Meten met een accelerometer

Introductie

Versnellingsmetingen worden gebruikt in diverse takken van de industrie, om trillingen in mechanische systemen te meten en te voorkomen of om bewegende objecten te monitoren.

Om een versnelling te meten, zijn diverse sensoren beschikbaar, die een versnelling omzetten in een elektrisch signaal, dat met een standaard meetinstrument gemeten kan worden.

Benodigdheden

Accelerometer TP-ACC20

De TiePie engineering Accelerometer TP-ACC20 is de ideale sensor voor het meten van statische en dynamische versnellingen in twee richtingen. De Accelerometer TP-ACC20 is ontworpen om samen met de Handyscope HS3, Handyscope HS4, Handyscope HS4 DIFF, Automotive scope ATS5004D en Handyscope HS5 gebruikt te worden. Door middel van twee BNC-connectoren wordt de Accelerometer TP-ACC20 op twee ingangen van het meetinstrument aangesloten. De voeding voor de Accelerometer TP-ACC20 wordt aangesloten op de D-Sub-connector op de achterkant van het meetinstrument. De Accelerometer TP-ACC20-9 heeft een 9-polige D-Sub-connector en is geschikt voor de Handyscope HS5. De Accelerometer TP-ACC20-25 heeft een 25-polige D-Sub-connector en is geschikt voor de Handyscope HS3, Handyscope HS4, Handyscope HS4 DIFF en Automotive scope ATS5004D. Verdere kabels of voedingen zijn niet nodig.

Dit meetvoorbeeld beschrijft een versnellingsmeting met de Accelerometer TP-ACC20, aangesloten op een Handyscope HS4, met gebruik van de Multi Channel oscilloscoop-software.

Aansluiten van de hardware

Sluit eerst de D-Sub-connector van de Accelerometer TP-ACC20 aan op de extensieconnector aan de achterkant van de Handyscope HS4 aan. Deze aansluiting verzorgt de benodigde voeding van de Accelerometer TP-ACC20.

De volgende stap is het aansluiten van de signaalkabels op de ingangen van de Handyscope HS4. De twee signaalkabels zijn met kleuren gecodeerd, rood voor het versnellingssignaal in X-richting, geel voor het versnellingssignaal in Y-richting. In dit voorbeeld is het X-signaal verbonden met Ch1 en het Y-signaal met Ch2.

De Accelerometer TP-ACC20 kan versnellingen langs twee assen meten. Om de Accelerometer TP-ACC20 te ijken, moet deze zodanig geplaatst worden dat beide assen geen versnelling ondergaan, dus parallel aan het aardoppervlak. Plaats de Accelerometer TP-ACC20 daartoe op een stabiele, niet bewegende ondergrond, met het label omhoog.

Instellen van de software

Ingangsgevoeligheid

Wanneer de Accelerometer TP-ACC20 niet beweegt, hebben de uitgangen een offsetspanning van ongeveer 1.4 V. De Accelerometer TP-ACC20 heeft een uitgangsgevoeligheid van ongeveer 420 mV/g versnelling en een bereik van -2 g tot +2 g. Dit geeft een uitgangsspanning die in de buurt van 2.5 V kan komen. Om voldoende ingangsbereik te hebben, is een geschikt ingangsbereik van het meetinstrument het 4 V-bereik. Autoranging is niet handig bij het meten van versnellingen, daarom wordt autoranging uitgeschakeld, door op de groene Auto ranging button knop op de kanaaltoolbar van de gewenste kanalen te klikken.

IJken van de sensor

Wanneer de Accelerometer TP-ACC20 niet beweegt, hebben de uitgangen een offsetspanning van ongeveer 1.4 V en een uitgangsgevoeligheid van ongeveer 420 mV/g.

Om de sensor te ijken moet deze op een stabiele, niet-bewegende ondergrond geplaatst worden, met het label omhoog. Gebruik de cursors in de software om de offsetspanning te bepalen op beide kanalen.

Acceleration offset measurement

In de bovenstaande schermafdruk is de offsetwaarde van Ch1 1.4374 V en van Ch2 1.4289 V.

Om de gevoeligheid te ijken moet een bekende versnelling uitgevoerd worden en de uitgangsspanning dan gemeten worden. Omdat de Accelerometer TP-ACC20 in staat is statische versnellingen te meten, kan hiervoor de zwaartekracht van de aarde gebruikt worden. Deze is 1 g.

Plaats, om de zwaartekracht van de aarde te meten, de sensor op een stabiele, niet bewegende ondergrond, met de X-as parallel aan het aardoppervlak en de Y-as omhoog wijzend, loodrecht op het aardoppervlak. De Y-as ondergaat nu een statische versnelling van +1 g, meet de bijbehorende uitgangsspanning op Ch2.

Draai nu de sensor 180 graden rond de X-as, de Y-as wijst nu loodrecht omlaag. De sensor ondergaat nu een statische versnelling van -1 g, meet weer de bijbehorende uitgangsspanning op Ch2.

Herhaal dit met de Y-as parallel aan het aardoppervlak en de X-as omhoog en omlaag wijzend en meet de bijbehorende spanningen op Ch1.

TP-ACC20 sensor

Uiteindelijk zijn zes spanningen gemeten: +1 g, 0 g en -1 g, op beide assen:

-1 g 0 g +1 g
X-as 1.0259 V 1.4374 V 1.8448 V
Y-as 1.0382 V 1.4289 V 1.8598 V

De gevoeligheid van een as kan nu berekend worden met:

gevoeligheid = (V+1g - V-1g) / 2

Dit resulteert in de volgende gevoeligheden: X-as = 409.45 mV/g en Y-as = 410.80 mV/g

Omrekenen van de gemeten waarden

Wanneer het signaal van de Accelerometer TP-ACC20 direct weergegeven wordt, zal de oscilloscoop spanningen in Volt weergeven, geen versnellingen in g's of m/s2. Om de gemeten versnellingen in g of m/s2 weer te geven, moeten de gemeten waarden eerst omgerekend worden.

Voor het omrekenen van de gemeten waarden wordt voor ieder kanaal van de Accelerometer TP-ACC20 een Versterking/Offset-I/O gebruikt. Maak deze aan door met de rechter muisknop op I/O's in het objectscherm te klikken en Versterking/Offset te kiezen.

Omdat alle handelingen voor beide kanalen gelijk zijn, wordt in dit voorbeeld alleen het instellen van de X-as, Ch1, aangegeven.

Instellen van de versterking

Zoals eerder bepaald, heeft de sensor in ons voorbeeld een X-as-gevoeligheid van 409.45 mV/g. Om de meetwaarden rechtstreeks in g's weer te geven, moeten deze vermenigvuldigd worden met 1 / 0.1605 = 6.230. Klik met de rechter muisknop op de X-as Versterking/Offset-I/O en kies Versterking → Zelf instellen.... Het is niet nodig de gewenste waarde uit te rekenen, de Versterking/Offset-I/O kan dit zelf, dus vul eenvoudig "1 / 0.40945", "1/409.45m" of "1/409m45" in.

Enter gain

Instellen van de offset

Klik, om de offset van de Accelerometer TP-ACC20 te compenseren, met de rechter muisknop op de X-as Versterking/Offset-I/O en kies Ingangs-Offset → Zelf instellen.... Vul dan de gemeten offsetwaarde in, vermenigvuldigd met -1. In dit voorbeeld is de offset van de X-as 1.4374 V, dus moet er een waarde van "-1.4374" ingevuld worden.

Enter offset

Instellen van de meeteenheid

Omdat versnelling in g aangegeven kan worden, moet de meeteenheid ook in g ingesteld worden. Klik met de rechter muisknop op X-as Versterking/Offset-I/O en kies Stel eenheid in... en vul "g" in.

Enter unit of measure

Instellen van de naam

Om herkenning van de verschillende signalen te vereenvoudigen, is het mogelijk een eigen naam (alias) aan een I/O te geven. Klik met de rechter muisknop op X-as Versterking/Offset-I/O en kies Stel alias in... en vul "X-as" in.

Enter alias

Verbinden van de I/O

De X-as Versterking/Offset-I/O is nu klaar voor gebruik. Sleep ingang Ch1 van het instrument op de Versterking/Offset-I/O en sleep daarna de Versterking/Offset-I/O in de grafiek. De nieuwe grafiek toont de versnelling langs 1 as, direct in g. Het overeenkomstige kanaal kan nu uit de grafiek verwijderd worden. Kijk, voor meer informatie, bij "Objecten maken en onderling verbinden".

Instellen van het uitgangsbereik

Om het zichtbare bereik van de omgerekende versnellingsgegevens aan te passen moet met de rechter muisknop op Versterking/Offset-I/O geklikt worden en Stel uitgangsbereik in... gekozen worden. Stel het bereik in op bijvoorbeeld +4 tot -4.

Enter output range

Meten in m/s2

De software is nu zodanig ingesteld dat gemeten versnellingen in g weergegeven worden. Om de gemeten versnellingen in m/s2 weer te geven, moeten een paar wijzigingen in de instellingen van de Versterking/Offset-I/O gemaakt worden.

De versterking moet aangepast worden. Er vanuit gaande dat 1 g overeenkomt met 9.81 m/s², moet de versterking op "9.81 * (1 / 0.40945)" gezet worden, in het bovenstaande voorbeeld. De meeteenheid moet veranderd worden van "g" naar "m/s²" en het uitgangsbereik moet ook aangepast worden naar bijvoorbeeld +30 tot -30.

Klaar om te meten

De TiePie engineering Multi Channel oscilloscoop-software is nu klaar om zowel de hellingen als de versnellingen die de Accelerometer ondervindt te meten.

De onderstaande meting is gemaakt met een Accelerometer TP-ACC20 schuivend over een horizontaal oppervlak en dan tegen een obstakel aan botsend. De meting en de instellingen zijn opgeslagen in een Multi Channel oscilloscoop-software TPS-bestand:

Download metinginstellingen

Dit bestand kan zowel met de volledige versie als de demoversie van de Multi Channel oscilloscoop-software geopend worden.

Versnellingsmeting

Meten van snelheid

Wanneer de versnelling van een instrument en ook de beginsnelheid van een object bekend zijn, is het eenvoudig de snelheid van het object te bepalen met behulp van een versnellingsopnemer. Het enige dat gedaan moet worden is de versnelling in m/s2 te meten en dit te integreren om de snelheid in m/s te krijgen. De Multi Channel oscilloscoop-software heeft een Integratie-I/O die gebruikt kan worden voor deze taak.

Maak een Integratie-I/O door met de rechter muisknop op I/O's in het objectscherm te klikken en Integratie te selecteren. De alias van de integrator kan op bijvoorbeeld "X-snelheid" gezet worden en de eenheid op "m/s". Sleep dan de X-as Versterking/Offset-I/O op de Integratie-I/O en sleep de Integratie-I/O in de grafiek.

De grafiek geeft nu de snelheid van het object weer, in m/s.

Meten van verplaatsing

Wanneer de snelheid van een object bekend is, kan de verplaatsing van dat object eenvoudig bepaald worden door de snelheid van het object te integreren.

Maak nog een Integratie-I/O, noem hem "X-positie" en zet de eenheid op "m". Sleep de X-snelheid Integratie-I/O op de op de X-positie Integratie-I/O en sleep de X-positie-I/O in de grafiek.

De grafiek toont nu de relatieve positie, of verplaatsing, van het object, in m. De volgende afbeelding toont een meting met een Accelerometer TP-ACC20, die ongeveer 15 cm verschoven werd over een tafel.

Verplaatsingmeting

Dit meetvoorbeeld kan ook worden gedownload:

Download voorbeeldmeting