eng
Выпуск #6/2005
А.Мирсков, С.Шиляев.
Аппаратура для анализа вибрационного и акустического диапазона
Аппаратура для анализа вибрационного и акустического диапазона
Просмотры: 2459
Интерес к аппаратуре для анализа сигналов вибрационного и акустического диапазонов частот остается неизменно высоким, что способствует появлению на рынке измерительной техники уникальной аппаратуры, построенной с использованием новейших технологий. Особого внимания заслуживают измерительные системы ЗАО "Руднев-Шиляев", построенные на базе персонального компьютера (ПК) и связанных с ним высокоточных АЦП и ЦАП. Такие измерительные системы отличаются мобильностью, высокой надежностью и весьма небольшой ценой.
Аппаратура и измерительные системы на базе ПК, предлагаемые ЗАО "Руднев-Шиляев", могут быть полезны при решении широкого круга задач виброакустики:
· мониторинг вибрационного и акустического нагружения объектов;
· исследования частотных характеристик электромеханических, электрических и электронных преобразователей;
· локализация источников шума и идентификация путей распространения акустической энергии;
· бесконтактные (акустические) методы диагностики технического состояния электромеханических преобразователей;
· диагностика роторных машин и оборудования на стационарных и переходных режимах работы;
· измерение акустической мощности излучения изделия в условиях его эксплуатации на основе интенсиметрических методов и метода направленного приема сигналов;
· оснащение специализированных звукомерных камер измерительными и задающими системами для оценки звукопоглощающих и звукоизолирующих свойств конструкций.
Данные направления исследований инструментально поддержаны приборами, разработанными и изготовленными фирмой ЗАО "Руднев-Шиляев". Это - многофункциональные анализаторы сигналов реального времени серии СА (СА-02м; СА-02USB; СА-02Л) и многоканальные измерительные регистраторы сигналов серии МА (МА-08; МА-16; МА-16USB). Основу для создания анализаторов серии СА и МА составляют АЦП и ЦАП, снабженные PCI или USB интерфейсами для связи их с ПК. Программная оболочка, разрабатываемая под конкретную задачу заказчика, обеспечивает управление сбором и обработкой данных, формирует режимы проведения измерений.
Двухканальные анализаторы сигналов серии СА
Это многофункциональные приборы, ориентированные на решение измерительных задач акустического и вибрационного диапазонов частот (рис.1).
Конструктивно основу анализаторов серии СА составляют АЦП фирмы ЗАО "Руднев-Шиляев" - платы АЦП ЛА-1.5PCI (СА-02м), ЛА-2USB (СА-02USB), Леонардо II (СА-02Л). Эти платы различаются количеством каналов и разрядов, частотой дискретизации, наличием или отсутствием мультиплексора и программно управляемого источника ICP-питания для первичных преобразователей. В качестве ПК могут применяться офисные и промышленные компьютеры, а также ноутбуки. Программная оболочка обеспечивает управление сбором и обработкой данных, формирует режимы проведения измерений и обмен данными с другими приложениями.
Анализатор серии СА проводит измерение и цифровую обработку сигналов одновременно по двум каналам в соответствии с выбранным методом анализа: "Спектральное накопление", "Синхронное накопление", "Распределения", "Октавный и треть октавный анализ". Каждому методу анализа соответствует свой набор измеряемых функций.
Метод "Спектральное накопление" обеспечивает измерение авто- и взаимных корреляционных функций и спектров, функции частотной когерентности, когерентной и некогерентной мощности, комплексных передаточных функций, отношения сигнал/шум, временного развития сигнала и отношения сигналов двух измерительных каналов, а также проведение кепстрального анализа сигналов.
Метод "Синхронное накопление" позволяет определять для исследуемых сигналов, сглаженных во временной области, авто- и взаимные корреляционные функции, автоспектры, когерентную и некогерентную мощность, отношение сигнал/шум, временное развитие сигнала и отношение сигналов двух измерительных каналов и проводить кепстральный анализ.
Метод "Распределения" предполагает построение функции плотности распределения и функции распределения вероятностей измеряемых сигналов.
Анализатор снабжен многофункциональным стартовым модулем, обеспечивающим различные режимы запуска измерений. Так, возможен свободный запуск; запуск по внешнему ТТЛ-уровню; запуски по условиям: по уровню сигнала одного из каналов, при превышении заданного уровня сигнала, если сигнал ниже заданного уровня, если сигнал находится внутри заданного интервала, отрабатываются верхний и нижний гистерезисы.
Предусмотрена возможность интегрирования и дифференцирования измеряемых сигналов во временной области, а также интегрирования в частотной области, что обеспечивает измерение интегральных и дифференциальных характеристик сигнала без смены первичного преобразователя. Это относится, например, к характеристикам скорости и перемещения заданной точки колебаний объекта при использовании в качестве первичного приемника акселерометра.
Наличие межканального временного смещения позволяет исключить запаздывание между каналами. В результате обеспечивается корректное измерение передаточных и взаимных корреляционных функций для исследуемых объектов, имеющих значительные задержки преобразования сигналов, которые превышают время корреляции сигналов между входом и выходом исследуемого устройства.
Для изображения измеренных характеристик сигналов можно воспользоваться одним или одновременно двумя экранами. Масштабы по осям абсцисс выбираются в зависимости от изображаемой функции и могут быть линейными в частотной и временной областях, а также октавными и треть-октавными - в частотной. Масштаб по оси ординат также выбирается в зависимости от изображаемой функции. Выбор масштабов по осям и экранам независимый. Каждый экран анализатора снабжен курсорами для поиска и слежения за изображаемой информацией, указателем гармоник. Возможно синхронное перемещение курсоров, а также многократное увеличение изображенных функций.
При выходе из программы происходит автоматическое сохранение последних установок на режимы обработки и изображения. Эти режимы будут восстановлены при следующем включении виртуального прибора.
Результаты измерений могут быть записаны на жесткий диск для хранения и вторичной обработки средствами приложений Windows, например Microsoft Excel, или переданы через стандартный буфер обмена другим приложениям.
Для соединения с первичными приемниками вибрационных и акустических сигналов анализаторы серии СА снабжены специальной коммутационной коробкой с расположенными на ней разъемами СР-50 и разъемом для запуска измерений по внешнему ТТЛ-уровню.
Цифровые регистраторы сигналов серии МА
Эти приборы построены на тех же АЦП, что и анализаторы сигналов серии СА. Они предназначены для измерения и цифровой записи непрерывных и кратковременных сигналов произвольной формы в виде файлов на жесткий диск ПК (рис.2).
Режим калибровки обеспечивает сквозную калибровку каждого измерительного тракта и одновременно калибровку соответствующего первичного приемника от внешнего калиброванного источника.
Режим записи исследуемых сигналов может формироваться пользователем в зависимости от решаемой измерительной задачи. Для этого регистратор снабжен многофункциональным стартовым модулем, обеспечивающим различные режимы запуска процесса измерений. Это свободный - программный запуск, запуск по внешнему ТТЛ-уровню, триггерный запуск по одному из восьми измерительных каналов с предысторией и возможностью выбора возрастающего или спадающего фронта сигнала и его уровня, а также запуск по условию: по уровню, выше уровня, ниже уровня, внутри диапазона уровней, верхний и нижний гистерезисы. Наличие многофункционального стартового модуля и возможность выбора частоты квантования в широких пределах (128-102400 Гц) обеспечивают решение широкого круга измерительных задач.
Режим просмотра позволяет провести визуальный анализ информации, сохраненной в файлах, быстро найти интересующие участки записи, количественно оценить пределы изменения реальных физических величин, сравнить эти величины для разных каналов. В этом режиме предусмотрена возможность записи фрагмента файла на диск в текстовом формате, обеспечивающем его вторичную обработку, например с помощью Microsoft Excel, и передача графического изображения фрагмента через буфер обмена другим приложениям. Дополнительные возможности регистратора обеспечивают учет коэффициентов усиления внешней аппаратуры в составе измерительных каналов, что важно при измерении сквозной чувствительности трактов и корректного измерения действительных значений физических величин.
В цифровых регистраторах серии МА возможно применение первичных приемников вибрационных и акустических сигналов различного исполнения. Так, в составе измерительного комплекса могут быть использованы как первичные приемники с внешними усилителями, так и приемники, имеющие встроенные усилители с источником ICP-питания. Переключение типа первичного приемника сигналов производится программно. Кроме того, файлы данных, записанные регистраторами, могут быть обработаны анализаторами серии СА в режиме "Файл-источник", что существенно расширяет возможности пользователя.
В качестве примера рассмотрим конкретное применение рассмотренных здесь приборов для создания измерительного комплекса, предназначенного для поверки виброметров с пьзоэлектрическими и индуктивными вибропреобразователями (рис.3), а также пьезоэлектрических и индуктивных виброизмерительных преобразователей (ВИП) согласно методическим указаниям МИ 1873-88.
Поверяемые параметры:
· основная погрешность виброметра (раздел 4.5.1. МИ 1873-88) в рабочем диапазоне амплитуд (4.5.1.1.); в рабочем диапазоне частот при непрерывном спектре частот (4.5.1.2.);
· поверка встроенных фильтров в непрерывном спектре частот (4.5.2.);
· неравномерность АЧХ виброметра при непрерывном спектре частот (4.5.3.);
· действительное значение преобразования ВИП (4.5.6.);
· относительный коэффициент поперечного преобразования ВИП (4.5.7.);
· неравномерность АЧХ ВИП в непрерывном спектре частот (4.5.8.);
· нелинейность амплитудной характеристики ВИП (4.5.9.);
· частота установочного резонанса ВИП (4.5.10.);
· частота поперечного резонанса ВИП (4.5.11.).
Состав измерительного комплекса приведен в таблице.
Технические характеристики анализатора сигналов СА
Число измерительных каналов 2 из 8 синхронных
Тип АЦП Delta-Sigma
Разрешение АЦП 24 бит
Входное сопротивление не менее 1 МОм/60пФ
Макс. амплитуда входного сигнала 10 В
Вход (программное переключение) AC/DC, AC - на уровне 3 дБ при частоте среза 3,4 Гц
Полосы пропускания 40000, 25600, 20000, 12800, 10000, 6400, 5000, 50 Гц
Динамический диапазон >110 дБ
Пульсация в полосе пропускания -0,5 дБ
Нелинейность фазовой характеристики -0,5°
Перекрестный шум < -100 дБ
Межканальные искажения:
модуль 0,1 дБ
фаза 0,5°
Аналоговый триггер:
источник каналы 0-7
уровень программируемый +10, -10 В
спад положительный, отрицательный
Цифровой триггер:::.. ТТЛ-совместимый
Источник ICP-питания на каждый канал -24 В, 4 мА,
программное управление включением/отключением питания
Характеристики встроенного генератора-формирователя сигналов
Число каналов 1
Диапазон выходного напряжения
(на сопротивлении нагрузки 5 Ом) +5 В
Частотный диапазон 0,5-40000 Гц
Коэффициент гармоник (на частоте гармонического сигнала 1 кГц) -70 дБ
Форма сигнала синусоидальная, синусоидальная качающейся частоты в полосе 0,5-5000 Гц, шум в ограниченной полосе, импульсный сигнал с регулируемыми заполнением, скважностью
Такой генератор выпускается серийно ЗАО "Руднев-Шиляев" под наименованием ГСПФ-052 (на шину PCI) и ГСПФ-053 (на шину USB). Входящее в состав анализатора сигналов ПО позволяет управлять режимами работы генератора. Использование генераторов с тем или иным интерфейсом определяется потребностью задачи и удобством пользователя.
Фирма производит и предлагает к применению одноканальные РШ2731Э, четырехканальные РШ2734Э и восьмиканальные РШ2738Э усилители заряда для акселерометров отечественного и зарубежного производства. Разработаны многоканальные источники питания для акселерометров и измерительных микрофонов с ICP-питанием.
· мониторинг вибрационного и акустического нагружения объектов;
· исследования частотных характеристик электромеханических, электрических и электронных преобразователей;
· локализация источников шума и идентификация путей распространения акустической энергии;
· бесконтактные (акустические) методы диагностики технического состояния электромеханических преобразователей;
· диагностика роторных машин и оборудования на стационарных и переходных режимах работы;
· измерение акустической мощности излучения изделия в условиях его эксплуатации на основе интенсиметрических методов и метода направленного приема сигналов;
· оснащение специализированных звукомерных камер измерительными и задающими системами для оценки звукопоглощающих и звукоизолирующих свойств конструкций.
Данные направления исследований инструментально поддержаны приборами, разработанными и изготовленными фирмой ЗАО "Руднев-Шиляев". Это - многофункциональные анализаторы сигналов реального времени серии СА (СА-02м; СА-02USB; СА-02Л) и многоканальные измерительные регистраторы сигналов серии МА (МА-08; МА-16; МА-16USB). Основу для создания анализаторов серии СА и МА составляют АЦП и ЦАП, снабженные PCI или USB интерфейсами для связи их с ПК. Программная оболочка, разрабатываемая под конкретную задачу заказчика, обеспечивает управление сбором и обработкой данных, формирует режимы проведения измерений.
Двухканальные анализаторы сигналов серии СА
Это многофункциональные приборы, ориентированные на решение измерительных задач акустического и вибрационного диапазонов частот (рис.1).
Конструктивно основу анализаторов серии СА составляют АЦП фирмы ЗАО "Руднев-Шиляев" - платы АЦП ЛА-1.5PCI (СА-02м), ЛА-2USB (СА-02USB), Леонардо II (СА-02Л). Эти платы различаются количеством каналов и разрядов, частотой дискретизации, наличием или отсутствием мультиплексора и программно управляемого источника ICP-питания для первичных преобразователей. В качестве ПК могут применяться офисные и промышленные компьютеры, а также ноутбуки. Программная оболочка обеспечивает управление сбором и обработкой данных, формирует режимы проведения измерений и обмен данными с другими приложениями.
Анализатор серии СА проводит измерение и цифровую обработку сигналов одновременно по двум каналам в соответствии с выбранным методом анализа: "Спектральное накопление", "Синхронное накопление", "Распределения", "Октавный и треть октавный анализ". Каждому методу анализа соответствует свой набор измеряемых функций.
Метод "Спектральное накопление" обеспечивает измерение авто- и взаимных корреляционных функций и спектров, функции частотной когерентности, когерентной и некогерентной мощности, комплексных передаточных функций, отношения сигнал/шум, временного развития сигнала и отношения сигналов двух измерительных каналов, а также проведение кепстрального анализа сигналов.
Метод "Синхронное накопление" позволяет определять для исследуемых сигналов, сглаженных во временной области, авто- и взаимные корреляционные функции, автоспектры, когерентную и некогерентную мощность, отношение сигнал/шум, временное развитие сигнала и отношение сигналов двух измерительных каналов и проводить кепстральный анализ.
Метод "Распределения" предполагает построение функции плотности распределения и функции распределения вероятностей измеряемых сигналов.
Анализатор снабжен многофункциональным стартовым модулем, обеспечивающим различные режимы запуска измерений. Так, возможен свободный запуск; запуск по внешнему ТТЛ-уровню; запуски по условиям: по уровню сигнала одного из каналов, при превышении заданного уровня сигнала, если сигнал ниже заданного уровня, если сигнал находится внутри заданного интервала, отрабатываются верхний и нижний гистерезисы.
Предусмотрена возможность интегрирования и дифференцирования измеряемых сигналов во временной области, а также интегрирования в частотной области, что обеспечивает измерение интегральных и дифференциальных характеристик сигнала без смены первичного преобразователя. Это относится, например, к характеристикам скорости и перемещения заданной точки колебаний объекта при использовании в качестве первичного приемника акселерометра.
Наличие межканального временного смещения позволяет исключить запаздывание между каналами. В результате обеспечивается корректное измерение передаточных и взаимных корреляционных функций для исследуемых объектов, имеющих значительные задержки преобразования сигналов, которые превышают время корреляции сигналов между входом и выходом исследуемого устройства.
Для изображения измеренных характеристик сигналов можно воспользоваться одним или одновременно двумя экранами. Масштабы по осям абсцисс выбираются в зависимости от изображаемой функции и могут быть линейными в частотной и временной областях, а также октавными и треть-октавными - в частотной. Масштаб по оси ординат также выбирается в зависимости от изображаемой функции. Выбор масштабов по осям и экранам независимый. Каждый экран анализатора снабжен курсорами для поиска и слежения за изображаемой информацией, указателем гармоник. Возможно синхронное перемещение курсоров, а также многократное увеличение изображенных функций.
При выходе из программы происходит автоматическое сохранение последних установок на режимы обработки и изображения. Эти режимы будут восстановлены при следующем включении виртуального прибора.
Результаты измерений могут быть записаны на жесткий диск для хранения и вторичной обработки средствами приложений Windows, например Microsoft Excel, или переданы через стандартный буфер обмена другим приложениям.
Для соединения с первичными приемниками вибрационных и акустических сигналов анализаторы серии СА снабжены специальной коммутационной коробкой с расположенными на ней разъемами СР-50 и разъемом для запуска измерений по внешнему ТТЛ-уровню.
Цифровые регистраторы сигналов серии МА
Эти приборы построены на тех же АЦП, что и анализаторы сигналов серии СА. Они предназначены для измерения и цифровой записи непрерывных и кратковременных сигналов произвольной формы в виде файлов на жесткий диск ПК (рис.2).
Режим калибровки обеспечивает сквозную калибровку каждого измерительного тракта и одновременно калибровку соответствующего первичного приемника от внешнего калиброванного источника.
Режим записи исследуемых сигналов может формироваться пользователем в зависимости от решаемой измерительной задачи. Для этого регистратор снабжен многофункциональным стартовым модулем, обеспечивающим различные режимы запуска процесса измерений. Это свободный - программный запуск, запуск по внешнему ТТЛ-уровню, триггерный запуск по одному из восьми измерительных каналов с предысторией и возможностью выбора возрастающего или спадающего фронта сигнала и его уровня, а также запуск по условию: по уровню, выше уровня, ниже уровня, внутри диапазона уровней, верхний и нижний гистерезисы. Наличие многофункционального стартового модуля и возможность выбора частоты квантования в широких пределах (128-102400 Гц) обеспечивают решение широкого круга измерительных задач.
Режим просмотра позволяет провести визуальный анализ информации, сохраненной в файлах, быстро найти интересующие участки записи, количественно оценить пределы изменения реальных физических величин, сравнить эти величины для разных каналов. В этом режиме предусмотрена возможность записи фрагмента файла на диск в текстовом формате, обеспечивающем его вторичную обработку, например с помощью Microsoft Excel, и передача графического изображения фрагмента через буфер обмена другим приложениям. Дополнительные возможности регистратора обеспечивают учет коэффициентов усиления внешней аппаратуры в составе измерительных каналов, что важно при измерении сквозной чувствительности трактов и корректного измерения действительных значений физических величин.
В цифровых регистраторах серии МА возможно применение первичных приемников вибрационных и акустических сигналов различного исполнения. Так, в составе измерительного комплекса могут быть использованы как первичные приемники с внешними усилителями, так и приемники, имеющие встроенные усилители с источником ICP-питания. Переключение типа первичного приемника сигналов производится программно. Кроме того, файлы данных, записанные регистраторами, могут быть обработаны анализаторами серии СА в режиме "Файл-источник", что существенно расширяет возможности пользователя.
В качестве примера рассмотрим конкретное применение рассмотренных здесь приборов для создания измерительного комплекса, предназначенного для поверки виброметров с пьзоэлектрическими и индуктивными вибропреобразователями (рис.3), а также пьезоэлектрических и индуктивных виброизмерительных преобразователей (ВИП) согласно методическим указаниям МИ 1873-88.
Поверяемые параметры:
· основная погрешность виброметра (раздел 4.5.1. МИ 1873-88) в рабочем диапазоне амплитуд (4.5.1.1.); в рабочем диапазоне частот при непрерывном спектре частот (4.5.1.2.);
· поверка встроенных фильтров в непрерывном спектре частот (4.5.2.);
· неравномерность АЧХ виброметра при непрерывном спектре частот (4.5.3.);
· действительное значение преобразования ВИП (4.5.6.);
· относительный коэффициент поперечного преобразования ВИП (4.5.7.);
· неравномерность АЧХ ВИП в непрерывном спектре частот (4.5.8.);
· нелинейность амплитудной характеристики ВИП (4.5.9.);
· частота установочного резонанса ВИП (4.5.10.);
· частота поперечного резонанса ВИП (4.5.11.).
Состав измерительного комплекса приведен в таблице.
Технические характеристики анализатора сигналов СА
Число измерительных каналов 2 из 8 синхронных
Тип АЦП Delta-Sigma
Разрешение АЦП 24 бит
Входное сопротивление не менее 1 МОм/60пФ
Макс. амплитуда входного сигнала 10 В
Вход (программное переключение) AC/DC, AC - на уровне 3 дБ при частоте среза 3,4 Гц
Полосы пропускания 40000, 25600, 20000, 12800, 10000, 6400, 5000, 50 Гц
Динамический диапазон >110 дБ
Пульсация в полосе пропускания -0,5 дБ
Нелинейность фазовой характеристики -0,5°
Перекрестный шум < -100 дБ
Межканальные искажения:
модуль 0,1 дБ
фаза 0,5°
Аналоговый триггер:
источник каналы 0-7
уровень программируемый +10, -10 В
спад положительный, отрицательный
Цифровой триггер:::.. ТТЛ-совместимый
Источник ICP-питания на каждый канал -24 В, 4 мА,
программное управление включением/отключением питания
Характеристики встроенного генератора-формирователя сигналов
Число каналов 1
Диапазон выходного напряжения
(на сопротивлении нагрузки 5 Ом) +5 В
Частотный диапазон 0,5-40000 Гц
Коэффициент гармоник (на частоте гармонического сигнала 1 кГц) -70 дБ
Форма сигнала синусоидальная, синусоидальная качающейся частоты в полосе 0,5-5000 Гц, шум в ограниченной полосе, импульсный сигнал с регулируемыми заполнением, скважностью
Такой генератор выпускается серийно ЗАО "Руднев-Шиляев" под наименованием ГСПФ-052 (на шину PCI) и ГСПФ-053 (на шину USB). Входящее в состав анализатора сигналов ПО позволяет управлять режимами работы генератора. Использование генераторов с тем или иным интерфейсом определяется потребностью задачи и удобством пользователя.
Фирма производит и предлагает к применению одноканальные РШ2731Э, четырехканальные РШ2734Э и восьмиканальные РШ2738Э усилители заряда для акселерометров отечественного и зарубежного производства. Разработаны многоканальные источники питания для акселерометров и измерительных микрофонов с ICP-питанием.
Отзывы читателей
