Pomiary wibroakustyczne w zakresie najniższych częstotliwości

Wybór odpowiedniej technologii czujnika do pomiarów poniżej kilku herców sprowadza się do zrozumienia kluczowych różnic w architekturze wewnętrznej tych urządzeń. W poniższym artykule przedstawimy kluczowe różnice pomiędzy dwiema wiodącymi technologiami czujników drgań oraz przedstawimy system akwizycji umożliwiający współpracę z takimi akcelerometrami.

Niniejszy artykuł dedykowany jest inżynierom planującym wykonywać wibroakustyczne testy urządzeń, poszukującym do tego odpowiedniej aparatury pomiarowej. W sekcji sprzętowej skupiamy się na wymaganiach branży automotive, natomiast wiele z zagadnień może zostać w łatwy sposób przeniesiona na branże lotnictwa, przemysłu ciężkiego  czy obronnego.

Specyfika akcelerometrów IEPE i MEMS

Na rynku dominują obecnie dwa główne rozwiązania:

• Akcelerometry IEPE (Integrated Electronics Piezo-Electric): Wykorzystują kryształy piezoelektryczne do generowania ładunku pod wpływem wibracji, który następnie wewnątrz czujnika jest przekształcany na proporcjonalny sygnał napięciowy.
• Akcelerometry MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems): Opierają się na krzemowych mikrostrukturach pojemnościowych, w których ruch masy sejsmicznej względem nieruchomych elektrod zmienia pojemność układu proporcjonalnie do działającego przyspieszenia.

Gdy schodzimy z pomiarami w zakres najniższych częstotliwości (zbliżając się do 0 Hz), popularna technologia IEPE napotyka na dwie poważne bariery – fizyczną oraz elektroniczną.

1. Bariera fizyczna: Natura kryształu piezoelektrycznego

Specyfika kryształu piezoelektrycznego polega na tym, że generuje on ładunek elektryczny tylko w momencie zmiany naprężenia (czyli podczas dynamiki ruchu). Gdy na czujnik działa stałe przyspieszenie (np. grawitacja lub stała siła odśrodkowa), wygenerowany początkowo ładunek natychmiast zaczyna ulegać samoistnemu rozładowaniu.

Zjawisko to określa tzw. Stała Czasowa Rozładowania (DTC – Discharge Time Constant). Oznacza to, że sama fizyka kryształu i elektronika wbudowana w czujnik IEPE z definicji tworzą wewnętrzny filtr górnoprzepustowy, uniemożliwiając pomiar statycznej składowej stałej (0 Hz).

2. Bariera elektroniczna: Napięcie polaryzacji i sprzężenie AC

Drugą przeszkodą jest sposób zasilania obwodu. Ponieważ kryształ generuje znikomy ładunek, bezwzględnie wymaga on zintegrowanego w obudowie mikro-wzmacniacza. Aby go zasilić standardowym kablem pomiarowym, system akwizycji danych (DAQ) musi dostarczyć stały prąd wzbudzenia (zazwyczaj 2–4 mA). Prąd ten generuje na czujniku wysokie, stałe napięcie polaryzacji (tzw. DC bias, wynoszące najczęściej od 8 do 14 V), na które dopiero nakładany jest użyteczny, niskonapięciowy sygnał drgań.

Taka architektura wymusza na systemie DAQ zastosowanie sprzężenia zmiennoprądowego (tzw. AC coupling). W praktyce oznacza to fizyczne wpięcie kondensatora w szereg z wejściem kanału pomiarowego, aby odciąć składową stałą i chronić przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C) przed nasyceniem.

Konsekwencje dla pomiarów wibroakustycznych

Połączenie zjawiska rozładowania ładunku oraz obecności szeregowego kondensatora sprzęgającego niesie ze sobą drastyczne konsekwencje dla badań sub-hercowych:

• Tłumienie amplitudy: Kondensator wraz z rezystancją wejściową kanału tworzy sprzętowy filtr górnoprzepustowy pierwszego rzędu (układ RC), który silnie tłumi sygnały dla częstotliwości zbliżających się do częstotliwości odcięcia (zazwyczaj już poniżej 0.5 Hz).
• Przesunięcie fazowe: Jako analogowy filtr obwód ten wprowadza zjawisko przesunięcia fazowego, które dla najniższych częstotliwości rośnie asymptotycznie, zbliżając się do 90 stopni.

Dla inżyniera wykonującego testy oznacza to, że przy bardzo powolnych drganiach rejestrowany kształt fali (waveform) ulega silnemu zniekształceniu w dziedzinie czasu. Sygnał przestaje fizycznie odwzorowywać rzeczywiste wychylenie badanej struktury, całkowicie dyskwalifikując te pomiary w zakresie quasi-statycznym.

MEMS: Rozwiązanie u samych podstaw

W przeciwieństwie do czujników piezoelektrycznych, pojemnościowe sensory MEMS rozwiązują ten problem u samego źródła. Ich odmienna architektura wewnętrzna nie podlega zjawisku wycieku ładunku, a dedykowane zasilanie napięciowe nie wymusza na kanałach DAQ stosowania kondensatorów sprzęgających (pracują swobodnie w trybie DC coupling).

Dzięki temu czujniki MEMS zachowują idealnie płaską charakterystykę amplitudową oraz zerowe przesunięcie fazowe aż do 0 Hz (tzw. DC-response). Stanowi to ich kluczową przewagę technologiczną, czyniąc je jedynym słusznym wyborem przy badaniach quasi-statycznych, testach zawieszeń w branży automotive czy monitorowaniu powolnych ugięć i odkształceń konstrukcyjnych.

Rozwiązania pomiarowe w praktyce: Pojemnościowe akcelerometry MEMS od imc

W odpowiedzi na omówione wcześniej fizyczne i elektroniczne wyzwania pomiarów sub-hercowych, firma imc test & measurement opracowała szerokie portfolio akcelerometrów MEMS. Warto zwrócić tutaj uwagę na dwie serię AS oraz AC, zawierającą szereg czujników dopasowanych pod kątem badanego obiektu i procedury pomiarowej.  

Seria imc AS – Uniwersalność i stabilność termiczna 

Czujniki z serii AS charakteryzują się wysoką stabilnością parametrów metrologicznych w szerokim zakresie temperatur roboczych, od -40°C do +100°C. Są one dedykowane do standardowych pomiarów strukturalnych oraz długotrwałych testów zmęczeniowych.

W celu optymalizacji procesu przygotowania pomiarów i eliminacji błędów parametryzacji toru sygnałowego, akcelerometry te wyposażono standardowo w moduł pamięci TEDS. Pozwala to systemowi akwizycji danych (DAQ) na automatyczny odczyt właściwości kalibracyjnych czujnika i jego zautomatyzowaną konfigurację. 

Seria AS posiada czujniki jedno i trójosiowe w różnym zakresie czułości. Poszczególne modele oferują czułość od 10 mV/g do 2000 mV/g.

Karta katalogowa - Seria imc AS

Seria imc AC – Miniaturyzacja i redukcja wpływu masy dodanej

W aplikacjach pomiarowych, w których masa samego czujnika mogłaby wpłynąć na odpowiedź dynamiczną i częstotliwościową badanego obiektu (tzw. zjawisko masy dodanej), zalecane jest stosowanie zminiaturyzowanej serii AC. Przetworniki te charakteryzują się gabarytami rzędu 12 x 12 x 11 mm i masą własną wynoszącą zaledwie 3 gramy. Z uwagi na wymóg utrzymania tak kompaktowych wymiarów konstrukcyjnych, obudowy z serii AC nie posiadają mechanicznych otworów montażowych, a ich instalacja na badanym elemencie odbywa się wyłącznie metodą adhezyjną.

Co niezwykle istotne dla współczesnej branży motoryzacyjnej, seria AC jest dedykowana do pracy w środowiskach pojazdów elektrycznych (EV). Sensory te współpracują bezpośrednio z wysokonapięciowymi modułami pomiarowymi imc (np. HISO-UT-6), ułatwiając bezpieczne rozwijanie instalacji badawczych w architekturach High-Voltage.

Karta katalogowa - Seria imc AC

System akwizycji imc ARGUSfit 

System imc ARGUSfit to zaawansowany, modułowy system akwizycji danych (DAQ), zaprojektowany z myślą o maksymalnej elastyczności budowy torów pomiarowych. Jego kluczową cechą jest kompaktowa budowa, w której poszczególne moduły pomiarowe mogą być łączone w dowolnej konfiguracji, tworząc zgodnie z wymaganiami test przenośny system, lub rozbudowany kilkudziesięciu kanały system akwizycji.

Układ charakteryzuje się 24-bitową rozdzielczością przetworników analogowo-cyfrowych i wysokimi częstotliwościami próbkowania sygnałów. Istotną zaletą z punktu widzenia inżyniera testów jest możliwość pracy w trybie autonomicznym (stand-alone), w którym system rejestruje dane bezpośrednio na karcie pamięci SD, bez konieczności ciągłego podłączenia do komputera PC.

W obszarze wibroakustyki i pomiarów drgań platforma ARGUSfit oferuje precyzyjne rozwiązania dopasowane do omówionych wcześniej odmiennych architektur czujników:

• Moduł ICPU-6 dla akcelerometrów IEPE: Jest to 6-kanałowy, indywidualnie izolowany galwanicznie wzmacniacz pomiarowy stworzony specjalnie do obsługi czujników piezoelektrycznych ze zintegrowaną elektroniką. Moduł zapewnia zasilanie odpowiednie dla akcelerometrów IEPE. Układ ten został zoptymalizowany pod kątem rejestracji zjawisk szybkozmiennych, oferując próbkowanie na poziomie do 500 kS/s na kanał, co przekłada się na użyteczne pasmo analogowe wynoszące 220 kHz.

• Moduł UTI-6 dla akcelerometrów MEMS: Do rejestracji wolnych drgań i pomiarów w paśmie sub-hercowym dedykowany jest uniwersalny, 6-kanałowy wzmacniacz kondycjonujący UTI-6. Umożliwia on bezpośrednie, stabilizowane zasilanie napięciowe podłączonych czujników oraz pomiar sygnału w trybie sprzężenia stałoprądowego (DC), który – jak wyjaśniono w pierwszej części artykułu – jest absolutnie kluczowy dla poprawnej pracy pojemnościowych sensorów MEMS. Kanały tego modułu pozwalają na próbkowanie rzędu 100 kS/s i oferują pasmo do 40 kHz, z dużym zapasem gwarantując bezbłędne odwzorowanie składowej 0 Hz.

Należy jednak mocno podkreślić, że ARGUSfit nie jest systemem zarezerwowanym wyłącznie dla wibroakustyki. Stanowi on uniwersalną platformę pomiarową, którą w zależności od specyfiki i wymagań projektu badawczego można dowolnie konfigurować pod konkretny obiekt testowy. Jedna, szerokopasmowa i zsynchronizowana czasowo magistrala systemowa pozwala na jednoczesne zintegrowanie wielu różnorodnych modułów kondycjonujących.

Dzięki temu inżynierowie mogą dołączać do jednostki centralnej dedykowane karty do pomiaru temperatury (np. 10-kanałowy moduł T-10 dla termopar), moduły wejść cyfrowych i licznikowych do precyzyjnej analizy prędkości obrotowej i przemieszczeń, a także złącza komunikacyjne pozwalające na bezpośredni odczyt parametrów z cyfrowej magistrali pojazdu (np. CAN). Taka otwarta architektura ułatwia badaczom korelację szybkich sygnałów akustycznych i drganiowych z wolnozmiennym zachowaniem termicznym, mechanicznym czy sygnałami sterującymi układu w jednej, spójnej domenie czasu.