Cảm biến lực không dây: Hướng dẫn thực hành để đo lực không cần cáp

Cáp là phần ít thú vị nhất trong phép đo lực, cho đến khi không còn nữa. Nó thu tiếng ồn từ tủ ổ đĩa cách đó hai khoang, nó làm mỏi đầu nối sau vài nghìn chu kỳ, nó vướng vào một thiết bị cố định đang chuyển động và nó biến việc kiểm tra cầu nối bốn mươi kênh thành hai ngày đo đạc. Đó chính là lý do chính đáng khiến các cảm biến lực không dây chuyển từ công cụ mới sang công cụ tiêu chuẩn trong thử nghiệm kết cấu, công nghiệp và nghiên cứu.

Phần tiếp theo là cái nhìn thực tế về cách hoạt động thực sự của phép đo lực không dùng cáp, ở đâu nó thực sự hoạt động tốt hơn so với dây xích có dây, ở đâu nó không hoạt động một cách thầm lặng và thông số kỹ thuật nào quyết định liệu một con số trên màn hình có đáng tin cậy hay không. Nó được viết từ quan điểm của một nhóm xây dựng phần cứng kiểm tra lực, độ rung và động để kiếm sống, do đó, trọng tâm vẫn là những gì còn sót lại khi tiếp xúc với một bài kiểm tra thực tế.

Cảm biến lực không dây thực sự là gì

Nói đúng ra, cảm biến lực không dây là một bộ chuyển đổi lực có đầu ra đến hệ thống thu thập dữ liệu qua liên kết vô tuyến thay vì cáp. Trong thực tế, cụm từ này bao gồm một số kiến ​​trúc khác nhau và sự khác biệt rất quan trọng khi bạn chỉ định một bài kiểm tra.

Bốn sự sắp xếp xuất hiện thường xuyên nhất trong các dự án thực tế:

• Một bộ chuyển đổi lực không dây tích hợp. Một cảm biến tải trọng đo biến dạng hoặc phần tử áp điện, điều hòa tín hiệu, bộ chuyển đổi tương tự sang số, radio và pin dùng chung một vỏ kín. Dễ triển khai nhất, khó sửa chữa nhất và thường đắt nhất trên mỗi kênh.
• Một cảm biến lực thông thường có gắn nút phát không dây. Phổ biến trong các phòng thí nghiệm đã sở hữu đầu dò đã hiệu chuẩn và muốn tiếp tục sử dụng chúng hơn là mua đầu dò mới.
• Nút thu nhận không dây đa kênh có đầu vào điện áp, IEPE hoặc sạc. Một nút có thể chấp nhận cảm biến lực, gia tốc kế hoặc micrô, điều này làm cho việc thử nghiệm lực và rung hỗn hợp trên một cấu trúc trở nên thực tế.
• Thiết kế bán thụ động và thụ động. Cảm biến hỗ trợ RF, mảng áp điện và các phần tử linh hoạt được in. Ngày nay chủ yếu là ở giai đoạn nghiên cứu, nhưng họ hướng tới một tương lai nơi việc bảo trì pin sẽ không còn nữa.

Nguyên lý cảm biến đằng sau bộ chuyển đổi là một câu hỏi riêng biệt được quyết định từ rất lâu trước khi có bộ đàm. Cảm biến tải trọng đo biến dạng hoạt động tốt dưới tải tĩnh và bán tĩnh vì chúng cần kích thích cầu và giữ số đọc ổn định. Cảm biến lực áp điện rất lý tưởng cho các sự kiện động như va chạm và kích thích phương thức, vì chúng tạo ra điện tích tỷ lệ với lực tác dụng và không thể giữ giá trị tĩnh vô thời hạn. Các phần tử MEMS áp điện nằm giữa hai phần tử này, mang lại kích thước nhỏ và băng thông hợp lý ở phạm vi lực thấp hơn.

Vì vậy, câu hỏi hữu ích đầu tiên không bao giờ là "tôi nên mua cảm biến không dây nào". Đó là "tôi đang đo lực tĩnh, lực động hay cả hai". Mọi thứ khác đều theo sau câu trả lời đó.

Chuỗi đo lực, liên kết theo liên kết

Việc cắt cáp không loại bỏ bất kỳ thiết bị điện tử nào nằm phía sau nó. Nó chỉ di chuyển chúng. Hiểu được họ đã kết thúc ở đâu là cách nhanh nhất để đánh giá liệu một sản phẩm có phù hợp với ứng dụng của bạn hay không.

Yếu tố cảm biến

Đối với công việc năng động, cảm biến lực áp điện vẫn là tham chiếu. Búa lực phương thức về cơ bản là một cảm biến lực áp điện có khối lượng đã biết và đầu cứng, đó là lý do tại sao việc kiểm tra búa và đo áp điện hầu như luôn được thảo luận cùng nhau. Đối với tải trọng tĩnh và thay đổi chậm, máy đo biến dạng lá liên kết trong một cây cầu đầy đủ vẫn là công cụ hữu ích, miễn là nhiệt độ được kiểm soát và kích thích cầu sạch sẽ. Dù là yếu tố nào thì việc hiệu chuẩn của nó là phần cuối cùng mang lại ý nghĩa cho con số và hệ thống không dây không thay đổi yêu cầu đó.

Điều hòa và số hóa

Tín hiệu rời khỏi phần tử nhỏ, trở kháng cao và nhiễu. Bộ khuếch đại điện tích, mạch hoàn thiện cầu nối, bộ lọc khử bí danh và bộ chuyển đổi tương tự sang số đều phải được đặt ở đâu đó trong chuỗi. Các hệ thống hiện đại thường xuyên sử dụng chuyển đổi 24-bit, nhưng số lượng bit là thước đo kém cho chất lượng. Yếu tố quyết định độ phân giải có thể sử dụng là mức nhiễu của toàn bộ giao diện người dùng, được biểu thị bằng microvolt hoặc phân số của lực gam, cùng với độ ổn định của tham chiếu. Kênh 24 bit yên tĩnh luôn đánh bại kênh 32 bit ồn ào.

Loại đầu vào cũng quan trọng. Nút chấp nhận đầu vào điện áp, IEPE và điện tích trên cùng một khung cho phép bạn đưa cảm biến lực và một số gia tốc kế vào một bản ghi được đồng bộ hóa, đây chính xác là những gì mà một thử nghiệm phương thức hoặc nghiên cứu hình dạng độ lệch vận hành yêu cầu.

Liên kết vô tuyến và ngân sách năng lượng

Lựa chọn vô tuyến là sự đánh đổi giữa thông lượng, phạm vi, số lượng kênh và công suất. Việc phát trực tuyến liên tục tám hoặc mười sáu kênh ở tốc độ mẫu cao sẽ tiêu hao pin nhanh chóng, do đó, các nút được thiết kế tốt sẽ đệm cục bộ và tải lên theo từng đợt hiệu quả khi thử nghiệm cho phép. Trong môi trường công nghiệp, máy móc kim loại và bê tông cốt thép phản xạ và hấp thụ năng lượng vô tuyến, do đó biên độ liên kết trong một tòa nhà thực luôn kém hơn con số trên biểu dữ liệu.

Bộ thu và phần mềm

Đây là nơi dây chuyền không dây trở thành một công cụ hoặc vẫn là một thiết bị. Bộ thu đánh dấu thời gian cho các gói, căn chỉnh đồng hồ của nó với các nút cảm biến và cung cấp luồng dữ liệu liên tục vào cùng phần mềm phân tích mà bạn sử dụng cho các kênh có dây là sự khác biệt giữa chương trình trình diễn một lần và chương trình thử nghiệm lặp lại. Nếu các kênh không dây đến một tệp khác có cơ sở thời gian khác với các kênh có dây, ai đó sẽ dành cả buổi chiều để ghép các bản ghi lại với nhau bằng bảng tính.

Cảm biến lực và đầu dò áp suất Khám phá các tùy chọn cảm biến lực và bộ chuyển đổi áp suất với hướng dẫn cấu hình bao gồm công suất, độ chính xác, tích hợp và khả năng chấp nhận định mức cho các dự án đo lường. Xem sản phẩm →

Có dây hay không dây? So sánh cạnh nhau

Không có lựa chọn nào tốt hơn về mặt phổ biến. Quyết định thường phụ thuộc vào hình thức kiểm tra, số lượng kênh và lượng thời gian bạn có trên trang web. Bảng dưới đây đưa ra các yếu tố thường giải quyết tranh chấp nhất.

Một mẫu thực tế tiếp tục xuất hiện: nhóm thiết bị không dây, sau đó xác minh bằng phép đo tham chiếu có dây ngắn trên cùng một cấu trúc. Nếu cả hai đều đồng ý, bản ghi không dây sẽ dễ dàng được bảo vệ sau này.

Nơi mà phép đo lực không cần cáp phát huy tác dụng

Kiểm tra động lực phương thức và cấu trúc

Thử nghiệm phương thức là một hoạt động kinh doanh đo lường lưu động. Bạn kích thích một cấu trúc tại một điểm và di chuyển gia tốc kế qua hàng chục vị trí phản hồi hoặc bạn di chuyển một chiếc búa được trang bị dụng cụ từ điểm này sang điểm khác trong khi các cảm biến cố định quan sát. Cáp chống lại cả hai quy trình công việc. Các kênh không dây cho phép các cảm biến giữ nguyên vị trí trong khi thiết bị kích thích di chuyển và chúng loại bỏ nguy cơ vấp ngã khi ba mươi dây cáp đi qua sàn thử nghiệm.

Cầu, sàn và thử tải dân dụng

Kiểm tra tải trọng của một cây cầu hoặc tấm sàn thường yêu cầu các cảm biến tải trọng đặt dưới các kích cách nhau hàng chục mét, đọc đồng thời trong khi kết cấu được tải dần dần. Cài đặt có dây có nghĩa là cáp dài chạy qua cơ sở hạ tầng công cộng và trong một số trường hợp, điều đó đơn giản là không được phép trong khoảng thời gian có sẵn. Các nút không dây phân tán giải quyết được vấn đề hậu cần, miễn là sự đồng bộ hóa giữa các nút đủ chắc chắn để so sánh các chỉ số tĩnh một cách có ý nghĩa.

Máy quay và máy công cụ

Bất kỳ phép đo nào trên trục quay cuối cùng đều dẫn đến câu hỏi về vòng trượt. Lực cắt trên giá đỡ dụng cụ, mô-men xoắn trên trục truyền động và lực trên lưỡi dao quay đều là những trường hợp trong đó cáp không thể theo chuyển động và khi một nút chạy bằng pin nhỏ gọn trên khung quay là câu trả lời thực tế duy nhất. Đổi lại là bây giờ bạn quản lý được sự cân bằng khối lượng cũng như chất lượng dữ liệu, vì một nút nặng sẽ thay đổi động lực mà bạn đang cố gắng đo.

Đo lường y sinh và quy mô con người

Các tấm chịu lực, đo tải trọng của bộ phận giả và phân tích dáng đi đều có chung một hạn chế: dây cáp không được ảnh hưởng đến đối tượng. Cảm biến lực và gia tốc không cần cáp sẽ loại bỏ hiện tượng đó đồng thời loại bỏ mối nguy hiểm thực sự về an toàn. Các yêu cầu về độ chính xác ở đây thường khiêm tốn về mặt tuyệt đối nhưng lại đòi hỏi độ lặp lại, điều này nhấn mạnh vào điểm 0 và độ lệch hơn là băng thông.

Giám sát dài hạn và tính toán biên

Ứng dụng cuối cùng là ứng dụng yên tĩnh nhất và phát triển nhanh nhất. Một nút chạy bằng pin được bắt vít vào máy, vỏ ổ trục hoặc bộ phận kết cấu có thể ghi lại lực và độ rung theo lịch trình, tính toán các chỉ số cơ bản cục bộ và chỉ truyền các bản tóm tắt hoặc cảnh báo. Băng thông không còn là nút thắt cổ chai vì dữ liệu thô không bao giờ rời khỏi nút. Đây là nơi các nhà thu thập điện toán biên đã thay thế phần lớn ý tưởng truyền mọi thứ vào giá trung tâm.

Đánh giá sự phù hợp về mặt định tính dựa trên thực tiễn hiện trường điển hình, không dựa trên dữ liệu so sánh đo được.

Bộ thu thập điện toán biên để kiểm tra độ rung và tiếng ồn Xem lại bộ thu thập điện toán biên để thu thập tiếng ồn và rung động công nghiệp; các công cụ mạng Gigabit có liên quan phù hợp với các khung, cách sắp xếp ổ đĩa hoặc mức độ tự động hóa khác nhau. Xem sản phẩm →

Thông số kỹ thuật quyết định mua hàng

Bảng dữ liệu không được viết để giúp bạn so sánh. Đây là những thông số mà chúng tôi khuyên bạn nên xác định trước khi báo giá được đưa ra, theo thứ tự gần đúng mà chúng gây ra sự cố sau này.

• Băng thông và tốc độ lấy mẫu. Quyết định tần số cao nhất bạn thực sự cần, sau đó cho phép khoảng trống để lọc khử bí danh. Sự kiện va chạm 1 kHz và cầu lắc 5 Hz cần phần cứng rất khác nhau.
• Loại đầu vào cho mỗi kênh. Điện áp, IEPE hoặc sạc. Một nút bao gồm cả ba trên cùng một khung sẽ hữu ích hơn nhiều so với nút chỉ bao gồm IEPE.
• Tầng tiếng ồn và độ phân giải trong các đơn vị kỹ thuật. Yêu cầu mức tiếng ồn tính bằng milivolt hoặc theo phần của lực định mức, không chỉ độ sâu bit của bộ chuyển đổi.
• Phương pháp đồng bộ hóa. Kích hoạt phần cứng, đánh dấu thời gian bằng kỷ luật đồng hồ hoặc cả hai. Hỏi xem sự liên kết mẫu được đảm bảo giữa các nút là gì.
• Số kênh trên mỗi nút và trên mỗi hệ thống. Ít nút hơn có nghĩa là đồng bộ hóa đơn giản hơn và ít pin hơn, điều này thường có nghĩa là kiểm tra tốt hơn.
• Tuổi thọ pin ở chu kỳ làm việc của bạn. Phát trực tuyến liên tục và ghi âm do sự kiện kích hoạt là các sản phẩm khác nhau. Lấy hình cho phương thức hoạt động của bạn.
• Bộ đệm và truyền lại trên tàu. Việc rớt đài là chuyện bình thường. Liệu nút có lấp đầy khoảng trống hay không.
• Đánh giá môi trường và an toàn. Bảo vệ chống xâm nhập, phạm vi nhiệt độ và chứng nhận an toàn nội tại nếu phép đo nằm trong khu vực nguy hiểm.
• Đường dẫn hiệu chuẩn. Cách hiệu chỉnh cảm biến, cách ghi lại khả năng truy xuất nguồn gốc và liệu bạn có thể xác minh dây chuyền tại chỗ bằng máy hiệu chuẩn di động hay không.

Đồng bộ hóa: Thử thách thầm lặng

Hai nút không dây sẽ không bao giờ chia sẻ một đồng hồ hoàn hảo. Mỗi loại chạy trên bộ dao động riêng của nó và thậm chí một tinh thể hoạt động tốt cũng bị trôi đi vài phần triệu. Hơn một kỷ lục mười giây đó là vô hình. Sau quá trình kiểm tra tải tĩnh kéo dài hai giờ hoặc phiên giám sát hoạt động kéo dài, nó sẽ trở thành lỗi thời gian hệ thống giữa các kênh mà không quá trình xử lý hậu kỳ nào có thể đoán được.

Có ba câu trả lời khả thi. Đầu tiên là trình kích hoạt phần cứng được chia sẻ, chỉ căn chỉnh thời điểm bắt đầu và không sửa lỗi trôi dạt. Thứ hai là đồng bộ hóa thời gian định kỳ qua liên kết vô tuyến, giúp giữ các nút đủ gần để phân tích động điển hình. Thứ ba là giao thức phân phối thời gian thích hợp với các gói được đánh dấu thời gian tại máy thu, cho phép đo và sửa lỗi trôi dạt trong phần mềm. Hệ thống thực hiện đúng điều thứ ba là hệ thống cho phép bạn so sánh kênh lực trên nút A với kênh gia tốc trên nút G mà không cần tranh cãi về pha.

Hai chi tiết liên quan đáng được quan tâm như nhau. Hành vi bù đắp và trôi dạt xác định liệu việc đọc lực tĩnh có ý nghĩa gì hay không, đó là lý do tại sao các quy trình về 0 cũng quan trọng như độ phân giải. Và việc lưu vào bộ đệm gói sẽ xác định liệu việc mất sóng vô tuyến trong thời gian ngắn có tạo ra khoảng trống hay bản ghi đã được sửa chữa hay không. Một chuỗi xử lý cả hai một cách khéo léo sẽ có giá trị hơn một chuỗi có tỷ lệ mẫu tiêu đề cao hơn một chút.

Cách chúng tôi tiếp cận việc kiểm tra độ rung và lực không cần cáp

Công việc của chúng tôi tại Công ty Công nghệ Thử nghiệm Yangzhou Zhenzhong nằm ở ngã ba, nơi những câu hỏi này thực sự được giải đáp. Chúng tôi chế tạo các cảm biến lực và rung dòng ZT, máy phân tích tín hiệu động, thiết bị kích thích và dụng cụ hiệu chuẩn, đồng thời chúng tôi tích hợp chúng vào các hệ thống thử nghiệm hoàn chỉnh cho kỹ thuật dân dụng, hàng không vũ trụ, năng lượng, vận tải đường sắt và đường bộ, hàng hải, máy công cụ và các ứng dụng nghiên cứu.

Ưu điểm thực tế của vị trí đó là câu hỏi không dây không còn là câu hỏi về phần cứng nữa mà trở thành câu hỏi dây chuyền. Cảm biến lực, điều hòa của nó, nút số hóa nó, mạng mang nó và phần mềm phân tích nó đều là một phần của một đường đo và lượng lỗi phải được quản lý trên toàn bộ đường dẫn thay vì tại bất kỳ điểm nào. Đó là lý do tại sao chúng tôi kết hợp chặt chẽ giữa khía cạnh cảm biến, thu thập và phân tích của danh mục đầu tư thay vì coi chúng là các mục danh mục không liên quan.

Đối với các nhóm xây dựng phép đo phân tán, điểm bắt đầu thông thường là bộ chuyển đổi lực cộng với nút thu nhận đa kênh hoặc bộ phân tích tín hiệu động di động cho các chiến dịch nhỏ hơn. Khi thử nghiệm liên quan đến kích thích kết cấu, một búa lực phương thức được trang bị dụng cụ có độ nhạy đã biết sẽ cung cấp lực tham chiếu và bản ghi tương tự sẽ được sử dụng cho phần mềm phân tích phương thức. Khi phép đo dự kiến ​​sẽ chạy trong nhiều tháng thay vì hàng giờ, kiến ​​trúc sẽ chuyển sang xử lý biên để chỉ những dữ liệu có ý nghĩa mới được truyền đi.

Nếu bạn muốn xem những phần này được kết hợp như thế nào trong thực tế, hệ thống kiểm tra độ rung và động tổng quan sẽ xem qua chế độ xem cấp hệ thống và điều này so sánh máy phân tích tín hiệu động giải thích tại sao giao diện người dùng thu nhận lại quan trọng như chính cảm biến.

Búa lực phương thức dòng FH Xem lại búa chịu lực dòng FH với các đầu đệm và đối trọng có thể hoán đổi cho nhau để kiểm tra va đập, kiểm tra cộng hưởng và phân tích phương thức của các kết cấu giảm chấn. Xem sản phẩm →

Danh sách kiểm tra hiện trường cho các số đáng tin cậy

Hầu hết các phép đo không dây đáng thất vọng đều quay lại quy trình thay vì phần cứng. Trình tự này nắm bắt được phần lớn trong số họ.

1. Xác định dải tần quan tâm trước bất kỳ điều gì khác và xác nhận rằng tốc độ mẫu và cài đặt bộ lọc hỗ trợ dải tần đó.
2. Kiểm tra và lắp cảm biến đúng cách. Cảm biến lực không được đặt thẳng trên bề mặt lắp của nó sẽ đo cách lắp chứ không phải kết cấu.
3. Đặt 0 hoặc loại bỏ kênh trong cấu hình thử nghiệm thực tế, với thiết bị cố định được đặt đúng vị trí và cấu trúc ở trạng thái bình thường.
4. Kiểm tra phần bù một giờ sau đó. Nếu nó đã di chuyển đáng kể, nhiệt độ và độ trôi là một phần trong phép đo của bạn dù bạn có muốn hay không.
5. Xác minh đồng bộ hóa bằng một lần nhấn có chủ ý vào cấu trúc mà tất cả các kênh sẽ nhìn thấy, sau đó kiểm tra thời gian đến.
6. Chạy một kênh tham chiếu có dây ngắn nếu có. Thỏa thuận là niềm tin rẻ nhất mà bạn có thể mua được.
7. Ghi lại siêu dữ liệu: số sê-ri cảm biến, độ nhạy, nhận dạng nút, tốc độ lấy mẫu, cài đặt bộ lọc và điều kiện môi trường.
8. Lưu bản ghi cơ sở của cấu trúc ở trạng thái bình thường để phép đo trong tương lai có thứ gì đó để so sánh.

Câu hỏi chúng tôi nghe nhiều nhất

Làm cách nào để xóa cảm biến lực không dây?

Việc đưa về 0 sẽ loại bỏ độ lệch tĩnh mà đầu dò và thiết bị điện tử của nó xuất hiện khi bắt đầu thử nghiệm. Thực hiện việc này với cảm biến được lắp đặt và tải chính xác như trong quá trình đo, trước tiên hãy để các thiết bị điện tử đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt và ghi lại giá trị bù để bạn có thể chứng minh sau này những gì đã bị trừ. Sau đó xác minh sau một thời gian chạy rằng số 0 không bị lệch. Trong một phép đo thực sự năng động, số 0 không quan trọng lắm; trên chế độ tĩnh hoặc bán tĩnh, nó quan trọng hơn hầu hết mọi cài đặt khác.

Chuỗi không dây có thể thực sự thay thế chuỗi có dây để thử nghiệm phương thức không?

Đối với kích thích bằng búa và số lượng kênh vừa phải, có, miễn là căn chỉnh mẫu giữa các nút được ghi lại và phần mềm xử lý các kênh không dây như các kênh hạng nhất. Đối với số lượng kênh cao trong phòng thí nghiệm được kiểm soát, giá đỡ có dây thường vẫn đơn giản hơn, cấu hình nhanh hơn và dễ bảo vệ hơn trong báo cáo.

Tôi nên mong đợi thời lượng pin như thế nào?

Không có câu trả lời chung vì con số phụ thuộc gần như hoàn toàn vào chu kỳ làm việc và tốc độ lấy mẫu. Một nút thức dậy trong 10 giây mỗi giờ có thể chạy trong nhiều tháng, trong khi cùng một nút phát trực tuyến liên tục ở tốc độ mẫu cao có thể kéo dài một ngày làm việc. Luôn yêu cầu số liệu ở chế độ vận hành của bạn, không phải trường hợp tốt nhất trong biểu dữ liệu.

Phép đo lực không dây đã phát triển đến mức kỹ thuật thú vị đã rời xa sóng vô tuyến và quay trở lại với phép đo. Bộ chuyển đổi vẫn phải được chọn cho phạm vi lực và động lực phù hợp, mặt trước vẫn phải im lặng, đồng hồ vẫn phải đồng ý và việc hiệu chuẩn vẫn phải theo dõi được. Khi những nguyên tắc cơ bản đó được xử lý đúng cách, việc cắt cáp sẽ thay đổi tốc độ bạn có thể điều chỉnh cấu trúc và vị trí bạn có thể đo mà không thay đổi ý nghĩa của dữ liệu.

Nếu bạn đang lập kế hoạch đo lực phân bố hoặc độ rung và muốn có ý kiến ​​thứ hai về kiến ​​trúc trước khi đặt hàng phần cứng, nhóm của chúng tôi rất sẵn lòng trao đổi về vấn đề đó. Bạn có thể liên hệ với chúng tôi theo địa chỉ sales@china-zztest.com hoặc theo số 86-0514-85764839 và chúng tôi sẽ cho bạn biết một cách trung thực khi nào cáp vẫn là câu trả lời tốt hơn.