o ruchomy element i zamienia czterdziestokanałowy test mostka w dwa dni oprzyrządowania. To jest prawdziwy powód, dla którego bezprzewodowe czujniki siły przeszły z nowości do standardowych narzędzi w testach strukturalnych, przemysłowych i badawczych.

Poniżej znajduje się praktyczne spojrzenie na to, jak faktycznie działa bezprzewodowy pomiar siły, gdzie rzeczywiście przewyższa on łańcuch przewodowy, a gdzie po cichu tego nie robi, oraz jakie specyfikacje decydują o tym, czy liczba na ekranie zasługuje na zaufanie. Został napisany z perspektywy zespołu, który na co dzień zajmuje się budowaniem sprzętu do testowania siły, wibracji i dynamiki, więc nacisk pozostaje na tym, co przetrwa kontakt z prawdziwym testem.

Czym naprawdę jest bezprzewodowy czujnik siły

Ściśle mówiąc, bezprzewodowy czujnik siły to przetwornik siły, którego sygnał wyjściowy dociera do systemu gromadzenia danych za pośrednictwem łącza radiowego, a nie kabla. W praktyce wyrażenie to obejmuje kilka różnych architektur, a różnice mają znaczenie przy określaniu testu.

W realnych projektach najczęściej pojawiają się cztery aranżacje:

• Zintegrowany bezprzewodowy przetwornik siły. Tensometryczny czujnik wagowy lub element piezoelektryczny, jego kondycjonowanie sygnału, przetwornik analogowo-cyfrowy, radio i akumulator mają wspólną szczelną obudowę. Najłatwiejszy do wdrożenia, najtrudniejszy do naprawy i zwykle najdroższy w przeliczeniu na kanał.
• Konwencjonalny czujnik siły z dołączonym bezprzewodowym węzłem nadajnika. Powszechne w laboratoriach, które posiadają już skalibrowane przetworniki i chcą ich nadal używać, zamiast kupować nowe.
• Wielokanałowy bezprzewodowy węzeł akwizycji z wejściami napięciowymi, IEPE lub ładowania. W jednym węźle można zamontować czujnik siły, akcelerometr lub mikrofon, dzięki czemu praktyczne jest przeprowadzanie mieszanych testów siły i wibracji na konstrukcji.
• Konstrukcje półpasywne i pasywne. Czujniki zasilane RF, układy piezorezystancyjne i drukowane elementy elastyczne. Obecnie są to głównie badania naukowe, ale wskazują na przyszłość, w której konserwacja baterii zniknie.

Zasada wykrywania przetwornika to osobna kwestia, która zostanie rozstrzygnięta na długo przed radiem. Tensometry zachowują się dobrze pod obciążeniem statycznym i quasi-statycznym, ponieważ wymagają wzbudzenia mostkowego i utrzymują stały odczyt. Piezoelektryczne czujniki siły doskonale sprawdzają się w przypadku zdarzeń dynamicznych, takich jak uderzenia i wzbudzenie modalne, ponieważ generują ładunek proporcjonalny do przyłożonej siły i nie mogą utrzymywać wartości statycznej w nieskończoność. Pomiędzy nimi znajdują się piezorezystancyjne elementy MEMS, oferujące niewielkie rozmiary i rozsądną szerokość pasma przy niższych zakresach sił.

Zatem pierwszym przydatnym pytaniem nigdy nie jest „który czujnik bezprzewodowy powinienem kupić”. Pytanie: „Czy mierzę siłę statyczną, dynamiczną, czy jedno i drugie”. Wszystko inne wynika z tej odpowiedzi.

Łańcuch pomiaru siły, ogniwo po ogniwie

Przecięcie kabla nie usuwa żadnej elektroniki, która kiedyś za nim siedziała. To tylko je porusza. Zrozumienie, gdzie się znalazły, to najszybszy sposób na ocenę, czy produkt sprawdzi się w Twoim zastosowaniu.

Element czujnikowy

W przypadku pracy dynamicznej punktem odniesienia pozostaje piezoelektryczny czujnik siły. Młotek modalny jest zasadniczo piezoelektrycznym czujnikiem siły o znanej masie i hartowanej końcówce, dlatego też testowanie młotka i pomiary piezoelektryczne są prawie zawsze omawiane łącznie. W przypadku obciążeń statycznych i wolnozmiennych, tensometry foliowe w pełnym moście są nadal najważniejszym narzędziem, pod warunkiem, że temperatura jest kontrolowana, a wzbudzenie mostu jest czyste. Niezależnie od elementu, jego kalibracja jest częścią, która ostatecznie nadaje znaczenie liczbie, a system bezprzewodowy nie zmienia tego wymagania.

Kondycjonowanie i digitalizacja

Sygnał opuszczający element jest mały, ma wysoką impedancję i jest zaszumiony. Wzmacniacze ładunku, obwody uzupełniania mostków, filtry antyaliasowe i przetworniki analogowo-cyfrowe muszą być umieszczone gdzieś w łańcuchu. Nowoczesne systemy rutynowo korzystają z konwersji 24-bitowej, ale liczba bitów jest słabym wskaźnikiem jakości. To, co określa użyteczną rozdzielczość, to poziom szumów całego przodu, wyrażony w mikrowoltach lub ułamkach grama siły, wraz ze stabilnością odniesienia. Cichy kanał 24-bitowy za każdym razem pokonuje zaszumiony kanał 32-bitowy.

Rodzaj danych wejściowych też ma znaczenie. Węzeł, który akceptuje wejścia napięcia, IEPE i ładunku w tej samej obudowie, umożliwia połączenie czujnika siły i kilku akcelerometrów w jeden zsynchronizowany zapis, czego dokładnie wymaga test modalny lub operacyjne badanie kształtu ugięcia.

Łącze radiowe i budżet mocy

Wybór radia to kompromis pomiędzy przepustowością, zasięgiem, liczbą kanałów i mocą. Ciągłe przesyłanie strumieniowe ośmiu lub szesnastu kanałów przy wysokich częstotliwościach próbkowania szybko wyczerpuje baterię, dlatego dobrze zaprojektowane węzły buforują lokalnie i przesyłają w wydajnych seriach, jeśli test na to pozwala. W środowiskach przemysłowych maszyny metalowe i żelbet odbijają i pochłaniają energię radiową, dlatego margines łącza w prawdziwym budynku jest zawsze gorszy niż liczba podana w arkuszu danych.

Odbiornik i oprogramowanie

W tym przypadku łańcuszek bezprzewodowy staje się narzędziem lub pozostaje gadżetem. Odbiornik, który oznacza pakiety znacznikiem czasu, dopasowuje swój zegar do węzłów czujników i dostarcza ciągły strumień danych do tego samego oprogramowania analitycznego, którego używasz w przypadku kanałów przewodowych, to różnica między jednorazową demonstracją a powtarzalnym programem testowym. Jeśli kanały bezprzewodowe wylądują w innym pliku z inną podstawą czasową niż kanały przewodowe, ktoś spędzi popołudnie na łączeniu zapisów z arkuszami kalkulacyjnymi.

Czujniki siły i przetworniki ciśnienia Przeglądaj opcje czujników siły i przetworników ciśnienia, korzystając ze wskazówek dotyczących konfiguracji obejmujących pojemność znamionową, dokładność, integrację i akceptację projektów pomiarowych. Zobacz produkt →

Przewodowy czy bezprzewodowy? Porównanie obok siebie

Żadna z opcji nie jest uniwersalnie lepsza. Decyzja zwykle zależy od geometrii testu, liczby kanałów i czasu, jaki masz na miejscu. Poniższa tabela przedstawia czynniki, które najczęściej rozstrzygają spór.

Ciągle pojawia się jeden praktyczny wzór: zespoły testują bezprzewodowo, a następnie weryfikują je za pomocą krótkiego przewodowego pomiaru referencyjnego na tej samej konstrukcji. Jeśli obaj się zgodzą, nagranie bezprzewodowe będzie można później łatwo obronić.

Gdzie bezkablowy pomiar siły zasługuje na swoje utrzymanie

Modalne i strukturalne badania dynamiczne

Testowanie modalne to działalność polegająca na pomiarach wędrujących. Wzbudzasz konstrukcję w jednym punkcie i przesuwasz akcelerometry w dziesiątkach lokalizacji reakcji lub przesuwasz młotek z punktu do punktu, obserwując stałe czujniki. Kable utrudniają obydwa procesy. Kanały bezprzewodowe pozwalają czujnikom pozostać na miejscu podczas ruchu wzbudzenia i eliminują ryzyko potknięcia, które pojawia się w przypadku trzydziestu kabli przechodzących przez podłogę testową.

Testowanie mostów, podłóg i obciążeń cywilnych

Próbne badanie obciążenia mostu lub płyty podłogowej często wymaga ogniw obciążnikowych umieszczonych pod podnośnikami oddalonymi od siebie o dziesiątki metrów i odczytywanych jednocześnie podczas stopniowego obciążania konstrukcji. Instalacje przewodowe oznaczają długie prowadzenie kabli w infrastrukturze publicznej, co w niektórych przypadkach jest po prostu niedozwolone w dostępnym oknie czasowym. Rozproszone węzły bezprzewodowe rozwiązują problem logistyczny, pod warunkiem, że synchronizacja między węzłami jest wystarczająco solidna, aby w znaczący sposób porównać odczyty statyczne.

Maszyny obrotowe i obrabiarki

Każdy pomiar na obracającym się wale ostatecznie prowadzi do kwestii pierścienia ślizgowego. Siła skrawania na uchwycie narzędzia, moment obrotowy na wale napędowym i siła na obracającym się ostrzu to przypadki, w których kabel nie może podążać za ruchem i gdzie jedynym praktycznym rozwiązaniem jest kompaktowy węzeł zasilany akumulatorowo na ramie obrotowej. Problem polega na tym, że możesz teraz zarządzać bilansem masy i jakością danych, ponieważ ciężki węzeł zmienia dynamikę, którą próbujesz zmierzyć.

Pomiary w skali biomedycznej i ludzkiej

Płytki siłowe, pomiar obciążenia protetycznego i analiza chodu mają te same ograniczenia: kabel nie może wpływać na pacjenta. Bezprzewodowe wykrywanie siły i przyspieszenia eliminuje ten artefakt, a jednocześnie eliminuje rzeczywiste zagrożenie bezpieczeństwa. Wymagania dotyczące dokładności są tutaj często skromne w wartościach bezwzględnych, ale wymagające powtarzalności, co kładzie nacisk na zerowanie i dryft, a nie na szerokość pasma.

Długoterminowe monitorowanie i przetwarzanie brzegowe

Ostatnia aplikacja jest najcichsza i najszybciej rozwijająca się. Węzeł zasilany bateryjnie przykręcony do maszyny, obudowy łożyska lub elementu konstrukcyjnego może rejestrować siłę i wibracje zgodnie z harmonogramem, lokalnie obliczać podstawowe wskaźniki i przesyłać jedynie podsumowania lub alarmy. Przepustowość przestaje być wąskim gardłem, ponieważ surowe dane nigdy nie opuszczają węzła. W tym miejscu kolekcjonerzy obliczeń brzegowych w dużej mierze zastąpili pomysł przesyłania strumieniowego wszystkiego do centralnej szafy.

Jakościowa ocena dopasowania oparta na typowej praktyce terenowej, a nie na zmierzonych danych porównawczych.

Kolektor przetwarzania brzegowego do testowania wibracji i hałasu Przejrzyj moduł zbierający obliczenia brzegowe pod kątem rejestracji wibracji przemysłowych i hałasu; powiązane instrumenty sieci Gigabit pasują do różnych ram, układów dysków lub poziomów automatyzacji. Zobacz produkt →

Specyfikacje decydujące o zakupie

Arkusze danych nie zostały napisane, aby pomóc Ci w porównaniu. Są to parametry, które sugerujemy określić przed wystawieniem oferty, mniej więcej w kolejności, w jakiej powodują później problemy.

• Przepustowość i częstotliwość próbkowania. Zdecyduj, jaka częstotliwość jest rzeczywiście potrzebna, a następnie zapewnij margines na filtrowanie antyaliasowe. Uderzenie o częstotliwości 1 kHz i kołysanie mostu o częstotliwości 5 Hz wymagają zupełnie innego sprzętu.
• Typ wejścia na kanał. Napięcie, IEPE lub ładunek. Węzeł obejmujący wszystkie trzy w tej samej obudowie jest znacznie bardziej przydatny niż węzeł obejmujący tylko IEPE.
• Poziom szumów i rozdzielczość w jednostkach inżynierskich. Zapytaj o poziom szumów w miliwoltach lub ułamkach siły znamionowej, a nie tylko o głębokość bitową konwertera.
• Metoda synchronizacji. Wyzwalacz sprzętowy, znacznik czasu z dyscypliną zegara lub jedno i drugie. Zapytaj, jakie jest gwarantowane wyrównanie próbki w węzłach.
• Liczba kanałów na węzeł i na system. Mniej węzłów oznacza prostszą synchronizację i mniej baterii, co zwykle oznacza lepszy test.
• Żywotność baterii w Twoim cyklu pracy. Ciągłe przesyłanie strumieniowe i nagrywanie wyzwalane zdarzeniami to różne produkty. Uzyskaj liczbę dla swojego trybu działania.
• Wbudowane buforowanie i retransmisja. Awarie radia są rzeczą normalną. Nie ma znaczenia, czy węzeł wypełnia lukę.
• Ocena środowiskowa i bezpieczeństwo. Stopień ochrony, zakres temperatur i certyfikat iskrobezpieczeństwa, jeśli pomiar odbywa się w obszarze niebezpiecznym.
• Ścieżka kalibracji. Jak czujnik jest kalibrowany, jak dokumentowana jest identyfikowalność i czy można zweryfikować łańcuch na miejscu za pomocą przenośnego kalibratora.

Synchronizacja: ciche wyzwanie

Dwa węzły bezprzewodowe nigdy nie będą dzielić idealnego zegara. Każdy działa na własnym oscylatorze i nawet dobrze zachowujący się kryształ dryfuje o kilka części na milion. Ponad dziesięciosekundowy rekord, którego nie widać. W przypadku dwugodzinnego testu obciążenia statycznego lub długiej sesji monitorowania operacyjnego pojawia się systematyczny błąd czasu między kanałami, którego żadna obróbka końcowa nie jest w stanie odgadnąć.

Istnieją trzy wykonalne odpowiedzi. Pierwszy to wspólny wyzwalacz sprzętowy, który wyrównuje jedynie moment początkowy i pozostawia dryft nieskorygowany. Druga to okresowa synchronizacja czasu za pośrednictwem łącza radiowego, która utrzymuje węzły wystarczająco blisko siebie, aby można było przeprowadzić typową analizę dynamiczną. Trzeci to właściwy protokół dystrybucji czasu z pakietami ze znacznikiem czasu w odbiorniku, który umożliwia pomiar i korygowanie dryftu w oprogramowaniu. Systemy, które poprawnie wykonują trzeci proces, pozwalają porównać kanał siły w węźle A z kanałem przyspieszenia w węźle G bez kłótni o fazę.

Na równą uwagę zasługują dwa powiązane ze sobą szczegóły. Zachowanie w zakresie przesunięcia i dryftu określa, czy odczyt siły statycznej w ogóle ma znaczenie, dlatego procedury zerowania są równie ważne jak rozdzielczość. Buforowanie pakietów określa, czy krótka przerwa w transmisji radiowej spowoduje przerwę, czy też zapis zostanie naprawiony. Łańcuch, który radzi sobie z obydwoma z wdziękiem, jest wart więcej niż łańcuch z nieco wyższą częstotliwością próbkowania nagłówka.

Jak podchodzimy do bezkablowych testów siły i wibracji

Nasza praca w Yangzhou Zhenzhong Testing Technology znajduje się w miejscu, w którym faktycznie uzyskuje się odpowiedzi na te pytania. Budujemy czujniki siły i drgań serii ZT, analizatory sygnałów dynamicznych, sprzęt wzbudzający i przyrządy kalibracyjne oraz integrujemy je w kompletne systemy testowe dla inżynierii lądowej, lotniczej, energetycznej, transportu kolejowego i drogowego, morskiego, obrabiarkowego i zastosowań badawczych.

Praktyczną zaletą tego stanowiska jest to, że kwestia sieci bezprzewodowej przestaje być kwestią sprzętu i staje się kwestią łańcucha. Czujnik siły, jego kondycjonowanie, węzeł, który go digitalizuje, sieć, która go przenosi, oraz oprogramowanie, które je analizuje, wszystko to jest częścią jednej ścieżki pomiarowej, a budżetem błędów należy zarządzać na całej ścieżce, a nie w jakimkolwiek pojedynczym punkcie. Dlatego też utrzymujemy w portfelu ściśle powiązane strony sensoryczne, akwizycyjne i analityczne, zamiast traktować je jako niepowiązane pozycje katalogu.

W przypadku zespołów budujących pomiar rozproszony zwykle punktem wyjścia jest przetwornik siły plus wielokanałowy węzeł akwizycji lub przenośny analizator sygnału dynamicznego w przypadku mniejszych kampanii. Jeżeli badanie obejmuje wzbudzenie strukturalne, siłę odniesienia zapewnia oprzyrządowany młotek do pomiaru siły modalnej o znanej czułości, a ten sam zapis wykorzystuje się w oprogramowaniu do analizy modalnej. Kiedy oczekuje się, że pomiar będzie trwał miesiące, a nie godziny, architektura przesuwa się w stronę przetwarzania brzegowego, tak aby przesyłane były tylko istotne dane.

Jeśli chcesz zobaczyć, jak te elementy łączą się w praktyce, systemy badań wibracyjnych i dynamicznych przegląd przechodzi przez widok na poziomie systemu i to porównanie analizatorów sygnałów dynamicznych wyjaśnia, dlaczego interfejs akwizycji jest tak samo ważny jak sam czujnik.

Modalne młoty siłowe serii FH Zapoznaj się z modalnymi młotami siłowymi serii FH z wymiennymi głowicami buforowymi i przeciwwagami do testów udarności, testów rezonansowych i analizy modalnej konstrukcji tłumionych. Zobacz produkt →

Pole kontrolne dotyczące wiarygodnych liczb

Większość rozczarowujących pomiarów bezprzewodowych ma podłoże w procedurze, a nie w sprzęcie. Ta sekwencja obejmuje większość z nich.

1. Przede wszystkim zdefiniuj interesujący Cię zakres częstotliwości i potwierdź, że częstotliwość próbkowania i ustawienia filtra go obsługują.
2. Sprawdź i zamontuj czujnik prawidłowo. Czujnik siły, który nie jest osadzony płasko na powierzchni montażowej, mierzy mocowanie, a nie konstrukcję.
3. Wyzeruj lub wytaruj kanał w rzeczywistej konfiguracji testowej, z zamontowanym uchwytem i konstrukcją w normalnym stanie.
4. Sprawdź przesunięcie godzinę później. Jeśli przesunął się znacząco, temperatura i dryf są częścią pomiaru, czy ci się to podoba, czy nie.
5. Sprawdź synchronizację jednym celowym dotknięciem struktury, którą powinny widzieć wszystkie kanały, a następnie sprawdź czasy przybycia.
6. Uruchom krótki przewodowy kanał referencyjny, jeśli jest dostępny. Umowa to najtańsze zabezpieczenie, jakie kiedykolwiek kupisz.
7. Rejestruj metadane: numery seryjne czujników, czułość, tożsamość węzłów, częstotliwość próbkowania, ustawienia filtrów i warunki środowiskowe.
8. Zapisz zapis bazowy konstrukcji w jej normalnym stanie, aby przyszłe pomiary miały coś do porównania.

Pytania, które słyszymy najczęściej

Jak wyzerować bezprzewodowy czujnik siły?

Zerowanie usuwa przesunięcie statyczne, które występuje w przetworniku i jego elektronice na początku testu. Zrób to z czujnikiem zainstalowanym i obciążonym dokładnie tak, jak będzie podczas pomiaru, poczekaj najpierw, aż elektronika osiągnie równowagę termiczną i zapisz wartość przesunięcia, aby później móc udowodnić, co zostało odjęte. Następnie sprawdź po pewnym czasie pracy, czy zero nie przesunęło się. Przy prawdziwie dynamicznym pomiarze zero ma niewielkie znaczenie; w trybie statycznym lub quasi-statycznym ma to większe znaczenie niż prawie jakiekolwiek inne ustawienie.

Czy łańcuch bezprzewodowy naprawdę może zastąpić łańcuch przewodowy do testowania modalnego?

W przypadku wzbudzenia młotkowego i umiarkowanej liczby kanałów: tak, pod warunkiem, że udokumentowane jest wyrównanie próbek między węzłami, a oprogramowanie traktuje kanały bezprzewodowe jako kanały pierwszej klasy. W przypadku dużej liczby kanałów w kontrolowanym laboratorium szafa przewodowa jest zwykle prostsza, szybsza w konfiguracji i łatwiejsza do obrony w raporcie.

Jakiej żywotności baterii powinienem się spodziewać?

Nie ma uniwersalnej odpowiedzi, ponieważ liczba zależy prawie wyłącznie od cyklu pracy i częstotliwości próbkowania. Węzeł, który budzi się na dziesięć sekund co godzinę, może działać miesiącami, podczas gdy ten sam węzeł przesyłający strumieniowo dane w sposób ciągły z dużą częstotliwością próbkowania może wystarczyć na jeden dzień roboczy. Zawsze pytaj o liczbę w swoim trybie pracy, a nie o najlepszy przypadek w arkuszu danych.

Bezprzewodowy pomiar siły dojrzał do tego stopnia, że ​​interesująca inżynieria odeszła od radia i wróciła do samego pomiaru. Przetwornik nadal musi zostać wybrany pod kątem odpowiedniego zakresu siły i właściwej dynamiki, przód nadal musi być cichy, zegary nadal muszą się zgadzać, a kalibracja nadal musi być identyfikowalna. Kiedy te podstawy zostaną właściwie potraktowane, przecięcie kabla zmienia szybkość oprzyrządowania konstrukcji i miejsce, w którym w ogóle można dokonać pomiarów, bez zmiany znaczenia danych.

Jeśli planujesz rozproszony pomiar siły lub drgań i potrzebujesz drugiej opinii na temat architektury przed zamówieniem sprzętu, nasz zespół chętnie o tym porozmawia. Możesz skontaktować się z nami pod adresem sales@china-zztest.com lub pod numerem 86-0514-85764839, a my szczerze powiemy Ci, kiedy kabel jest nadal lepszym rozwiązaniem.