先畫出感測器與機台的兩套座標
三軸感測器有X、Y、Z,不代表它們自動等於機台的軸向、水平與垂直。安裝旋轉九十度後,數值可能仍合理,趨勢卻已換成另一個方向。先把感測器外殼上的軸箭頭、安裝面與機台座標拍照或畫成標示圖,再開始比較資料。
本篇以一般三軸加速度量測為例。建立右手座標的機台X為前進方向、Y為左側、Z為上方;這是案例定義,不是所有設備的通用命名。另記感測器自身的正軸方向、序號、安裝位置與通道對應,避免把資料庫欄名當成實體方向。
先分辨感測器是否能量直流。可量直流的MEMS加速度計可以利用靜止重力作方向檢查;一般壓電式IEPE振動感測器與交流耦合採集鏈不保留穩態重力,不能翻面後要求一定看到正負一g。方法要跟產品頻率響應一致。
方向核對與動態校正也不同。確認X通道對應機台前進方向,並不能證明靈敏度、頻寬與相位誤差合格。交付時分開列方向確認、比例確認與動態校驗,避免一張安裝照片被當成完整校正證明。
可量直流時 用六個靜止姿態核對
在允許拆下且不影響設備安全的測試條件,依感測器手冊將每個正軸及負軸分別朝向重力參考方向,形成六個姿態。每次固定後等晃動消失,保存三軸原始值、平均值、品質與姿態照片,不能拿手持晃動中的瞬間值判定。
正負號以產品定義為準。一般加速度計輸出常表示比力,靜置時朝上的軸可能讀正一g;不要直接把地球重力向下就推論該軸一定負值。先用手冊的方向圖,確認感測器正方向與輸出符號的關係,再寫驗收表。
例如某軸在已知正向一g時讀1.02g,反向時讀−0.98g。兩端平均是0.02g,可作該條件下的偏置估計;兩端差除以二是一g對應的量測跨度。這只是兩點近似,不能消除安裝歪斜、交軸靈敏度與溫度漂移。
同時看其他兩軸是否接近各自零位。如果把感測器X翻轉,卻是資料欄Y出現主要變化,先查接線、通道名稱與軟體映射。若三軸都有顯著變化,先檢查姿態是否真正對準,不急著用軟體把其餘軸清零。
把感測器轉回起始姿態再量一次,確認夾具、接線與零位沒有因測試改變。驗收允差依產品規格、參考姿態誤差與用途制定,本文不指定所有三軸感測器都要符合某個固定百分比。
交流振動感測器 改用已知方向激勵
對不能量穩態重力的振動感測器,採廠商允許的校驗器或振動台,在已知方向及頻率施加可追溯激勵。保存安裝方式、鎖付條件、參考感測器與採集設定。不要以敲擊機台的感覺,替代可重現的方向與靈敏度驗收。
若激勵沿感測器X軸,主要響應應出現在X通道,其他方向的訊號則需按交軸靈敏度與夾具行為解釋。不能要求其他軸絕對為零,也不能看到某軸最大就直接宣稱裝對,因為夾具共振與機構耦合可能放大別的方向。
RMS與振幅都是非負量,單靠它們不能識別正負方向。若要判斷通道是否反相,需與同步參考比較波形或相位,並核對感測器、調理器與採集通道的極性。兩個不同時鐘的紀錄沒有同步證據,就不能直接用相位差判接反。
測試頻率要落在感測器與整條採集鏈可用頻帶內。交流耦合的低頻衰減、濾波群延遲與安裝共振都可能影響判斷;先列出各段頻帶,再選校驗點,不能以遠低於截止頻率的緩慢晃動證明感測器故障。
完成後應有一張方向對照表:實體激勵方向、感測器軸、資料通道、符號或相位關係及參考來源。只有資料通道名稱而沒有實體方向證據,維護人員下次重裝仍可能交換X與Y。
用座標轉換固定軸向映射
若安裝使感測器X對應機台Y、感測器Y對應機台負X、感測器Z對應機台Z,可寫機台X=−感測器Y、機台Y=感測器X、機台Z=感測器Z。這是一個保持右手座標的旋轉例子;不要任意只翻一軸卻稱為純旋轉。
用離線向量核對映射:感測器資料為(1,0,0)時,機台結果應是(0,1,0);感測器(0,1,0)則變成(−1,0,0)。這種基底測試能抓到行列放反、軸交換與符號錯誤,比只看一段複雜振動曲線容易。
一般角度安裝可用旋轉矩陣,但要記錄它是把哪個座標轉到哪個座標,以及列向量或行向量慣例。轉換前後向量長度在理想純旋轉下相同;若長度改變,先查矩陣、單位與比例,不能先怪感測器。
保留原始三軸與轉換後三軸,附安裝版本及轉換版本。感測器更換、支架重裝或軸定義改版時,歷史資料仍要能用當時的映射重算。不可直接覆寫歷史欄名,讓以前的水平振動變成現在的垂直振動。
失敗時依序查實體標示、通道配對、單位與靈敏度、方向映射,再查動態頻帶與相位。若只有高頻時方向判斷異常,安裝與共振更值得檢查;若所有頻率都交換同一對軸,優先追通道與轉換。
完成結果與常見問題
完成驗收後,交接者應能從資料點追到感測器序號、安裝照片、三軸定義、原始通道與轉換版本。方向、靈敏度及動態測試的已驗證範圍分開記錄,未執行振動台校驗就不標成動態精度通過。
練習將前述映射用於感測器向量(1,2,3),機台結果為(−2,1,3),兩者長度平方都是十四。若算成(2,1,3),長度仍相同卻方向錯誤,所以長度檢查不能取代基底與符號測試。
FAQ1:三軸RMS相同就代表方向正確嗎?不是,RMS不保留符號,也可能受機構耦合影響。
FAQ2:所有加速度計都能用翻面一g測試嗎?不能,須確認可量直流,交流耦合與壓電式有其限制。
FAQ3:軟體交換X與Y就完成校正嗎?那只修正映射,仍需檢查比例、偏置、安裝與頻帶。
FAQ4:轉換前後長度相同就一定正確嗎?不一定,還要核對實體方向、符號與座標慣例。
參考:Analog Devices AN-1057:重力投影、傾角與多軸校正限制。
參考:Analog Devices:交流加速度校正與振動台軸向對準。