描述

介紹

本文介紹了一種工程方法和實踐方法，用于測量、量化和可視化來自遠(yuǎn)處的振動波。什么是振動波，為什么我們需要測量它們，下面將詳細(xì)介紹。

對此有無窮無盡的應(yīng)用，但有幾個方便的例子是：知道是否有人在家，電機(jī)是否很快就會發(fā)生故障，或者是否發(fā)生地震及其震級，等等。提高振動意識有助于設(shè)計智能防盜系統(tǒng)，或在故障發(fā)生前預(yù)測故障等等。它還可以幫助您學(xué)習(xí)更多實用的東西并使用它，而不是像在學(xué)校或大學(xué)那樣純理論。

我們將測量從運(yùn)行中的有刷直流電機(jī)的激勵源傳播的振動。這將為進(jìn)一步探索和擴(kuò)展其他來源提供背景。

為了實現(xiàn)我們的目標(biāo)，有幾種方法。一種是：獲得一個 3 軸加速度計 IC，并開發(fā)一個 PCB，然后測量該軸上的 g 力，并通過 SPI 或 I2C 通知微控制器。有一些非常敏感的 IC 能夠以高達(dá) 24 位的分辨率進(jìn)行測量，并且需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施和開發(fā)才能正常運(yùn)行，通常這些更適合工業(yè)或科學(xué)用途。這種方法的范圍是使用更實惠、更易于使用的技術(shù)，這些技術(shù)也可以安裝在機(jī)器人上并隨身攜帶，并在需要時立即應(yīng)用。

運(yùn)載系統(tǒng)和研究平臺采用了“KenjiX1”機(jī)器人和“Physalis Labs”的傳導(dǎo)振動掃描探頭。幾乎所有類型的傳感器和探頭以及大多數(shù) IC 和傳感器都是根據(jù) Pierre 和 Marie Curie 發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)制成的。

使用KenjiX1的探頭使用方便，即使剎車，也可以輕松更換。有幾種類型的探頭可用，主要區(qū)別在于探頭的幾何形狀，然后將其應(yīng)用于表面，其設(shè)計方式可以與表面形成良好的接觸，這樣波浪就可以更輕松地穿過一個物體（表面）到另一個物體（探頭）并引起微小位移。位移然后導(dǎo)致晶格內(nèi)部的微變形，這就是探針的簡要概念。

KenjiX1 機(jī)器人可以使用多種類型的探頭。對于我們的測試，我將使用扁平探頭（圖 1）。它旨在用于平坦或玻璃狀的表面、墻壁和屬于該類別的所有東西，基本上是在所有平坦的東西上。它的遠(yuǎn)端有一個帶臂的壓電傳感器，安裝起來毫不費力。

圖。1。帶圓形扁平圓盤的導(dǎo)電探頭。

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用品和消耗品......

儀器、工具和用品：---------------------------------------- -

1. 帶有終端程序（Putty 和 TeraTerm）的筆記本電腦（任何 Linux、MacOS 或 Windows 機(jī)器）。

2. KenjiX1 開源遠(yuǎn)程機(jī)器人平臺振動測量探針（平面幾何）來自http://physalislabs.org/

3. 用于數(shù)據(jù)評估的 OriginLab 軟件。

4. 可調(diào)節(jié)實驗室電源或僅電池為有刷直流電機(jī)供電。

5. 有刷直流電機(jī)。

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讓我們從每個步驟的簡短描述開始：

· 安裝終端軟件（TeraTerm、Putty、Windows和 Xterm 或類似的 Linux）。在這里，我將使用 TeraTerm，因為我目前正在 Windows 機(jī)器上工作。但是你可以為你合適的機(jī)器選擇你喜歡的終端軟件。

· KenjiX1 平臺，導(dǎo)電探針（平面）由“Physalis Labs”提供。

· 到OriginLab網(wǎng)站下載安裝程序，然后從https://www.originlab.com/安裝“OriginLab”軟件。通常它是付費的，但您可以試用一個月。稍后您可以決定保留、刪除或刪除它。該軟件與 Windows 機(jī)器更相關(guān)，

· 能夠為上述任何電機(jī)供電的常規(guī)實驗室電源都可以，或者只使用電池，請確保為電機(jī)使用正確的電壓。

圖 2。使用合適的電源為有刷直流電機(jī)接線。

· 從損壞的電子設(shè)備或其他類似設(shè)備中回收的有刷直流電機(jī)也是一種選擇。確保電機(jī)和電源/電池的電壓匹配，否則它不會運(yùn)行，或者如果運(yùn)行，將非常慢，如果電壓低于規(guī)格，或者運(yùn)行速度超快，如果超出規(guī)格太高。

這就是材料和工具……現(xiàn)在我們終于可以開始研究獲取正在運(yùn)行的有刷直流電機(jī)的振動曲線。

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振動急劇下降

它們大量出現(xiàn)在我們周圍和自然界中。因此，了解它們的來源和發(fā)生的原因至關(guān)重要。對振動的持續(xù)監(jiān)測讓人們意識到可能發(fā)生的地震和其他自然災(zāi)害。

另一方面，監(jiān)測各種振動及其幅度（即振幅）有助于防止機(jī)械和復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)生故障和停機(jī)，這些系統(tǒng)始終在線并在我們周圍工作。在發(fā)電廠、工廠、生產(chǎn)線中，需要持續(xù)驗證振動本底噪聲。對于所有正在運(yùn)行的硬件、機(jī)電和機(jī)械系統(tǒng)，要注意它們的磨損。它不僅可以幫助節(jié)省維護(hù)成本，還可以減少由于此類復(fù)雜硬件系統(tǒng)的意外故障而導(dǎo)致的痛苦停機(jī)時間，并導(dǎo)致進(jìn)一步的問題。

通常這個主題在物理學(xué)和其他自然科學(xué)學(xué)科以及重數(shù)學(xué)方面有巨大的支持 (°_°)。在這里，我將跳過它并在實際應(yīng)用程序中獲得更多物理知識。

通常振動在兩個域中測量，時間和頻率。

圖 3。幾個激勵源的圖形表示 c（振幅與頻率）、b（振幅與時間）、a（振幅與頻率和時間）。

如圖（圖 3）所示，激勵源可以產(chǎn)生正弦波，具有較高或較低的頻率，剛好或瞬間出現(xiàn)的尖峰。我們可以測量在兩個域中傳入的波：時間，這意味著效果/波隨著時間的變化而被觀察到（圖 3.b.），以及頻率，這意味著我們觀察到效果/波產(chǎn)生的能量頻率帶寬（圖 3.c.）。您需要應(yīng)用傅里葉變換才能從 (Fig.3.b.) 移動到 (Fig.3.c.)。

圖 4。振動波從激發(fā)源通過固體傳播到 KenjiX1 并在導(dǎo)電探針內(nèi)部引起微位移的圖示。

我創(chuàng)建了一個插圖，說明來自激發(fā)源（人在鍵盤、錘子、直流電機(jī)等上打字……）的波如何從一個固體物體（墻壁、桌子、金屬和樓梯）穿過物質(zhì)（固體、液體、氣體） ) 到另一個固體物體，它恰好與我們的導(dǎo)電探針接觸。探頭的平坦表面與波最強(qiáng)烈的介質(zhì)產(chǎn)生接觸，并使波能夠觸發(fā)強(qiáng)烈的微位移，即加速度（g 力），這是良好信號強(qiáng)度的先決條件。

此外，導(dǎo)電探針將信號定向到 KenjiX1 平臺，在那里它由板載 CPU 注冊，或進(jìn)一步穿梭以進(jìn)行處理。

為了遠(yuǎn)程測量振動，我使用了 Physalis Labs 的 KenjiX1 機(jī)器人平臺。它確實是一個很棒的機(jī)器人開發(fā)開源平臺，它彌補(bǔ)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與制造商/修補(bǔ)匠級別小型機(jī)器人之間的差距。有關(guān) KenjiX1 的更多信息，請訪問http://physalislabs.org/projects/kenji/。

啟動 KenjiX1…

到目前為止，我們已經(jīng)完成了振動波的介紹和使用，然后我們簡要介紹了完成任務(wù)的工具和材料，最后是一些理論和信息，它們將幫助我們了解幕后究竟發(fā)生了什么。

現(xiàn)在我們從前面的實際實驗開始。啟動您的筆記本電腦/PC 并連接到您可用的 WLAN 和 KenjiX1。

圖 5。連接到您可用的 WLAN 和 KenjiX1。

使用位于機(jī)器人右側(cè)的綠色發(fā)光開關(guān)（圖 6.b.）為 KenjiX1 通電。請注意，綠色 LED 指示燈應(yīng)亮起，以便能夠為機(jī)器人供電。否則請檢查充電電池是否已連接。開機(jī)完成后，機(jī)器人開始工作，您可以在您的網(wǎng)絡(luò)列表中找到該名稱。使用提供的密碼和 IP 地址連接到它。

（一種）

（二）

圖 6。啟動 KenjiX1。

一旦通電，您將聽到啟動聲音，并且您將被要求在 LCD 顯示屏上“更新動力學(xué)參數(shù)”（圖 6.a）。然后，您應(yīng)該在筆記本電腦上打開終端程序并使用提供的 IP 地址啟動 SSH 會話（圖 7.a）。

（一種）

（二）

圖 7。通過 SSH 遠(yuǎn)程連接到 KenjiX1。

輸入“名稱”和“密碼”（圖 7.b），然后將與 KenjiX1 的板載 SBC aka（Raspberry-Pi）建立成功連接（圖 8.b）。輸入用戶名和密碼，將啟動到 Linux 控制臺（圖 8）。從現(xiàn)在開始，你幾乎可以通過 KenjiX1 的板載 SBC 做任何事情。

圖 8。KenjiX1 的 SBC 上的遠(yuǎn)程控制臺。

我們應(yīng)該在 KenjiX1 上建立最后一個通信節(jié)點，以充分發(fā)揮與機(jī)器人平臺的交互功能。在控制臺（圖 8）中輸入命令“ sudo minicom ”并按回車鍵。您會聽到 KenjiX1 發(fā)出幾聲高音，外殼內(nèi)出現(xiàn)文字。恭喜 (^_^) … 現(xiàn)在您可以訪問 roboDrive 引擎了。從此時起，將與所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點建立活動連接，除非您作為用戶決定斷開它們。

讓我們熟悉一些 roboDrive 引擎的指令集。要查看（圖 9.）中的“幫助/自述文件”信息，請輸入大寫字母“ H ”。在“ Run Control ”中我們可以配置平臺的動力學(xué)參數(shù)：地速、塔臺轉(zhuǎn)速等。

圖 9。遠(yuǎn)程更新動力學(xué)參數(shù)。

讓我們輸入大寫字母“ O ”進(jìn)入菜單。首先，您被要求“輸入車輛地速”、“輸入塔架旋轉(zhuǎn)角速度”等（圖 10.）如下。

圖 10。遠(yuǎn)程更新動力學(xué)參數(shù)。

讓我們將所有需要的動力學(xué)參數(shù)輸入到系統(tǒng)中，如圖 10 所示：它們?nèi)≈捣秶?(0 - 255)。這里 0 代表最快，255 代表最慢，我們以 8 位比例移動。

• 輸入車輛地速 = 50
• 輸入塔旋轉(zhuǎn)角速度 = 5
• 輸入塔垂直速度 = 25
• 輸入機(jī)甲移動速度=30
• 輸入機(jī)臂轉(zhuǎn)動速度(L/R) = 30
• 輸入夾持器夾緊速度 = 20
• 輸入夾持器旋轉(zhuǎn)角速度 = 10

完畢！

好的，讓我們開始以最小速度（50）向前行駛，并讓我們自己熟悉控制：

圖 11。通過 PC 鍵盤控制。

如圖（圖 11.）所示，使用左側(cè)的按鍵（W、A、S、D、X）可以控制機(jī)器人。它類似于 PC 游戲風(fēng)格，您用左手四處移動，右手控制鼠標(biāo)，進(jìn)行四處查看。這幾乎是一樣的，你在 NumPad 上應(yīng)用左鍵來移動，用右鍵來向上/向下環(huán)視等等。

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測量直流電機(jī)的振動曲線

讓我們從測量運(yùn)行中的直流電機(jī)的振動曲線開始。我準(zhǔn)備了一個測試裝置（圖 12），其中電機(jī)通過 Voltcraft 實驗室電源以大約 10 伏的電壓供電。

圖 12。Faulhaber 有刷直流電機(jī)由實驗室供電。電源（黑色）為 10V。

至于現(xiàn)在，電機(jī)一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，軸在旋轉(zhuǎn)。讓我們考慮一下，作為一名工程師，我們有一項技術(shù)任務(wù)是遠(yuǎn)程測量有刷直流電機(jī)的振動曲線。

為了完成該任務(wù)：我們將通過網(wǎng)絡(luò)連接到機(jī)器人，然后我們需要讓機(jī)器人靠近研究對象，將機(jī)載機(jī)械手與導(dǎo)電探針接合并將其放置在有刷直流電機(jī)的框架上，這是某種程度上類似于當(dāng)時航天飛機(jī)的飛行員使用機(jī)械手來捕捉丟失或發(fā)生故障的衛(wèi)星，最后一步獲取數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行評估。

讓我們首先將 KenjiX1 開到測試裝置所在的區(qū)域附近。就我而言，它位于大約 10 米外的設(shè)施中，因此我到達(dá)那里不會花太長時間。但也可能是您控制了所羅門群島某處的 KenjiX1。我正在使用移動鍵（圖 11）在空間中駕駛和導(dǎo)航，慢慢接近直流電機(jī)并在距離它約 30-40 厘米的地方停下（圖 13）。

圖 13。由實驗室提供動力的 Faulhaber 齒輪直流電機(jī)。10V 的電源裝置（黑色）。

是時候部署導(dǎo)電探針并連接到直流電機(jī)的金屬框架了。因此，我從我的遠(yuǎn)程 PC 發(fā)送命令“V”以取消停放 Mecha-arms。它需要一兩秒，現(xiàn)在兩個機(jī)甲臂都處于未停放位置（狀態(tài) 2），這最適合這項任務(wù)。KenjiX1 上通常有幾種狀態(tài)（1-4）可供用戶使用，當(dāng)然你也可以編寫新的狀態(tài)。

只有未停放和嚙合的機(jī)械手不會與直流電機(jī)的框架形成合適的接觸。我將從駕駛切換到機(jī)械手轉(zhuǎn)向控制，并嘗試左右轉(zhuǎn)向左/右上/下以使其工作（圖 14）。經(jīng)過幾次嘗試，我設(shè)法用導(dǎo)電探針圓盤的平面接觸到直流電機(jī)的框架。

圖 14。將未停放的機(jī)械臂定位在狀態(tài) 2 中。

此時此刻，我已經(jīng)設(shè)法與直流電機(jī)取得聯(lián)系。現(xiàn)在，我只需進(jìn)行微小的修正，并通過從左向右輕微移動來微調(diào)探頭位置。機(jī)械臂已經(jīng)將導(dǎo)電探針推向直流電機(jī)的框架，因此連接正確。

圖 15。機(jī)械臂和導(dǎo)電探頭的轉(zhuǎn)向和微調(diào)。

至此，表面與表面的接觸已經(jīng)成功建立。現(xiàn)在是時候從導(dǎo)電探頭請求數(shù)據(jù)并將其保存在我們板載 SBC 的存儲卡中了。

這里有兩個選項：您可以通過“ VNC Viewer ”軟件或在控制臺中通過“ TeraTerm ”軟件（圖 16.b）運(yùn)行帶有圖形用戶界面的 SBC（圖 16.b），我更喜歡后者，但這只是個人喜好的問題，您可以通過兩種方式進(jìn)行相同的操作。

（一種）

（二）

圖 16。左側(cè)是 SBC 圖形用戶界面（VNC 查看器），右側(cè)是控制臺訪問。

通過在 shell 中輸入“ sudo minicom –C userdata_file ”命令，我要求系統(tǒng)通過 minicom 運(yùn)行會話并將所有數(shù)據(jù)記錄在“ userdata_file.txt ”文件中。在這里，我們只是告訴系統(tǒng)將我們的數(shù)據(jù)點（即將推出）保存到名為“ userdata_file.txt”的通用文本文件中。Minicom 初始屏幕打開（圖 17.b）。

（一種）

（二）

圖 17。在捕獲模式下通過 minicom (a) 連接到 roboDrive Engine 控制臺。

現(xiàn)在整理工作已經(jīng)完成，我們可以從導(dǎo)電探針請求 10K 數(shù)據(jù)點，該探針目前正在測量運(yùn)行中的直流電機(jī)產(chǎn)生的振動。

（一種）

（二）

圖 18。請求將 10k 數(shù)據(jù)點流式傳輸給我們并保存在船上。

通過鍵入“ V ”啟動數(shù)據(jù)流以運(yùn)行“掃描儀設(shè)置”（圖 17.a）。它將出現(xiàn)在 shell 中（圖 18.b），輸入“ y ”進(jìn)行確認(rèn)，然后輸入所需的循環(huán)次數(shù)：“ 10000 ”，然后按“ enter ”。一按回車鍵，您就會看到數(shù)據(jù)流直接在 shell 中爆發(fā)。那是發(fā)送給我們并保存在船上的實時數(shù)據(jù)。隨著時間的推移，正在注冊三種類型的數(shù)據(jù)點。實際幅度、最低幅度（閾值）和最高幅度（閾值）。我們在時域中進(jìn)行測量，因此我們在最右側(cè)的列中看到了“時間 [ms] ”值。好的！....

圖 19。隨著時間的推移，來自導(dǎo)電探針的數(shù)據(jù)流。

如上所述，導(dǎo)電探針正在向我們發(fā)送請求的測量周期量。至于現(xiàn)在，我們可以放松一下，喝杯咖啡。根據(jù)您請求的測量周期數(shù)，時間可以更長或更短，因此在一分鐘后，流式傳輸結(jié)束并顯示一條消息“掃描完成”。

但是所有這些原始數(shù)字和神秘的外觀并不是我們所希望的。我想擁有一些我們可以以圖形方式查看的東西會更好，并且可能與其他人共享或在報告中共享。

好的，如果你還記得，在開始數(shù)據(jù)流之前，我們要求系統(tǒng)捕獲并記錄我們與 KenjiX1 的交互，并將其保存在名為“userdata_file.txt”的文件中，該文件現(xiàn)在位于 KenjiX1 的板載 SBC 存儲卡中。

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設(shè)置數(shù)據(jù)分發(fā)

讓我們將該數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)轿覀儺?dāng)前所在的 PC，或者您現(xiàn)在居住的“KenjiX1 的操作員”。在我的電腦上，我可以通過在 Windows PowerShell 中輸入來實現(xiàn)

“ pscp user@192.168.8.134 : home/pi/userdata_file userdata_file.txt ”命令

請注意，您應(yīng)該輸入為 KenjiX1 的板載 SBC 提供的密碼。在我的示例中，該文件將被復(fù)制到“ D:\Users\Arhitect ”文件夾，并在您的 PC 上，具體取決于您的路徑。在 PowerShell 中，通過路徑所在的“ pwd ”命令檢查它。

請安裝“ putty ”軟件以在 PowerShell中使用“ pscp ”又名“putty secure copy ”命令等。https://documentation.help/PuTTY/pscp-usage.html

圖 20。獲取通過 PowerShell 通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給我們的測量數(shù)據(jù)。

該文件已遠(yuǎn)程復(fù)制到我的 PC，位于目錄“ D:\Users\Arhitect ”中。由于我們將工作環(huán)境從Linux換成了Windows，如果打開這個文本文件，會顯得“模糊”（圖21.a.）。

（一種）

（二）

圖 21。使用 Notepad++ 更改 EOL 終止。

我們應(yīng)該對 Windows 機(jī)器進(jìn)行“ EOL ”修正。在上下文菜單中，單擊“使用 Notepad++ 編輯”，如果您沒有 Notepad++，只需從此處獲取它https://notepad-plus-plus.org/downloads/。

圖 22。將 EOL 轉(zhuǎn)換更改為 Windows(CR LF)。

單擊以在 Notepad++ 中編輯文件，當(dāng)其打開時，在程序中，轉(zhuǎn)到“菜單”，然后“編輯”，然后“ EOL 轉(zhuǎn)換”，然后點擊“ Windows(CR LF) ”并通過“ CTRL-S ”保存文件并關(guān)閉記事本++。這樣，我們將“行尾”終止更改為 Windows 樣式。如果我們現(xiàn)在打開文件，它看起來類似于（圖 19.）數(shù)據(jù)流。

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可視化測量數(shù)據(jù)

有幾種方法可以可視化測量數(shù)據(jù)，并且它們都以自己的方式很好地實現(xiàn)。歸根結(jié)底，如何可視化數(shù)據(jù)取決于您。我選擇了 OriginLab Pro。它確實是一款非常棒的軟件，已經(jīng)存在了很長時間。特別是如果你和科學(xué)家一起工作過，你可能已經(jīng)遇到過，因為它在那些圈子里真的很受歡迎。

我們將從在 PC 上運(yùn)行該軟件開始，通常它會打開一本新的空書

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圖 23。在 PC 上運(yùn)行 OriginLab Pro 軟件。

我將導(dǎo)入我們復(fù)制到我的 PC的“ userdata_file.txt ”。OriginLab 在“菜單”和“文件”部分下有一個導(dǎo)入向?qū)?/font>。首先在一個空的數(shù)據(jù)簿上單擊一次并激活它，然后去導(dǎo)入并將文件導(dǎo)入為“single ASCII”，或者如果您通過“single ASCII”導(dǎo)入數(shù)據(jù)時遇到問題，也可以嘗試“導(dǎo)入向?qū)А薄?/font>

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圖 24。在 PC 上運(yùn)行 OriginLab Pro 軟件。

“導(dǎo)入向?qū)А睘槟峁┝烁嗖僮鬟x項，您可以更改“分隔符”名稱等內(nèi)容。您可以嘗試各種場景以找到最令您滿意的最佳選擇。最終在成功導(dǎo)入后，您幾乎可以在我們導(dǎo)入的每一列的頂部看到一些小縮略圖。

每列在 OriginLab 軟件中都有其專用名稱，因此列 C(Y)、F(Y)、I(Y)、M(X) 是我們導(dǎo)電探頭的 3 倍振幅，正如您還記得我們在時域中工作，因此最后一個是時間。您應(yīng)該明確告訴程序哪些軸應(yīng)該繪制為 X 軸，哪些軸應(yīng)該繪制為 Y 軸。我會告訴程序繪制依賴關(guān)系

這意味著包含所有時間值的“M(X)”數(shù)據(jù)集將被繪制為 X 軸和所有其他“ C(Y)、F(Y)、I(Y) ”，它們包含振動波振幅作為 Y 軸。為了更好地概述，我將 M(X) 數(shù)據(jù)集除以 1000 以獲得以秒為單位的時間。否則 X 軸的值太高。

我們總共將在一張圖中繪制 4 個數(shù)據(jù)集：

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圖 25。在 KenjiX1 機(jī)器人上測量的運(yùn)行有刷直流電機(jī)振動曲線。

最后，我們有了它……在（圖 25.）中，我們將測量數(shù)據(jù)可視化并從中創(chuàng)建了一個漂亮且信息豐富的圖表，可以將其包含在報告或技術(shù)文檔中。

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