Беспроводные датчики силы: практическое руководство по бескабельному измерению силы

Кабель — наименее интересная часть измерения силы, вплоть до тех пор, пока это не так. Он улавливает шум из приводного шкафа, находящегося в двух отсеках от него, он устает в разъеме после нескольких тысяч циклов, зацепляется за движущееся приспособление и превращает испытание сорокаканального моста в два дня установки приборов. Это настоящая причина, по которой беспроводные датчики силы превратились из новинки в стандартный инструмент для структурных, промышленных и исследовательских испытаний.

Далее следует практический взгляд на то, как на самом деле работает бескабельное измерение силы, где оно действительно превосходит проводную цепь, а где незаметно, и какие спецификации определяют, заслуживает ли доверие числа на экране. Он написан с точки зрения команды, которая зарабатывает на жизнь созданием оборудования для силовых, вибрационных и динамических испытаний, поэтому упор делается на то, что выдерживает контакт с реальными испытаниями.

Что на самом деле представляет собой беспроводной датчик силы

Строго говоря, беспроводной датчик силы — это датчик силы, выходной сигнал которого поступает в систему сбора данных по радиоканалу, а не по кабелю. На практике эта фраза охватывает несколько разных архитектур, и различия имеют значение при определении теста.

В реальных проектах чаще всего встречаются четыре схемы:

• Встроенный беспроводной датчик силы. Тензодатчик или пьезоэлектрический элемент, его преобразователь сигнала, аналого-цифровой преобразователь, радиоприемник и аккумулятор находятся в одном герметичном корпусе. Самый простой в развертывании, самый сложный в ремонте и обычно самый дорогой на канал.
• Обычный датчик силы с прикрепленным узлом беспроводного передатчика. Часто встречается в лабораториях, которые уже имеют калиброванные датчики и хотят продолжать их использовать, а не покупать новые.
• Многоканальный беспроводной узел сбора данных с входами напряжения, IEPE или заряда. К одному узлу можно подключить датчик силы, акселерометр или микрофон, что делает практичными смешанные испытания конструкции на силу и вибрацию.
• Полупассивные и пассивные конструкции. Датчики с радиочастотным питанием, пьезорезистивные матрицы и печатные гибкие элементы. Сегодня они в основном находятся на стадии исследований, но они указывают на будущее, в котором обслуживание аккумуляторов исчезнет.

Принцип чувствительности преобразователя — это отдельный вопрос, который решается задолго до того, как это сделает радио. Тензодатчики хорошо ведут себя при статических и квазистатических нагрузках, поскольку им требуется мостовое возбуждение и они сохраняют стабильные показания. Пьезоэлектрические датчики силы отлично подходят для измерения динамических событий, таких как удары и модальное возбуждение, поскольку они генерируют заряд, пропорциональный приложенной силе, и не могут удерживать статическое значение бесконечно. Пьезорезистивные элементы МЭМС находятся между ними, предлагая небольшой размер и разумную пропускную способность при более низких диапазонах усилий.

Поэтому первым полезным вопросом никогда не будет «какой беспроводной датчик мне купить». Это «измеряю ли я статическую силу, динамическую силу или и то, и другое». Все остальное следует из этого ответа.

Цепочка измерения силы, звено за звеном

Разрезание кабеля не приводит к удалению какой-либо электроники, которая раньше располагалась за ним. Это их только движет. Понимание того, где они оказались, — это самый быстрый способ оценить, подойдет ли продукт для вашего приложения.

Чувствительный элемент

Для динамической работы эталоном остается пьезоэлектрический датчик силы. Модальный силовой молоток представляет собой пьезоэлектрический датчик силы с известной массой и закаленным наконечником, поэтому испытание молотка и пьезоэлектрические измерения почти всегда обсуждаются вместе. Для статических и медленно меняющихся нагрузок тензорезисторы из фольги в полном мосте по-прежнему являются «рабочей лошадкой», при условии, что температура контролируется и возбуждение моста чистое. Каким бы ни был элемент, его калибровка — это та часть, которая в конечном итоге придает значение числу, и беспроводная система не меняет этого требования.

Кондиционирование и оцифровка

Сигнал, выходящий из элемента, мал, высокоомен и зашумлен. Усилители заряда, схемы завершения мостов, фильтры защиты от наложения помех и аналого-цифровые преобразователи — все это должно быть размещено где-то в цепи. Современные системы обычно используют 24-битное преобразование, но количество битов является плохим показателем качества. Полезное разрешение определяет уровень шума всего входного каскада, выраженный в микровольтах или долях грамм-силы, а также стабильность опорного сигнала. Тихий 24-битный канал всегда превосходит шумный 32-битный.

Тип ввода также имеет значение. Узел, принимающий входы напряжения, IEPE и заряда на одном шасси, позволяет объединить датчик силы и несколько акселерометров в одну синхронизированную запись, а это именно то, что требуется для модального испытания или оперативного исследования формы отклонения.

Радиосвязь и бюджет электроэнергии

Выбор радио — это компромисс между пропускной способностью, дальностью действия, количеством каналов и мощностью. Непрерывная потоковая передача восьми или шестнадцати каналов с высокой частотой дискретизации быстро разряжает батарею, поэтому хорошо спроектированные узлы локально буферизуются и загружаются эффективными пакетами, когда тест позволяет это. В промышленных условиях металлические механизмы и железобетон отражают и поглощают радиоэнергию, поэтому запас связи в реальном здании всегда хуже, чем число в таблице данных.

Ресивер и программное обеспечение

Именно здесь беспроводная сеть либо становится инструментом, либо остается гаджетом. Приемник, который ставит метки времени пакетам, согласовывает свои часы с узлами датчиков и доставляет непрерывный поток данных в то же программное обеспечение для анализа, которое вы используете для проводных каналов, — это разница между разовой демонстрацией и повторяемой тестовой программой. Если беспроводные каналы попадают в другой файл с другой временной разверткой, чем проводные, кто-то потратит весь день на сшивание записей в электронные таблицы.

Датчики силы и преобразователи давления Изучите варианты датчиков силы и преобразователей давления с руководством по настройке, охватывающим номинальную мощность, точность, интеграцию и приемку для измерительных проектов. Посмотреть продукт →

Проводной или беспроводной? Сравнение бок о бок

Ни один из вариантов не является в целом лучшим. Решение обычно зависит от геометрии теста, количества каналов и времени, которое вы проводите на объекте. В таблице ниже указаны факторы, которые чаще всего разрешают спор.

Продолжает проявляться одна практическая закономерность: команды измеряют беспроводную связь, а затем проверяют ее с помощью короткого проводного эталонного измерения на той же конструкции. Если оба согласны, запись беспроводной связи позже будет легко защитить.

Где бескабельное измерение силы приносит пользу

Модальные и структурные динамические испытания

Модальные испытания — это бизнес, связанный с передвижными измерениями. Вы возбуждаете конструкцию в одной точке и перемещаете акселерометры по десяткам мест срабатывания или перемещаете молоток с инструментами от точки к точке, пока за этим наблюдают фиксированные датчики. Кабели мешают обоим рабочим процессам. Беспроводные каналы позволяют датчикам оставаться на месте во время движения возбуждения и устраняют опасность споткнуться, возникающую при прохождении тридцати кабелей по испытательной площадке.

Мосты, полы и испытания на гражданскую нагрузку

Испытание контрольной нагрузки моста или плиты перекрытия часто требует, чтобы датчики нагрузки располагались под домкратами на расстоянии десятков метров друг от друга и считывались одновременно, пока конструкция постепенно нагружается. Проводные установки означают длинные прокладки кабеля через общественную инфраструктуру, а в некоторых случаях это просто не разрешено в пределах доступного временного окна. Распределенные беспроводные узлы решают проблему логистики при условии, что синхронизация между узлами достаточно надежна для осмысленного сравнения статических показаний.

Вращающиеся машины и станки

Любое измерение на вращающемся валу в конечном итоге приводит к вопросу о контактном кольце. Сила резания на держателе инструмента, крутящий момент на приводном валу и сила на вращающемся лезвии — все это случаи, когда трос не может следовать за движением и когда компактный узел с батарейным питанием на вращающейся раме является единственным практическим решением. Суть в том, что теперь вы управляете массовым балансом, а также качеством данных, поскольку тяжелый узел меняет динамику, которую вы пытаетесь измерить.

Биомедицинские и человеческие измерения

Силовые пластины, измерение нагрузки на протез и анализ походки имеют одно и то же ограничение: кабель не должен влиять на субъекта. Бескабельное определение силы и ускорения устраняет этот артефакт и одновременно устраняет реальную угрозу безопасности. Требования к точности здесь часто скромны в абсолютном выражении, но требовательны к повторяемости, что делает упор на обнуление и дрейф, а не на полосу пропускания.

Долгосрочный мониторинг и периферийные вычисления

Последнее приложение самое тихое и быстрорастущее. Узел с батарейным питанием, прикрепленный болтами к машине, корпусу подшипника или элементу конструкции, может регистрировать силу и вибрацию по расписанию, локально рассчитывать основные показатели и передавать только сводные данные или сигналы тревоги. Пропускная способность перестает быть узким местом, поскольку необработанные данные никогда не покидают узел. Именно здесь сборщики периферийных вычислений в значительной степени заменили идею потоковой передачи всего в центральную стойку.

Качественная оценка соответствия, основанная на типичной полевой практике, а не на измеренных сравнительных данных.

Коллектор периферийных вычислений для испытаний на вибрацию и шум Обзор коллектора периферийных вычислений для сбора данных о промышленной вибрации и шуме; соответствующие гигабитные сетевые инструменты подходят для разных корпусов, компоновок приводов или уровней автоматизации. Посмотреть продукт →

Характеристики, которые решают покупку

Таблицы данных написаны не для того, чтобы вам было проще сравнивать. Мы предлагаем вам определить эти параметры до того, как будет опубликовано предложение, примерно в том порядке, в котором они вызывают проблемы в дальнейшем.

• Пропускная способность и частота дискретизации. Определите самую высокую частоту, которая вам действительно нужна, а затем дайте запас для фильтрации сглаживания. Удар с частотой 1 кГц и раскачивание моста с частотой 5 Гц требуют совершенно разного оборудования.
• Тип входа на канал. Напряжение, IEPE или заряд. Узел, охватывающий все три на одном шасси, гораздо полезнее, чем узел, охватывающий только IEPE.
• Уровень шума и разрешение в инженерных единицах. Запрашивайте минимальный уровень шума в милливольтах или долях номинальной силы, а не только разрядность преобразователя.
• Метод синхронизации. Аппаратный триггер, отметка времени с дисциплиной часов или и то, и другое. Спросите, каково гарантированное выравнивание выборки между узлами.
• Количество каналов на узел и на систему. Меньшее количество узлов означает более простую синхронизацию и меньшее количество батарей, что обычно означает лучшее тестирование.
• Срок службы батареи при вашем рабочем цикле. Непрерывная потоковая передача и запись по событию — это разные продукты. Получите цифру для вашего режима работы.
• Встроенная буферизация и повторная передача. Отключение радио — это нормально. Вопрос о том, заполняет ли узел пробел, не имеет значения.
• Экологический рейтинг и безопасность. Степень защиты, температурный диапазон и сертификация искробезопасности, если измерение проводится в опасной зоне.
• Путь калибровки. Как калибруется датчик, как документируется отслеживаемость и можно ли проверить цепь на месте с помощью портативного калибратора.

Синхронизация: тихий вызов

Два беспроводных узла никогда не будут использовать идеальные часы. Каждый из них работает на своем собственном генераторе, и даже исправный кристалл дрейфует на несколько частей на миллион. Более чем десятисекундный рекорд, который невидим. В течение двухчасового теста статической нагрузки или длительного сеанса оперативного мониторинга между каналами возникает систематическая ошибка во времени, которую не может устранить никакая постобработка.

Есть три действенных ответа. Первый — это общий аппаратный триггер, который выравнивает только момент запуска и оставляет дрейф неисправленным. Второй — периодическая синхронизация времени по радиоканалу, которая удерживает узлы достаточно близко для типичного динамического анализа. Третий — это правильный протокол распределения времени с пакетами с метками времени на приемнике, который позволяет измерять и корректировать дрейф в программном обеспечении. Системы, которые правильно выполняют третье, позволяют вам сравнивать канал силы в узле A с каналом ускорения в узле G, не споря о фазе.

Две взаимосвязанные детали заслуживают равного внимания. Поведение смещения и дрейфа определяет, имеют ли вообще значение показания статической силы, поэтому процедуры обнуления имеют такое же значение, как и разрешение. А буферизация пакетов определяет, приведет ли кратковременное отключение радиосвязи к разрыву или к восстановлению записи. Цепочка, которая изящно справляется с обоими, стоит дороже, чем цепочка с немного более высокой частотой дискретизации заголовка.

Как мы подходим к бескабельным испытаниям на силу и вибрацию

Наша работа в Yangzhou Zhenzhong Testing Technology находится на стыке вопросов, где можно получить ответы на эти вопросы. Мы создаем датчики силы и вибрации серии ZT, анализаторы динамических сигналов, оборудование возбуждения и калибровочные инструменты, а также интегрируем их в комплексные испытательные системы для гражданского строительства, аэрокосмической отрасли, энергетики, железнодорожного и автомобильного транспорта, морского транспорта, станков и исследовательских приложений.

Практическое преимущество этой позиции состоит в том, что вопрос беспроводной связи перестает быть вопросом об оборудовании и становится вопросом цепочки. Датчик силы, его обработка, узел, который его оцифровывает, сеть, которая его передает, и программное обеспечение, которое его анализирует, — все это части одного пути измерения, и балансом ошибок необходимо управлять на всем пути, а не в какой-либо отдельной точке. Вот почему мы сохраняем тесную связь между датчиками, сбором данных и анализом в нашем портфолио, а не рассматриваем их как несвязанные элементы каталога.

Для команд, занимающихся распределенными измерениями, обычной отправной точкой является датчик силы плюс многоканальный узел сбора данных или портативный динамический анализатор сигналов для небольших кампаний. Когда испытание включает в себя структурное возбуждение, инструментальный молоток модальной силы с известной чувствительностью обеспечивает эталонную силу, и та же запись используется для программного обеспечения модального анализа. Когда ожидается, что измерения будут длиться месяцы, а не часы, архитектура смещается в сторону периферийной обработки, так что передаются только значимые данные.

Если вы хотите увидеть, как эти части сочетаются на практике, системы вибрационных и динамических испытаний Обзор проходит через представление уровня системы, и это сравнение динамических анализаторов сигналов объясняет, почему интерфейс сбора данных важен так же, как и сам датчик.

Модальные молоты серии FH Обзор модальных молотков серии FH со сменными буферными головками и противовесами для испытаний на удар, резонансных испытаний и модального анализа демпфирующих конструкций. Посмотреть продукт →

Контрольный список полей для надежных номеров

Большинство разочаровывающих измерений беспроводной связи связаны с процедурой, а не с аппаратным обеспечением. Эта последовательность ловит большинство из них.

1. Прежде всего определите интересующий диапазон частот и убедитесь, что частота дискретизации и настройки фильтра поддерживают его.
2. Осмотрите и правильно закрепите датчик. Датчик силы, который не установлен ровно на монтажной поверхности, измеряет монтаж, а не конструкцию.
3. Обнулите или тарируйте канал в реальной тестовой конфигурации, с установленным приспособлением и конструкцией в нормальном состоянии.
4. Проверьте смещение через час. Если он значительно сдвинулся, температура и дрейф являются частью ваших измерений, нравится вам это или нет.
5. Проверьте синхронизацию одним намеренным нажатием на структуру, которую должны видеть все каналы, а затем проверьте время прибытия.
6. Запустите короткий проводной опорный канал, если таковой имеется. Соглашение — это самое дешевое доверие, которое вы когда-либо купите.
7. Записывайте метаданные: серийные номера датчиков, чувствительность, идентификаторы узлов, частоты дискретизации, настройки фильтров и условия окружающей среды.
8. Сохраните базовую запись конструкции в ее нормальном состоянии, чтобы при будущих измерениях было с чем сравнивать.

Вопросы, которые мы слышим чаще всего

Как обнулить беспроводной датчик силы?

Обнуление устраняет статическое смещение, которое присутствует в датчике и его электронике в начале испытания. Сделайте это с установленным и загруженным датчиком точно так, как это будет во время измерения, сначала дайте электронике достичь теплового равновесия и запишите значение смещения, чтобы позже можно было доказать, что было вычтено. Затем после некоторого периода работы убедитесь, что ноль не сместился. При действительно динамических измерениях ноль не имеет большого значения; в статическом или квазистатическом режиме это имеет большее значение, чем любой другой параметр.

Может ли беспроводная цепь действительно заменить проводную для модального тестирования?

Для молоткового возбуждения и умеренного количества каналов — да, при условии, что выборочное выравнивание между узлами задокументировано и программное обеспечение рассматривает беспроводные каналы как первоклассные каналы. При большом количестве каналов в контролируемой лаборатории обычно проще использовать проводную стойку, ее быстрее настроить и легче защитить в отчете.

На какое время автономной работы мне следует рассчитывать?

Универсального ответа не существует, поскольку это число почти полностью зависит от рабочего цикла и частоты дискретизации. Узел, который просыпается на десять секунд каждый час, может работать месяцами, в то время как тот же узел, выполняющий непрерывную потоковую передачу с высокой частотой дискретизации, может работать один рабочий день. Всегда запрашивайте цифру для вашего режима работы, а не для лучшего случая, указанного в таблице данных.

Беспроводное измерение силы дошло до такой степени, что интересная инженерия отошла от радио и вернулась к самим измерениям. Датчик по-прежнему должен быть выбран с учетом правильного диапазона силы и правильной динамики, входная часть должна быть тихой, часы должны согласовываться, а калибровка должна прослеживаться. При правильном использовании этих основ перерезание кабеля меняет то, насколько быстро вы можете приборировать конструкцию и где вообще можно проводить измерения, не меняя значения данных.

Если вы планируете измерение распределенной силы или вибрации и хотите получить второе мнение об архитектуре перед заказом оборудования, наша команда будет рада обсудить это. Вы можете связаться с нами по адресу sales@china-zztest.com или по телефону 86-0514-85764839, и мы честно скажем вам, когда кабель по-прежнему будет лучшим ответом.