加速度​計​で​振動​を​測定​する

ここ​では、​基本​的​な​振動​の​概念、​加速度​計​の​仕組み、​および​アプリケーション​内​で​センサ​の​仕様​の​違い​が​加速度​計​の​性能​に​どの​よう​な​影響​を​与える​か​について​説明​し​ます。​センサ​を​決定​すると、​マイクロホン​測定​の​適切​な​調節、​収集、​視覚​化​に​必要​な​ソフトウェア​と​ハードウェア​を​検討​する​こと​が​でき​ます。​また、​センサ​に​必要​な​追加​の​信号​調節​を​検討​する​こと​も​でき​ます。

振動​と​は 

 

 

振動​と​は、​機械​や​部品​の​均衡​位置​の​周囲​における​運動、​あるいは​機械​的​な​揺れ​の​こと​を​指し​ます。​振動​に​は、​振り子​の​動き​など​の​よう​に​周期​的​な​もの​と、​砂利​道​を​走る​車​の​タイヤ​の​動き​など​の​よう​に​ランダム​な​もの​が​あり​ます。​振動​は、​メートル法​の​単位 (m/s2)、​または​重力​定数​の​単位​「g」​(1 g = 9.81 m/s2) で​表す​こと​が​でき​ます。​物体​の​振動​に​は、​自由​振動​と​強制​振動​の​2​種類​が​あり​ます。

 

自由​振動​は、​物体​または​構造​物​が​動​かさ​れ​たり、​衝撃​を​与​え​ら​れ​たり​した​後、​自然​に​揺れる​こと​が​できる​場合​に​発生​し​ます。​たとえば、​音叉​を​叩く​と​音​が​鳴り、​その​音​は​最終​的​に​止​み​ます。​多く​の​場合、​固有​振動​数​と​は、​構造​物​が​衝撃​を​受け​たり、​動​かさ​れ​たり​した​後に​揺れる​必要​の​ある​周波数​の​こと​を​指し​ます。​共振​と​は、​系​が​特定​の​周波数​において、​他​より​激​しく​揺れる​傾向​を​指し​ます。​物体​の​固有​振動​数、​あるいは​それに​近い​振動​数​における​強制​振動​は、​構造​物​内​の​エネルギー​を​高め​ます。​時間​が​経つ​につれ、​加​え​られる​強制​振動​が​非常​に​小​さく​て​も、​振動​が​かなり​大​きく​なる​こと​が​あり​ます。​構造​物​の​固有​振動​数​が​標準​的​な​環境​振動​に​一致​する​場合、​構造​物​は​より​激​しく​振動​し、​早期​に​崩壊​し​ます。

 

強制​振動​は、​変容​を​促す​力​が​加​え​ら​れ​た​こと​で​構造​物​が​揺れ​て​発生​し​ます。​回転​した​り、​往来​する​動き​は、​物体​に対して、​固有​周波数​では​ない​振動​を​強制​的​に​発生​させる​こと​が​でき​ます。​この​動き​の​例​が、​洗濯​機内​に​生じる​不均衡​です。​洗濯​機​は​洗濯​槽​の​回転​に​等しい​周波数​で​振動​し​てい​ます。​状態​監視​において、​振動​計測​は、​コンプレッサ、​タービン、​ポンプ​など​の​回転​機械​の​状態​を​示す​もの​として​使用​さ​れ​ます。​こうした​機械​に​は​さまざま​な​部品​が​含​まれ​て​おり、​各​部品​が​独自​の​振動​パターン​や​特性​によって​機械​を​構成​し​てい​ます。​時間​の​経過​とともに​変化​する​振動​特性​の​傾向​を​把握​し​て、​機械​の​故障​時期​を​予測​し、​適切​に​保守​を​スケジューリング​する​こと​で、​安全​性​の​向上​と​コスト​の​削減​を​実現​でき​ます。

図1: 環境振動と同じ固有振動数を持つ構造物は崩壊する場合があります。
Figure 1. Structures may fail if their natural frequencies match environmental vibration.

振動​を​測定​する 

 

振動​は​通常、圧​電​型​セラミック​セン​サ​や​加速度計を​使用​し​て​計測​さ​れ​ます。​特定​の​種類​の​圧​電​性​結晶​に​圧力​が​かかる​と、​電圧​が​生​じ​ます。​これは圧電効果と呼ばれ、​ほとんど​の​加速度​計​に​利用​さ​れ​てい​ます。​テスト​構造​物​の​加速度​は、​比例​した​力​を​圧​電​性​結晶​上​に​生成​する​加速度​計​内​の​サイズモ​質量​に​伝達​さ​れ​ます。​結晶​へ​の​外​的​応力​によって、​適用​さ​れ​た​力​に​比例​した (つまり​加速度​に​比例​した) 高​インピーダンス​の​電荷​が​発生​し​ます。 

 

 

 

加速度​計​に​は、​一般​的​に​圧​電​型 (電荷​モード) 加速度​計​と​IEPE (Integrated Electronic Piezoelectric) 加速度​計​の​2​つ​の​タイプ​が​あり​ます。

 

加速度​計​は​通常、​回転​素子​ベアリング、​ギア​ボックス、​ス​ピ​ニ​ン​グ​ブ​レ​ード​など​の​高周波​素子​に​直接​取り付け​られる、​接触​トランスデューサ​です。​これらの​多​用途​センサ​は、​衝撃​計測 (爆発/​障害​テスト​など) や、​より​低速​な​低​周波数​振動​計測​に​も​使用​さ​れ​ます。​加速度​計​の​メリット​として、​広い​周波数​レンジ​と​大きな​ダイナミック​レンジ​にわたる​線形​性​が​あり​ます。

 

電荷​モードの​加速度​計​は、​生成​した​電荷​を​増幅​した​り、​計測​デバイス​に​対応​させる​ため​に​出力​インピーダンス​を​低​く​した​り、​外部​ノイズ​ソース​および​クロス​トーク​の​影響​を​最低限​に​抑える​ため​に、​外部​アンプ​や​インライン​チャージ​コンバータ​を​必要​と​し​ます。

 

IEPEの​加速度​計​に​は、​内蔵​型​の​電荷​感度​の​高い​アンプ​が​装備​さ​れ​てい​ます。​この​アンプ​は​定​電流​ソース​を​受け入れ、​圧​電​性​結晶​の​電荷​の​変動​に​応​じ​て​インピーダンス​を​調整​し​ます。​こうした​タイプ​の​加速度​計​向け​に​作成​さ​れ​た​計測​ハードウェア​は、​アンプ​用​に​電流​励起​機能​を​内蔵​し​てい​ます。​この​インピーダンス​の​変化​は、​加速度​計​の​入力​全体​で​電圧​の​変化​として​計測​さ​れ​ます。

 

振動​を​計測​できる​もう​1​つ​の​センサ​として、近接​プローブが​あり​ます。​加速度​計測​から​振動​を​判断​する​加速度​計​と​は​異​なり、​近接​プローブ​と​は、​ターゲット​まで​の​距離​を​計測​する​非​接触​トランスデューサ​です。​これらの​センサ​は、​ほぼ回転機械のみで使用され、​シャフト​の​振動​を​計測​し​ます。​一般​的​な​アプリケーション​の​例​として、​ターボ​機械​など​の​機械​システム​を​対象​と​した​機械​監視​や​保護​計測​が​挙​げ​ら​れ​ます。​柔軟​な​流体​膜​ベアリング​と​重厚​な​ハウジング​により、​振動​が​外​ケーシング​に​伝達​し​にくい​ため、​加速度​計​では​なく、​近接​プローブ​を​使用​し​て​シャフト​の​動き​を​直接​計測​し​ます。

 

図2.加速度計とは高/低周波数振動および衝撃計測に使用される多用途センサです。
Figure 2. Accelerometers are versatile sensors used for high or low frequency vibration as well as shock measurements.
図3: 圧電性結晶の振動の力に比例するIEPE加速度計の出力電圧信号。
Figure 3. IEPE accelerometers output voltage signals proportional to the force of the vibration on the piezoelectric crystal.

適切​な​加速度​計​を​選択​する

 

加速度​計​は​多​用途​の​ため、​さまざま​な​種類​の​設計、​サイズ、​範囲​から​選択​でき​ます。​計測​しよう​と​する​信号​の​特性​と​環境​的​制約​を​把握​する​こと​で、​加速度​計​の​さまざま​な​電気​仕様​や​物理​仕様​を​見分け​て、​最適​な​加速度​計​を​選ぶ​こと​が​でき​ます。

 

 

振動​振幅

 

計測​し​て​いる​振動​の​最大​振幅​または​範囲​によって、​使用​できる​センサ​の​範囲​が​決まり​ます。​センサ​の​範囲​外​の​振動​を​計測​しよう​と​する​場合、​応答が正しく伝わらなかったり、​クリップ​さ​れ​たり​し​ます。​通常、​感度​と​質量​が​低い​高​振動​レベル​の​監視​に​は​加速度​計​を​使用​し​ます。

 

 

 

感度

 

感度​は、​加速度​計​にとって​最も​重要​な​パラメータ​の​ひとつ​です。​感度​は、​160 Hz​など、​基準​周波数​における​振動​と​電圧​間​の​変換​を​表​し​ます。​感度​は、​mV/​g​で​表​さ​れ​ます。​通常​の​加速度​計​の​感度​が​100 mV/​g​で、​10 G​の​信号​を​計測​した​場合、​1000 mV​または​1 V​の​出力​が​予測​さ​れ​ます。​正確​な​感度​は​キ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション​によって​決まり、​通常、​その​センサ​に​同​梱​さ​れる​校正​証明書​に​記載​さ​れ​てい​ます。​感度​は​周波数​に​も​依存​し​ます。​感度​が​周波数​によって​どの​よう​に​変化​する​の​か​を​特定​する​に​は、​有効​な​周波数​レンジ​全体​に対して​完全​な​キ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション​を​実行​する​必要​が​あり​ます。​図​4​は、​加速度​計​の​通常​の​周波数​応答​の​特性​を​表​し​てい​ます。​一般​的​に​は、​高​振幅​信号​の​計測​に​は​感度​の​低い​加速度​計​を​使用​し、​低​振幅​信号​の​計測​に​は、​感度​の​高い​加速度​計​を​使用​し​ます。

 

 

軸数

 

加速度​計​の​軸​は​2​種類​から​選ぶ​こと​が​でき​ます。​最も​一般​的​な​加速度​計​は、​単一​の​軸​に​のみ​沿​って​加速度​を​計測​し​ます。​この​タイプ​は、​機械​的​な​振動​レベル​の​計測​で​使用​さ​れる​場合​が​あり​ます。​2​つ​目​の​タイプ​は、​3​軸​加速度​計​です。​この​加速度​計​は、​加速度​の​3D​ベクトル​を​直交​成分​の​形式​で​作成​する​こと​が​可能​です。​この​タイプ​の​加速度​計​は、​平​振動、​横​振動、​回転​振動​といった​振動​の​タイプ​を​特定​する​必要​が​ある​場合​に​使用​し​ます。

 

 

重量

 

加速度​計​は、​監視​対象​の​構造​物​より​大幅​に​軽量​で​ある​必要​が​あり​ます。​構造​物​に​質量​が​加わる​と、​構造​物​の​振動​特性​が​変わる​場合​が​あり、​不正確​な​データ​や​解析​に​つながる​可能性​が​あり​ます。​加速度​計​の​重量​は、​一般​的​に、​テスト​構造​物​の​重量​の​10​パーセント​より​大​きく​な​って​はい​け​ま​せん。

 

 

取り付け​オプション

 

振動​計測​システム​について​は、​加速度​計​を​ターゲット​の​表面​に​どの​よう​に​取り付ける​か​という​こと​も​考慮​する​必要​が​あり​ます。​4​種類​の​標準​的​な​取り付け​方法​から​選択​でき​ます。

 

  • ハンド​ヘル​ド​または​プローブチップ
  • 磁石
  • 粘着​式
  • スタッドマウント

 

スタッドマウント​は​最も​優​れ​た​取り付け​技術​ですが、​ターゲット​素材​に​穴​を​開ける​必要​が​あり、​一般​的​に​は​センサ​を​常設​する​場合​に​適​し​てい​ます。​その他​の​方法​は、​一時​的​な​取り付け​に​向い​てい​ます。​さまざま​な​取り付け​方法​が​あり​ます​が、​これら​は​すべて、​加速度​計​の​計測​可能​な​周波数​に​影響​し​ます。​一般​的​に​言​え​ば、​取り付け​方​が​緩い​ほど、​計測​可能​な​周波数​限界​が​低​く​なり​ます。​接着​剤​や​磁石​の​取り付け​ベース​など、​質量​を​加速度​計​に​追加​した​場合、​共振​周波数​が​低​く​なり、​加速度​計​の​有効​な​周波数​レンジ​の​確度​および​限界​に​影響​する​可能性​が​あり​ます。​加速度​計​の​仕様​を​参考​にし​て、​各​取り付け​方法​が​どの​よう​に​周波数​計測​の​限界​値​に​影響​する​の​か​を​確認​し​て​くだ​さい。​表​1​は、​100 mV/​g​加速度​計​の​一般​的​な​周波数​限界​を​表​し​てい​ます。

 

 

 

表​1. 100 mV/​g​加速度​計​の​取り付け​方法​による​周波数​限界。

 

 

 

図​5​は、​スタッドマウント、​接着​マウント、​磁石​マウント、​および​三​軸​ブロック​マウント​の​各​取り付け​方法​における​おおよそ​の​周波数​レンジ​を​示し​てい​ます。

 

環境​的​制約

 

加速度​計​を​選択​する​とき、​最大​動作​温度、​有害​な​化学​物質​へ​の​暴露、​湿度​といった​重要​な​環境​パラメータ​に​注意​を​払う​必要​が​あり​ます。​ほとんど​の​加速度​計​が​危険​な​環境​で​使用​できる​の​は、​その​構造​の​堅牢​性​と​信頼​性​が​優​れ​て​いる​ため​です。​さらに​保護​性​を​高める​場合、​ステンレス​製​の​工業​用​加速度​計​で​あれ​ば、​腐食​や​化学​物質​から​センサ​を​保護​する​こと​が​でき​ます。

 

システム​が​極端​な​温度​環境​で​動作​する​必要​が​ある​場合​は、​電荷​モード​加速度​計​を​使用​し​ます。​この​よう​な​加速度​計​は、​電子​機器​を​内蔵​し​てい​ない​ため、​動作​温度​は、​構造​物​に​使用​さ​れ​て​いる​検出​要素​と​素材​によって​のみ​制限​さ​れ​ます。​ただし、​電荷​モード​加速度​計​は、​調節​機能​および​電荷​増幅​機能​を​搭載​し​てい​ない​ため、​環境​的​干渉​に​影響​さ​れ​や​すく、​低​ノイズ​ケーブル​を​使用​する​必要​が​あり​ます。​環境​に​ノイズ​が​多い​場合、​インライン​チャージ​コンバータ、​または​内蔵​電荷​アンプ​を​備え​た​IEPE​センサ​を​使用​し​ます。

 

湿度​仕様​は、​加速度​計​の​シール​剤​の​タイプ​によって​決まり​ます。​一般​的​に​は、​気密​シール​剤、​エポキシ​樹脂​系​シール​剤、​環境​保護​シール​剤​など​が​あり​ます。​これらの​シール​剤​の​大部分​に​は、​高​レベル​の​湿度​に対する​耐性​が​備​わっ​てい​ます​が、​浸水​や、​長時間​にわたる​過剰​な​湿度​へ​の​露出​に対して、​NI​は​気密​シール​の​使用​を​推奨​し​ます。

 

 

コスト

 

電荷​モード​加速度​計​と​IEPE​加速度​計​の​コスト​は​あまり​変わり​ま​せん。​ただし、​IEPE​加速度​計​は​特殊​な​低​ノイズ​ケーブル​や​電荷​アンプ​を​必要​と​しない​ため、​大規模​な​マルチ​チャンネル​システム​の​場合、​大幅​に​コスト​を​下げる​こと​が​でき​ます。​また、​IEPE​加速度​計​の​ほうが​使い​やすい​という​特徴​が​あり​ます。​手入れ、​配慮、​操作​や​保守​に​かかる​労力​が​少​なく​て​すむ​から​です。

Figure 4. Accelerometers have a wide usable frequency range where sensitivity is relatively flat.
Figure 5. The different frequency ranges of different mounting techniques.

加速度​計​の​信号​調節

 

DAQ​デバイス​で​加速度​計​による​計測​が​正しく​実行​できる​よう​に​する​に​は、​以下​の​点​を​考慮​し​て、​信号​調節​の​要件​を​すべて​満​た​し​て​いる​こと​を​確認​し​て​くだ​さい。

 

  • 増幅​―​計測​分解能​を​高め、​SN​比​を​向上​する
  • 電流​励起​―IEPE​センサ​の​電荷​アンプ​に​電力​供給​する
  • AC​カプリング​―DC​オフセット​を​除去​し、​分解能​を​向上​し、​入力​デバイス​の​全​範囲​を​活用​する
  • フィルタ​処理​―​外部​の​高​周波数​ノイズ​を​除去​する
  • 適切​な​接地​―​異なる​グランド​電位​間​の​電流​から​ノイズ​を​除去​する
  • ダイナミック​レンジ​―​加速度​計​の​全​振幅​範囲​を​計測​する

 

加速度​計​計測​の​調節、​収集、​解析、​および​表示​方法​の​詳細​について​は、「高​確度​の​センサ​計測​を​実現​する​ため​の​テクニカル​ガイド」​を​ダウンロード​し​て​くだ​さい。

NI​ハードウェア​に​加速度​計​を​接続​する

 

センサ​または​テスト​の​ニーズ​を​把握​したら、​次​の​重要​な​ステップ​として、​その​データ​を​収集​する​ため​の​ハードウェア​を​決定​し​ます。​収集​ハードウェア​の​品質​によって、​収集​する​データ​の​品質​が​決まり​ます。

 

NI​が​提供​し​て​いる​幅広い音響/​振動​ハードウェアは、​振動​データ​を​収集​し、​さまざま​な​IEPE​センサ​と​互換性​が​あり​ます。

 

NI​音響/​振動​デバイス​と​IEPE​センサ、​加速度​計​など​の​互換性​を​確認​する​に​は、「NI​デバイス​で​IEPE​センサ​に対する​励起​と​適合​性​電圧」​を​参照​し​て​くだ​さい。​プリアンプ​を​使用​した​場合​でも、​NI​音響/​振動​ハードウェア​は​動作​し​ます​が、​信号​特性​が​変化​する​可能性​が​あり​ます。​プリアンプ​の​出力​が​音響/​振動​ハードウェア​の​入力​範囲​内​で​ある​こと​を​確認​し​ます。​同様​に、​IEPE​以外​の​センサ​では、​センサ​出力​が​デバイス​の​入力​機能​に​適合​し​て​いる​こと​を​確認​し​ます。

センサ​を​お​探​し​です​か?

 

NI​は、PCB​社​の​ICP® (Integrated Circuit-​Piezoelectric) センサを​提供​し​てい​ます。​ICP®​は​PCB Piezotronics, Inc.​の​商標​で、​同社​が​製造​する​IEPE (Integrated Electronic Piezoelectric) 加速度/​振動​センサ​の​こと​を​指し​ます。​センサ​は、​汎用、​工業​用、​3​軸、​インパクト​ハンマー​の​各​フォーム​ファクタ​で​ご​用意​し​てい​ます。

シンプル​な​ハードウェア​の​セットアップ

加速度​計​に​適​した​推奨​ハードウェア

CompactDAQ​音響/​振動​バンドル​を​使用​すると、​加速度​計​または​振動​センサ​を​人気​の​ある​各種​の​音響/​振動​モジュール​や​CompactDAQ​シャー​シ​に​簡単​に​接続​でき​ます。

その他​の​振動​測定​向け​製品

 

以下​の​製品​は、​加速度​計​と​接続​し​て​振動​信号​を​測定​し​ます。​これらの​製品​は、​オーディオ​テスト、​機械​状態​監視、​NVH (騒音/​振動/​ハーシュネス) の​アプリケーション​で​使用​し​ます。​これらの​製品​は、​音響/​振動​計測​の​両方​に​対応​し​ます。​適切​な​センサ​を​選択​し​て​NI​製品​と​使用​する​ため​に、マイクロホン​を​使用​し​て​音響​を​測定​する詳細​について​ご覧​くだ​さい。

方法 周波数​限界
ハンド​ヘルド 500 Hz
磁石 2000 Hz
粘着式 2500​~​5000 Hz
スタッド > 6000 Hz

 

 

参考​資料

  • Lally, Jim.“ACCELEROMETER SELECTION CONSIDERATIONS, Charge and ICP® Integrated Circuit Piezoelectric.” PCB Group Inc.​2005. https://​www.pcb.com/​techsupport/​docs/​vib/​TN_17_VIB-0805.pdf
  • “Introduction to ICP® Accelerometers.” PCB Piezoelectronics. http://​www.pcb.com/​techsupport/​tech_accel
  • “Steps to selecting the right accelerometer.” Endevco. https://​www.endevco.com/​news/​newsletters/​2012_07/​tp327.pdf