Датчик вибрации с электродвигателя своими руками. Датчик вибрации

О чем эта статья

Датчик вибрации (виброметр) - прибор, позволяющий определять параметры вибрационных явлений. Наиболее часто виброметры используются для определения:

1. Виброскорости
2. Виброускорения
3. Виброперемещения

Проще говоря, если вибрирующий объект считать простым осциллятором, то виброметр позволяет получить сведения как о базовых параметрах его колебаний (частота и амплитуда), так и, в некоторых случаях, получить спектральную характеристику колебательного процесса.

Рисунок 1. Схема датчика вибрации.

Общая схема датчика вибрации содержит два основных блока (Рисунок 1): вибропреобразователь (1) и электронный блок обработки (2). Функциональное назначение первого блока - преобразование механических вибраций в электрический сигнал. Механизмов преобразования несколько:

• Пьезоэлектрический
• Оптический
• Вихретоковый
• Индукционный

Механизм преобразования в значительной мере определяет как характеристики прибора, так и его стоимость.

Второй блок - электронный блок обработки - служит для «расшифровки» полученного сигнала. Как правило, на входе таких блоков стоит аналогово-цифровой преобразователь, и основная часть операций над сигналом производится уже в цифровом виде, что расширяет функциональные возможности процесса пост-обработки, улучшает помехоустойчивость и позволяет осуществлять вывод информации по внешнему интерфейсу.

При использовании на производстве стационарные виброметры могут входить в состав регулирующих систем в качестве датчиков обратной связи, для этих целей некоторые модели виброметров имеют аналоговый выходной сигнал (как правило, напряжение).

Для получения комплексной характеристики вибрационного процесса в состав измерительной системы может быть добавлен спектроанализатор. Если спектроанализатор многоканальный - он может служить основой распределённой системы вибрационной диагностики, содержащей более одного вибродатчика.

В настоящее время большинство виброметров относится к одному из двух типов:

1. Оптический виброметр
2. Пьезоэлектрический виброметр

Рассмотрим более подробно каждый тип датчиков.

Оптический виброметр

В основу работы оптического виброметра подобно ультразвуковым датчикам перемещения положен эффект Доплера. Прибор обычно содержит лазерный источник излучения, приёмную оптическую схему, а также электронную схему обработки (Рисунок 2). При отражении излучения от неподвижного объекта длина волны принятого луча не отличается от истинной длины волны лазера. Если объект перемещается вдоль оси излучения, происходит сдвиг длины волны отражённого излучения на некоторую величину (эффект Доплера), значение и знак которой несут информацию о скорости и направлении движения объекта, а используемая в составе приёмного оптического модуля интерферометрическая схема позволяет определить эту величину. Таким образом, колебания отражающей поверхности модулируют частотный сдвиг, и электронная обработка этого сигнала модуляции позволяет получить параметры вибрационных колебаний.

Рисунок 2. Схема оптического виброметра.

Несмотря на то, что в состав оптических виброметров входит источник лазерного излучения, такие приборы достаточно безопасны, поскольку за счёт высокой чувствительности приёмной оптической системы для проведения измерений достаточной оказывается весьма незначительная оптическая мощность.

Одним из основных достоинств оптических виброметров является то, что диагностика с их помощью может проводиться бесконтактно, при их использовании в стационарном измерительном комплексе требуется лишь однократная фокусировка на измеряемой поверхности. Кроме того, устройства этого типа обладают высокой точностью и быстродействием, поскольку лишены подвижных элементов. К недостаткам можно отнести довольно высокую цену.

Пьезоэлектрический виброметр

Как ясно из названия, в основу работы данного типа приборов положен пьезоэффект - явление возникновения разности потенциалов на пьезокристалле при его механической деформации. Внутри корпуса виброметра содержится инертное тело, подвешенное на упругих элементах, содержащих пьезоэлектрический материал (Рисунок 3). Если корпус прибора прикреплён к вибрирующей поверхности, упругие элементы зарегистрируют колебания инертного тела, которое не прикреплено непосредственно к корпусу, а потому стремится сохранять своё первоначальное положение. В целом, в данной конфигурации пьезоэлектрический виброметр есть не что иное, как акселерометр, и часто довольно сложно провести границу между этими видами чувствительных устройств.

Рисунок 3. Схема пьезоэлектрического виброметра.

Электрический сигнал с пьезокристалла, как правило, подаётся на аналогово-цифровой преобразователь, и его обработка осуществляется в цифровом виде. В целом, как и в случае с оптическим виброметром, основным назначением приёмного чувствительного блока является преобразование вибрации в электрический сигнал, а характер его дальнейшей обработки определяется параметрами цифровой электронной схемы.

Основным недостатком этого класса приборов является необходимость соприкосновения чувствительной части с измеряемым объектом, что не всегда уместно в условиях производства. Кроме того, пьезоэлектрические приборы имеют, как правило, более узкий диапазон воспринимаемых частот, поскольку имеют механический тракт передачи вибрации, где максимальная частота определяется инертностью компонентов.

К достоинствам пьезоэлектрических виброметров можно отнести их относительно невысокую стоимость, а также относительно простое устройство, что обеспечивает надёжность и устойчивость к внешним воздействиям.

Конечно, можно приобрести охранный блок в магазине. На рынке представлены различные девайсы. Но что делать, если вы не хотите переплачивать за разные опции. К тому же руки у вас растут откуда нужно. Нет проблем!

Можно собрать вполне приемлемый вариант самому. У этой автосигнализации нет ничего лишнего: управления центральным замком, радиобрелка. Зато самоделка обезопасит ваш автомобиль от проникновения при помощи концевых выключателей дверей и багажника. А также при помощи датчика удара-вибрации предупредит владельца об откручивании, например, колёс. Кстати, знаете ли вы, что отключить злоумышленнику такого рода сигнализацию гораздо сложнее. Он ведь не знает, что вы там могли внедрить. К тому же при отсутствии брелка степень защиты во много раз повышается,так как автожулики не смогут считать код (ведь известно, что большинство взломов происходит этим методом).

Схема устройства

Принцип работы заключается в следующем. Сигнал с A1 датчика вибрации поступает на усилитель, который выполнен на VT1, VT2 и управляет тиристором VS1. На базу транзистора VT2 также поступает сигнал от концевых выключателей дверей, капота, багажника. На транзисторах VT3,VT4 собран таймер, который управляет анодом тиристора VS1. В цепи базы VT3 используется конденсатор большой ёмкости C3. Благодаря чему при постановке на охрану надёжно спрятанном тумблером C3 начинает заряжаться через сирену автомобиля и цепь из резисторов R6,R7. В процессе заряда конденсатора VT3,VT4 будут закрыты, следовательно, тиристор VS1 заперт. Благодаря чему схема встаёт под охрану с некоторой задержкой, давая водителю время покинуть авто и закрыть дверь.

По прошествии 20 секунд конденсатор C3 набирает ёмкость, VT3 открывается и включает охрану в работу. Предположим, произошло воздействие на автомобиль или вскрытие какой-либо двери. Тиристор VS1 отпирается, начинает заряжаться C4 через VS1, VT4, R10. Тиристор устроен таким образом, что он остаётся открытым при прохождении постоянного тока. При закрывании двери (прекращении сигналов) тревожная сирена будет извещать владельца о проникновении. Если срабатывание датчиков произошло с появлением владельца, то за время заряда C4 (20 секунд) он отключит замаскированный тумблер. Если этого не сделать, то откроются VT5,VT6, включится реле KV1 , которое в свою очередь подключит сирену. Чтобы не беспокоить соседей и самому не бежать к автомобилю во время ложных срабатываний, как например проезжающий мимо грузовик, в данной автосигнализации реализована функция ограничения времени тревоги. Действует она следующим образом. Когда контакты KV1 замкнуты и ток протекает через R6,R7 , заряжается конденсатор C3. Через небольшое время закроются VT2, VT3, VS1, VT5, VT6 и реле KV1 отключится и снова возьмёт под охрану.

Какие детали можно использовать для реализации схемы. Требования к ним не критичные. Конденсаторы и резисторы любого типа, желательно малогабаритного. Реле KV1 с рабочим напряжением 12 вольт и током катушки в пределах 100 мА.Силовые контакты реле должны выдерживать ток в 5 А. Но можно снизить до 0,5 А, если применить промежуточное реле.

Датчик вибрации A1 не сложно изготовить самому. Он выполнен в виде катушки со стальным сердечником, от которого на небольшом расстоянии закреплен постоянный магнит на плоской пружине. При малейшем ударе по кузову автомобиля колебания через пружину передадутся на магнит. Тот в свою очередь создаст переменное магнитное поле, которое наведёт ЭДС в катушке. Последняя размером Ø10Χ15 мм мотается на сердечнике Ø3 мм из стали. Для обмотки используют медный провод 0,06...0,07 мм. Магнит с размерами 25Χ10Χ5 мм при помощи клея и ниток нужно закрепить на пружине. В качестве которой можно использовать пружину от будильника. Длина последней выбирается в пределах 60 — 80 мм. В процессе сборки датчика удара следует обратить внимание на то, чтобы магнит мог располагаться как можно ближе к боковой стороне катушки. Готовый датчик вибрации следует располагать в пространстве так, чтобы магнит имел возможность совершать колебания перпендикулярно поверхности земли.

Самодельный датчик вибрации

Теперь остаётся самое главное — спрятать тумблер, через который подаётся питание на схему. К этому вопросу стоит подойти с не меньшей ответственности. Поскольку вам придётся пользоваться им постоянно, ну а злоумышленник не должен его обнаружить.

Датчики вибрации Ардуино (их еще иногда называют датчиками сигнализации) применимы для выявления внешних воздействия вибрационного характера и широко используются в противоугонных автомобильных системах, различных охранных сигнализациях, позволяют детектировать вибрации при начинающемся землетрясении. В этой статье мы рассмотрим строение датчика и схему подключения к платам Arduino.

Основной элемент датчика – металлическая пружина гибкой структуры, расположенная во внутренней части трубки из пластика. При наличии каких-либо воздействий на нее она начинает колебаться. Усиление сигнала происходит за счет его подачи сначала на операционный усилитель, а потом на выход аналогового типа. Важным элементом датчика вибрации является потенциометр, который регулирует чувствительность прибора, и позволяет устанавливать необходимый порог срабатывания.

Датчик вибрации имеет три выхода:

• Земля;
• Питание;
• Выход аналогового сигнала А0.

Находящийся на плате потенциометр позволяет настроить его чувствительность. Он представляет собой переменный резистор c сопротивлением регулируемого типа. На плате датчика также присутствуют светодиоды, которые сигнализируют о наличии питания. Кроме того, некоторые разновидности оснащаются цифровым выводом D0, который выдает логический ноль при достижении порогового значения уровня вибрации.

В состоянии покоя модуль находится в разомкнутом состоянии, и протекания тока по нему нет. При наличии внешних вибрационных воздействий за счет раскачивания пружины происходит кратковременное замыкание контактов. В результате происходит сработка датчика, и на выходе появляется логический 0.

Срабатывание датчика происходит в независимости от его пространственного расположения.

Технические параметры датчиков вибрации для Ардуино (могут отличаться в зависимости от модели устройства):

• Питающее напряжение от 3 до 5 В;
• Ток потребления 4-5мА;
• С наличием или отсутствием цифрового выхода;
• С наличием или отсутствием регулировки чувствительности.

Датчики могут отличаться по весу и габаритам, но обязательно содержат монтажное отверстие для крепления к плате.

Варианты применения

Наиболее актуальным применение датчиков вибрации может быть реализовано в сфере охранной сигнализации различного назначения. За счет высокого уровня чувствительности такие устройства могут реагировать на вибрации широкого диапазона интенсивности, улавливая колебания во всех плоскостях. Благодаря простому способу подключения, датчики вибрации применяются для реализации самых разнообразных проектов:

• Системы охраны;
• Сигнализации;
• Электронные замки;
• Детекторы движения;
• Противоугонные системы;
• Сейсмостанции;
• Детские игрушки;
• Бытовые приборы;
• Спортивный инвентарь.

Пример реализации

Схема подключения датчика вибрации к ардуино

Вариантом использования вибрационного датчика может стать охранная сигнализация, в которой при ударе о поверхность, с закрепленным на ней устройством, происходит сработка (в данном примере загорится светодиод, присоединенный к пину 13). Для проекта следует подготовить такие детали:

• плату Arduino Uno;
• датчики вибрации 801S или Logo sensors v1.5;
• макетную плату;
• соединительные провода.

Сборка схемы производится согласно рисунку. Цифровой вывод DO соединяем с цифровым пином 2. При наличии вибраций значение сигнала многократно увеличивается и при достижении порогового значения, которое устанавливается потенциометром, на вывод DO подается логическая единица. Мы обрабатываем эту ситуацию, считывая значение функцией digitalRead, после чего подаем с помощью функции 5В на порт 13 и загорается встроенный в плату светодиод.

Пример скетча

Поискал тут в темах про балансировки, многие просят помощи что-нибудь отбалансировать, поэтому, думаю, эта тема будет полезна, чтобы собрать очень простое устройство как раз для этих целей.

У китайских братьев есть 3-х координатные датчики положения, которые очень неплохо реагируют на вибрацию, тем более, что именно они применяются в промышленных приборах. Для экспериментов заказал 5 штук Через 3 недели получил и решил сразу посмотреть как они работают. Собрал стенд из точила, которое использую для испытания зажиганий мопедных двигателей Д6,Д8. Между валом и магнитом есть небольшой зазор, который обычно выбирается витком изоленты, но тут как раз изоленту убрал, чтобы нарушить центровку магнита на валу. Магнит сместил специально по направлению метки, чтобы более тяжелый сектор уже изначально был помечен. Вибрация получилась, конечно, незначительная, но этого оказалось вполне достаточно, чтобы увидеть результат.

Вот что из себя представляет стенд:

Питание подал от 3-х АА батареек 1,5*3=4,5 вольта.

Ниже сигнал с датчика на осциллографе. Снимать сигнал можно с 3-х координат, но я взял координату Z , т.к. датчик прилепил к точилу на двухсторонний скотч и вибрация происходит как раз по этой координате.

Сигнал сначала смотрел однолучевым осциллографом, но потом подсоединил датчик холла и подал сигнал на двухлучевой, чтобы видеть как работает датчик в угловом положении. Как видим, вибрация видна очень хорошо в виде синусоиды. Также на синусоиде можно заметить помехи от коллекторного двигателя. Забегая вперед, в последствии, помехи мешать не будут, т.к. плата усилителя будет собрана прямо рядом с датчиком, а тут у меня даже не экранированный провод около 1,5 метров(чувствительность осциллографа на этом канале 0,2 вольта на деление и развертка 2 мс/дел) .

Быстренько накидал схемку в Протеусе(На схему на Протеусе сильно внимание обращать не стоит - она не окончательная. Правильная и окончательная опубликована ниже) .

Как работает схема: Сигнал с "датчика"(желтый) усиливается операционным усилителем U1(синий сигнал на его выходе) и дальше сравнивается компаратором U2. Уровень для сравнения подбирается переменным резистором, чтобы поймать самый верх синусоиды, тем самым сужается сектор подсветки светодиодом и, таким образом, будет найден самый "тяжелый сектор". Найдя "тяжелый сектор", для балансировки необходимо либо облегчать этот сектор, либо с противоположной стороны подвешивать груз.

А это уже отлаженная схема устройства:

Схема очень простая и работает по принципу стробоскопа, при этом кроме неё не надо ни каких приборов.

Так выглядит стенд:

Датчик вибрации пришлось перевернуть, иначе метка светилась с противоположной стороны. :)

А это видео работы датчика вибрации на стенде:

Как видно на видео, чувствительность получилась очень высокой, что даже легкое постукивание по стенду вызывает вспыхивание светодиода. Кроме этого, регулятором уровня можно очень четко "выловить" самый пик сигнала с датчика, причем любого уровня и можно настроить такой порог, что датчик начинает срабатывать даже на разговор или шаги около стенда. :)

На видео есть момент, где мне немного трудно было поймать нужное положение регулятора уровня, т.к. оно оказалось близким к середине регулировки переменного резистора, а он, как назло, попался с фиксацией середины и норовил как раз установиться на ней.

Итог: Идея работает и еще как, т.е. с помощью такого простого устройства можно балансировать хоть вентиляторы, хоть точило. На профессиональное применение устройство не претендует , но несомненно окажет помощь при любой балансировке, если нет других приборов.

Схема простого, но чувствительного датчика вибрации на ОУ LM358. Устройство наладки не требует и начинает работать сразу. Реагирует на шаги с расстояния в несколько метров.

Схема вибродатчика показана на рисунке ниже:

В качестве датчика используется плоский пьезоизлучатель от наручных часов либо похожий. Провод от центральной пластины пьезоэлемента подключается ко входу ОУ. Сам пьезоэлемент закрепляется на контролируемой поверхности. Для усиления чувствительности к основанию пьезоэлемента можно прикрепить небольшую пружинку с грузиком таким образом, чтобы пьезоэлемент работал на изгиб. В спокойном состоянии напряжение на неинвертирующем входе U1 на несколько милливольт ниже, чем на инвертирующем. Поэтому на выходе U1 (выв.1) присутсвует напряжение, близкое к 0 (лог.0). При появлении вибрации на выводе 3 ОУ появляется дополнительное напряжение, которое в сумме с постоянным напряжением от делителя R3-R1-R2 оказывается выше, чем на выводе 2. ОУ переключается, и на его выходе появляется напряжение, близкое к напряжению питания (лог. 1). Таким образом, на выходе датчика формируются прямоугольные импульсы в такт с вибрацией. Выходной сигнал подается на 2 контакт разъема J1.

Резистором R1 подбирается чувствительность датчика. Его номинал может колебаться от 0.33 Ом до 10 Ом. Чем меньше сопротивление - тем выше чувствительность. Кондерсатор С1 выполняет роль фильтра, исключая ложное срабатывание от одиночных импульсов. Резисторы R2 и R3 должны быть одинакового сопротивления от 1 до 3 кОм. Резисторы R4 и R5 тоже должны быть одинакового сопротивления от 47 до 200 кОм.

Датчик может питаться напряженим от 4 до 12 вольт. Резистор R6 ограничивает выходной ток в случае напряжения питания больше 5 вольт и чувствительной нагрузке на выходе. Выход датчика модет быть подключен к микроконтроллеру или транзистору, управляющему, например, реле. Также к выходу датчика может быть подключен светодиод или вольтметр.

Датчик может быть собран на печатной плате, чертеж которой представлен на рисунке:

Пьезолемент подключется через разъем слева. Провода к нему должны быть скручены между собой.