振動感測元件應用於智慧機械製造 · LVDT 渦電流式電容式光纖式雷射式 •速度感測器 LVT(Linear Velocity Transducer) 動電式雷射式 ... Capacitive

振動感測元件應用於

智慧機械製造

工業技術研究院 / 量測中心

國家度量衡標準實驗室

精密與動態工程計量研究室

張匡儀 300 新竹市光復路二段321號8館214室

Tel: 03-5732022

Email: [email protected]

2016.04.12 1

Copyright 2016 ITRI 工業技術研究院

內容

振動與加速規的原理

振動量測感測器

無線感測加速規

智慧機械製造

2


1.振動與加速規的原理

3


前言

4

•參考資料-http://203.71.9.5/chinascience/H/h-index.html

以精銅鑄成，圓徑八尺，合蓋隆起，形似酒樽

http://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=imgres&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiMraqRtOfLAhXFYaYKHS_yCVcQjRwIBw&url=http://wiki.cdstm.cn/index.php?doc-view-1085&psig=AFQjCNFPfrLDn-ft6-Apav8npVT4mCYroQ&ust=1459392842768216


前言

5

台北101大樓設計（高度508公尺）

資料來源- http://www.taipei-101.com.tw/ch/corp/company/abouttaipei101.asp

由一片片鋼結構焊接而成用來平衡整棟大樓其重量達六百多噸。


1. 振動與加速規的原理

6

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什麼是振動

• 是一種來回往復運動

• 從位置的一端（左邊端點）經由中點到位置的另一端（右邊端點）

• 振動可以是單一頻率、少數個頻率、許多個頻率所組合而成

• 振動可以是週期性或是非週期性的


振動的來源 •旋轉體之靜態與動態不平衡

不平衡轉子迴轉

•往復運動體之慣性力

振動試驗機、超音波震盪

•衝擊負荷變動

碰撞、破碎機

運動方向或力量變更

水流方向改變


振動值表示

9

頻率: 一秒中所完成的振動次數(赫茲 Hz). 週期: T(=1/頻率f）. 振幅: 決定振動大小且可用來決定機器操作狀況參考. 相位: 某瞬間振動體上某一位置與另一固定點之相對關係,或是某瞬間兩個振動體其位置之相對關係.

T

tdtxT 0

2 )(1


振動相位

10

(1) (2)

Ref.力勝技術週報

相位差1/4週期 (90度)


振動量測參數數學式

11

位移 x(t)＝ASin (2ft)

速度 V(t)＝2fACos (2ft)

＝2fASin (2ft＋ )

加速度 a(t)＝(2f)2A(-Sin (2ft))

＝(2f)2A Sin (2ft＋)

稱為振動量測之三個參數

2

微分

微分


振動參數

12

低頻 ﹕位移

高頻 ﹕加速度

•頻率 f (rpm、Hz 、rad/s)

•位移 D (m、mm、mil)

•速度 V=2× ×f×D (m/s 、kine)

•加速度 A=2××f ×V

=[2××f]2×D (m/s2 、g、 gal)

PHOT0045.AVI


振動值座標選擇

13

參考振幅值如下所示(ISO 1683)

加速度 : 10-6 m/s2

速度 : 10-9 m/s

位移 : 10-12 m

振動級或振動位準(Level)以分貝(Decibel)表示

參考量 dB (ref. 10-6 m/s2)

物理量 m/s2


振動參數公制、英制

14

公制英制

g =0.0511 f2 D

g=0.0162 V f

V= π f D

D：inch，peak-to- peak

(1 mil = 1/1000 inch)

V：inch/s，peak

f：Hz (cps)

g：386.1 inch/s2，peak

g =2.013 f2 D

g=0.641 V f

V= π f D

D：m，peak-to-peak

(1 m = 1/1000000 m)

V：m/s，peak

f：Hz (cps)

g：9.80665 m/s2，peak


振動參數三合一圖

15

0.000001

0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

0.1 1 10 100 1000

Hz頻率 (Hz)

VC-C

VC-A

VC-B

VC-D

1000

10000

100

10

1

0.1

0.01 0.1 1 5 10 50 100 1000


共振現象

系統共振頻率

輸入頻譜

輸入輸出

輸出頻譜

共振頻率放大效應

Tacoma Narrow bridge/glass.wmv


結構共振測試

17

參考網頁- http://www.youtube.com/watch?v=LV_UuzEznHs


2. 振動量測感測器

18


振動感測器

位移﹕電容、光纖、閃頻儀、LVDT、

Proximeter Probe 、雷射干涉儀

速度﹕電磁、都卜勒雷射干涉儀

加速度﹕壓阻（應變）、壓電

動態力量﹕壓電、壓阻（應變）

19


常用之振動感測器 • 位移感測器

▪ LVDT

▪ 渦電流式

▪ 電容式

▪ 光纖式

▪ 雷射式

• 速度感測器 ▪ LVT(Linear Velocity Transducer)

▪ 動電式

▪ 雷射式

• 加速度感測器 ▪ 壓電晶體式(Piezoelectric)

1.Voltage type & Charge type

▪ 壓電阻式(Piezoresistive)

• MEMS加速規

20

http://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjr49KqnO3LAhWHG5QKHSFOCFQQjRwIBw&url=http://tzjwinfcha.pixnet.net/blog/post/25040542-wii%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8%E7%9A%84%E5%8E%9F%E7%90%86&psig=AFQjCNFtrH1pSyGBGn8KRmBuuT57K5rc-w&ust=1459592505455498


位移型渦電流感測器 •最常用者為渦電流近接感測器。

（Eddy Current Proximity

Sensor）

•位移近接感測器，僅量測間隙

距離。

•非接觸式。

•不受潤滑油及大部份氣體影響。

•無質量負荷效應。

•輸出等級200（或100）

mV/mil 。

•敏感於受測物之表面性質。

•易受附近電纜線之影響。

http://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwit2MDrnO3LAhUCX5QKHWauCSwQjRwIBw&url=http://www.keyence.com.tw/products/sensor/proximity/ex-500/index.jsp&psig=AFQjCNHquDfvUVLsE-wBUJpNPpqFTDZK4w&ust=1459592713468143


速度規 •適當安裝，可避免因安裝不良

而產生之共振信號。

•信號大。

•自生式。

•含可移動元件磨損。

•不耐高溫。

•適用範圍：10 Hz ~ 1k Hz


MEMS加速規

• 三軸加速度感測(X、Y、Z)

• 感測範圍：3G

• 工作電壓：1.8V～3.6V

• 頻率響應：X、Y(1600Hz)，Z(500Hz)

• 低電流耗損：0.32mA

• 0G電壓：1.5V

• 靈敏度：300 mV/g

23

http://www.analog.com/en/sensors/inertial-sensors/adxl330/products/product.html

可用於偵測機器人姿態、機器人跌倒偵測、慣性導航、位置計算、傾角偵測及互動平台，如wii、手機互動(晃動偵測)。


CMOS-MEMS Accelerometer

24

http://www.ndl.org.tw/web/department/cfteam/etch_research.php


加速度單位

•每單位加速度輸入值

所能產生的電荷量。

•單位：pc/ms-2或

pc/g，g=9.807ms-2

•電荷靈敏度＝

輸入加速度值

輸出電壓量

25

輸入加速度值

輸出電荷量

電壓靈敏度

•每單位加速度輸入值所能產生的電壓量。

•單位：mV/ms-2或mV/g。

•電壓靈敏度＝

電荷靈敏度

輸入加速度值

輸出電壓值


振動感測器比較物理量感測器種類檢測原理主要規格特性

位移

渦電流式位移型

高頻電流通過感測器線圈，使量測對象產生渦電流

DC - 10 kHz

Max. 500 mm 量測對象需為磁導體

非接觸量測

靜電容式位移型 Capacitive Sensor

檢出感測器與量測對象間之電容量

DC – 2 kHz

Max. 5 mm 可量測絕緣體

非接觸量測

光電式位移型明暗變化的檢出或反射檢出 DC – 10 kHz

μm - m 可量測極小點

速度

動電式速度型線圈輸出的電壓與速度成正比 10 Hz – 1 kHz

(fn=12 Hz)

300 mV/cm/s, 570 G

體積大

雷射都卜速度型利用與速度成正比的都卜勒訊號

DC – 20 kHz 非接觸量測

加速度

壓電式加速型藉著壓電材料將與加速度成正比的力轉換成電壓輸出

4 Hz – 15 kHz

(fn=80 kHz)

10 mV/G, 0.4G

超小型

應變計式加速型利用與加速度成正比之應變計變形量檢出其輸出電壓

DC – 2 kHz

(fn = 5 kHz)

5mV/G, 2G

伺服式加速型檢出與加速度成負迴授之位移控制訊號

DC – 400 Hz 高精密度

26


振動信號之分析流程

27

Memory 1

Display/ Output

Transducer

Preamplifier

A/D

Memory 2

Time Weighting

Squaring/ Averaging

GAA FFT

Auto- spectrum

Fourier Spectrum

N=Number of samples T=Record time △t=Sampling interval

fs=Sampling frequency △ f=Frequency resolution fNf

f

1t

tNT

s

s

1Tf


壓電加速規設計

28

• 壓電材料受外力作用後即產生電荷。 • 加速規受到振動時,作用於壓電元件上的力和加速度成正比。

Q=dF, F=Ma, Q=dMa

• 寬頻且高動態範圍及耐溫。 • 目前加速規使用最廣範。


加速規選用特性(一)

29

質量

電壓靈敏度 • 每單位加速度輸入值所能產

生的電壓量 • 單位：mV/ms-2 或 mV/g

• 電壓靈敏度＝

輸入加速度值

輸出電壓值

加速規質量不可超

過待測物1/10質量

量測極低或極高加速度,動態範圍需考慮

0.01 m/s2

信號線與放大

器電路雜訊

50000 m/s2

加速規結構強度


加速規選用特性(二)

放大器低頻截止頻率環境溫度

質量彈簧系統

質量小之加速規

一般用途加速規


加速規型式


影響加速規性能的環境因素

32

溫度變化環境溫度

底座應變

核能輻射溼度

腐蝕物質電磁干擾側向振動

地迴路

熱電雜訊

噪音


環境影響因素--溫度

33


不同安裝方法頻率響應特性比較

自然頻率

螺栓 (a) > 蜜蠟或黏著劑(b) > 磁座或膠带 (c) > 手握探針(d)

(a)

(b)

(c)

(d)


加速規之安裝方法及特性比較


振動校正器

36

Measuring the displacement of a Vibration Calibrator

displacement 10 µm RMS

frequency 159.16 Hz

3

V

-3

Real

ms7.8048710 s

Time 1

X:7.667542 ms Y:-158.7659 mV

X:4.547119 ms Y:-175.1489 mV

X:1.38855 ms Y:-190.9361 mV

Result

10.08 µm a vibrating cycle

by fringe-

Counting Method

159.26Hz


振動分析儀器 Type HP35670A

Company Agilent Technologies, inc.

Frequency

102.4 kHz at 1 channel;

51.2 kHz at 2 channel;

25.6 kHz at 4 channel.

Resolution 100, 200, 400, 800 and 1600

lines.

Real-time

Band

width

One-channel Mode: 25.6 kHz

Two-channel Mode:

12.8 kHz

Accuracy ±0.15dB.

Application

Linear Spectrum,

Cross Spectrum,

Power Spectrum,

Coherence,

Power,

Spectral Density,

Frequency Response,

Time Waveform,

Autocorrelation,

Cross-Correlation,

Histogram,

PDF,

CDF.

37

• 儀器直接讀取

• NI訊號分析

• HP頻譜分析儀

資料來源- http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zht/nid/12049

信號處理、量測分析、計算、回饋控制、記錄


NI訊號分析

38


3. 無線感測加速規

39


外殼基座

外殼頂部

質量塊

壓電片

基座

外部訊號連接線訊號傳輸線

壓力式加速規裝置說明


外殼基座

外殼頂部

質量塊

壓電片

基座

外部訊號連接線

剪力式加速規裝置說明

固定螺絲


無線網路

加速規爆炸圖

電荷放大器電路


4. 智慧機械製造

43


發展智慧密集產業之核心技術架構

網路層

應

用

服

務

層

感測層

感測閘道器/設備

感測網路

公共網路專屬網路

場域網路局部區域網路

開放/專屬有線/無線寬頻網路

光學影像感測

感知技術

資安威脅防禦

M2M 排程管理

網路加密服務

體感方位感測設備

生理監測環境監測動作方位感測

資訊

收集

層

智慧聯網共通服務平台

智慧製造應用工具機、金屬加工、3C等

智慧服務應用健康照護、物流、能源、交通等

智慧農業應用

系統整合層 (互通協調、開放介面)

雲端服務平台

系統管理技術

通用資訊模型技術 (CIM)

平台效能管理技術

IoT資訊分析技術

開放異質網路管理、安全技術

巨量資料

資料融合

萃取技術

預測模型

技術

資料探勘

技術

行為推論

技術

文字探勘

技術

機器學習

技術

網實整合及智慧機器人

數位設計

技術

精密機械

技術

人機協同

技術

精密感測

技術

知識回饋

技術

智慧控制

技術

經濟部生產力4.0業界座談會


工具機上下游產業

45

經濟部2015~2017年重點產業人才需求調查報告


智慧製造發展趨勢 1. 技術面：工具機智慧製造

• 高速化、高精度、複合化、自動化及智慧化是未來發展的目標與趨勢。

• 國際大廠大量的運用機電整合、線上監控與加值軟體技術來提升機器的

性能。

• 智慧型工具機主要功能包含：

(1) 能自動規劃加工程序、路徑、條件等變因，

(2) 能偵測監控加工時狀況，並判斷因應對策，

(3) 具備自我學習功能，可在加工中累積經驗以改善往後加工的能力，

(4) 具線上量測功能，能即時檢測，確保產品品質與均一性。

• 智慧化加工設備與產業機器人的整合，搭載機器人應用於自動上下料、

換刀、切削加工、測量及裝配等實現機器人與工廠自動化，以因應少量多

樣的製造業模式。

46



智慧製造發展趨勢 2.市場面：新興國家市場需求持續成長

•面對中國大陸世界工廠角色的轉變，各國紛紛提出「再工業化」、「製

造業回流」等相關政策，藉此促進當地製造業的再發展。

• 因應亞洲新興汽車製造產業崛起，具有量產型及高稼動率特性的車銑複

合加工機，相當地符合產業的需求。

• 美國政府正規劃透過北美自由貿易區內的美、加與墨三國之既有產業鏈(

如飛機、汽車與電腦等)之基礎，進行更深入與密切地整合，並以墨西哥

為生產基地塑造一座「北美工廠」與「亞洲工廠」( 中國大陸) 抗衡與競

爭。

• 大陸目前工資上漲與缺工問題，優質平價自動化需求崛起，發展結合工

具機與機器手臂之單元式(Cell) 的自動化生產線商機可期，使得中國大陸

成為發展自動化產業的練兵場。

• 隨著產品精緻化的要求，工具機應用產業對於產品加工的效能與效率之

提升具有強烈的需求，因此工具機廠商應強化客戶之加工應用服務，以提

高產品附加價值。 47



未來三年工具機產業趨勢摘要

48



49

陳志明, 工具機技術現況與發展趨勢


. Wzzard is an easy to use, complete

wireless sensor connectivity platform for

the rapid deployment of scalable,

intelligent, reliable Internet of Things (IoT)

networking in remote and demanding

environments. Wzzard was designed to

help integrators, VARs and service

providers efficiently develop and deploy

secure, smart, self-powered, and scalable

IoT applications.

50

無線加速規與智慧機械製造應用

http://azimadli.com/products/online-systems/







http://www.zhendongsd.com/en/ProductShow.asp?ID=129


http://www.zhendongsd.com/en/ProductShow.asp?ID=129



https://www.imi-sensors.com/EchoOverview.aspx




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