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良好的抗振性能——Temposonics传感器的抗冲击和抗振性能

分类:技术中心 86人浏览 2022-08-22
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Temposonics工业传感器产品经理Olaf Kissing博士详细解释了冲击和振动测试对于在工业应用中使用的位移传感器的重要性。

工业环境中使用的传感器经常会在冲击和振动载荷下使用。为确保传感器能够承受此类载荷而不受损坏,需要进行冲击和振动测试,并在技术数据中注明测试值,比如:150 g/11 ms和30 g/10...2000 Hz等。为理解这些测试值,我们首先了解以下问题:

什么是冲击?

       冲击是指单一的短时高冲击载荷。例如,当一个物体从桌子上掉下来撞到地板上时,就会产生这种载荷。物体和地板越坚硬,施加在物体上的冲击则越大。如果一个物体从75厘米高处跌落到铺有地毯的地板上,由于地面铺有地毯且物体在5mm以内减速,则物体所承受的载荷为150g。冲击载荷是重力加速度g(g = 9.81 m/s²)的倍数。如果一辆汽车以137km/h的速度撞向一堵坚硬的墙壁,并且将碰撞缓冲区压缩到50cm,那么汽车将承受150g的载荷。人类在承受150g载荷的情况下不可能毫发无损。对于人的肉体而言,15…20g的载荷似乎没有危险(适用于加速度方向垂直于身体轴线的情况)。

什么是冲击测试?

      在冲击测试中,测试样本将受到一定的冲击,从而确认测试样本是否能够经受这种冲击且未导致损坏。在测试中,有多种不同的冲击类型,根据冲击过程的曲线有所不同,如半正弦、锯齿、梯形等。最常见的冲击类型为半正弦冲击。这种类型的冲击模拟的是振动部件加速和减速过程中发生的冲击。除加速度外,冲击测试还规定了冲击的脉冲持续时间。下图1显示了在相同的加速度和不同的脉冲持续时间条件下的两个半正弦冲击。


图1:150 g/6 ms和150 g/11 ms条件下

的半正弦冲击比较曲线

      R系列V传感器可以承受脉冲持续时间为11 ms、加速度为150 g的冲击载荷(图1中的红色连续曲线所示)而不会损坏。传感器也经常会在150 g/6 ms的冲击下进行测试(图1中的蓝色虚线曲线所示)。当观察曲线下方的区域时,两个半正弦冲击之间的差异变得很明显。该区域表示加速度脉冲结束时的速度(速度是通过加速度的积分得到的)。相比蓝色曲线下方的区域,红色曲线下方的区域大了11 ms /6ms = 1.83倍。如果比较两个半正弦冲击的动能,红色曲线的能量比蓝色曲线的能量高(11 ms/6ms)2 = 1,832 = 3.36倍,原因是能量与速度之间的关系是二次方。(能量E = 0.5m*v2,质量m和速度v)。

什么是振动?

       振动(比如摇动树木以收获果实)是一种振荡。如图2所示,振荡与振幅和频率相关。举例来说,在工业环境下,带有旋转元件的机器或输送带上会发生振动。这些振动会传递到机器上安装的组件。在振动中,与冲击情况下相同,载荷的振幅用加速度来表示,加速度为重力加速度g的倍数。

图2:振荡的振幅和频率

什么是振动测试?

       在振动测试中,通常在一定的频段内对测试样本施加指定的加速度。这个加速度低于冲击测试中的数值(通常为30g)。对于一个30g的载荷,相当于物体从15cm高处跌落到地毯上,地毯产生5mm的缓冲。或者,汽车以62km/h的速度撞向一堵坚硬的墙壁,撞击缓冲区被压缩到50cm。加速度以10...2000 Hz的频率施加到测试样本上。频率范围大致相当于钢琴从最低音符到最高音符的范围(包含88个琴键的钢琴频率范围约为27…4000 Hz)。


图3:磁致伸缩传感器在10…2000 Hz频率范围内

在30 g振动下测得的位置

为什么要进行上述测试?

       在工业环境中,无论是在运输过程中还是在机器中使用,都可能发生冲击和振动。然而,这些载荷不应损坏传感器——就像摇动一棵树时,我们希望只有果实掉落,而树枝不会掉落。冲击和振动测试将模拟工业环境中的载荷,从而提前发现和修复弱点。作为开发过程的一部分,R系列V传感器均进行了冲击和振动测试,以确保传感器在此类工况下能够正常工作。

      如果在使用时就已确定冲击和振动的级别,则可以选择适当的传感器满足这些要求。如果使用具有高抗冲击和抗振性的传感器,则可以最大限度地减少甚至完全消除阻尼措施的需要。即使在意外的冲击和振动载荷情况下,R系列V传感器也能够正常工作,因为其具有优异的抗冲击和抗振性,能够有效承受载荷。

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