Atmega328 и ADXL335 - это правильный выбор для анализа вибрации?

Мои основные проблемы связаны со скоростью дискретизации ATMEGA328P

ATmega328 может производить дискретизацию до ~10 кбит / с (килограммовые выборки в секунду) в нормальной конфигурации и с 10-битным разрешением АЦПили надежно и с хорошим (почти 10-битным) разрешением до ~50 кбит / с, если вы ускоряете тактовую частоту АЦП. Вы можете стать еще быстрее, если хотите сильно пожертвовать разрешением выборки, но на более высоких скоростях этот процессор слишком медленный, чтобы даже надежно захватывать данные и передавать их или хранить,поэтому вам следует перейти к гораздо более мощному и качественному микроконтроллеру, такому как 32-битный Arduino Zero. Portenta, или не-Arduino STM32, или что-то в этом роде.

Пример ускорения ATmega328 для дискретизации до ~50 кГц:

Смотрите мою библиотеку здесьи мою первоначальную статью о ней здесь.

#include <eRCaGuy_NewAnalogRead.h>

void setup()
{
    adc.setADCSpeed(ADC_FAST); // теперь analogRead() будет работать до ~50 кГц
}

void loop()
{
    // теперь эти показания могут быть сделаны до ~50 кГц
    uint16_t reading = analogRead(A3); 
}

Я не помню точных деталей настройки часов АЦП, но все это есть в спецификации ATmega328 и в моем коде, который вы можете изучить по ссылке библиотеки выше, и вы можете посмотреть на сайте Ника Гэммона здесь: https://www.gammon.com.au/adc.

Как быстро вам нужно сделать пробу? Только вы можете ответить на этот вопрос.

Возможно, вы читали какую-то академическую статью, в которой говорится, что вибрации 102 кГц на двигателе диаметром 5 см из материала X могут вызвать микротрещины в материале, если он будет подвергаться воздействию в течение 100 часов. Ну, в этом случае вам нужно пробовать по крайней мере 204 кГц (в 2 раза больше интересующей частоты), чтобы увидеть, существуют ли вибрации 102 кГц.

Или, возможно, вы просто хотите использовать БПФ для определения оборотов двигателя, так как он почти наверняка будет иметь доминирующую частоту на своей частоте вращения из-за несовершенного баланса двигателя. В этом случае достаточно выборки при 2-кратном максимальном обороте в минуту (но в выборках в секунду, а не в минуту). Вы указали максимальную скорость вращения 3000 об/мин, так что это 3000 оборотов в минуту х 1 мин/60 сек = 50 Гц. Поэтому, чтобы определить свои обороты в минуту по выборке вибрации, вам нужно пробовать по крайней мере в 2 раза быстрее, чем сейчас, или 100 Гц или выше.

Помните, что все это-частотные штучки Найквиста. Все, что говорит частота Найквиста, это [моими собственными словами]:

вы можете обнаружить только частоту до 1/2 от вашей частоты дискретизации

...или иначе сказано [моими собственными словами]:

вы должны пробовать с частотой 2x независимо от того, какую частоту вы пытаетесь измерить

Любая частота дискретизации ниже этой, и вы получаете сглаживание, и математически и физически невозможно определить, существует ли более высокая частота. Любые частоты выше 1/2 вашей частоты дискретизации, которые, по-видимому, существуют в вашем анализе БПФ, должны быть выброшены, так как они недействительны.

Итак, какую максимальную частоту колебаний вам нужно измерить? Это тебе предстоит выяснить. Если вы хотите найти износ зубьев шестерни (например, сломанный, треснувший или отсутствующий зуб шестерни), вы можете сделать некоторые оценки, основанные на количестве зубьев на оборот и зная максимальную скорость вращения вашего двигателя в оборотах в секунду.

Пример: предполагая, что 32 зуба за оборот, вы будете вращаться со скоростью 3000 оборотов/мин / 60 сек/мин = 50 оборотов/сек х 32 зуба/гниль = 1600 зубьев/сек. Но, чтобы идентифицировать сломанный зуб, возможно, вам нужно сделать анализ формы волны над этим сломанным зубом, поэтому вы должны пробовать с 5x до 10x такой скоростью, или, возможно, 1600 зубов/сек x 10 образцов/зуб = 16000 образцов/сек = 16 kSps. But...5 образцов на зуб может быть достаточно, или только 8 KSP...

Видите, как некоторые из этих анализов могут работать? Вы должны выяснить, что именно вы пытаетесь выяснить, и соответственно сделать выборку. Если вы не знаете, что пытаетесь выяснить, просто попробуйте как можно быстрее, а затем с помощью этих данных попытайтесь увидеть, что вы можете выяснить из того, что вы только что выбрали! Таковы пути инженерии и любопытных умов! :)

С учетом сказанного, предполагая, что вы используете adc.setADCSpeed моей библиотеки(ADC_FAST); трюк, вы можете сэмплировать 1 канал до 50 кГц или 3 канала до 50/3 = ~16 кГц, что означает, что максимальная частота колебаний, которую вы можете обнаружить с помощью FFT для 3 каналов, составляет ~8 кГц с ATmega328. достаточно?

НО у вас будут проблемы с дрожанием, если вы не переведете АЦП в режим непрерывной дискретизации с фиксированным интервалом, и вы не сможете дискретизировать все 3 канала сразу, поэтому, естественно, между ними будет смещение, так как они происходят последовательно один за другим.

Как быстро может быть получен образец ADXL335? (то есть: какова его "пропускная способность" или частотная характеристика?)

Что касается ADXL335, то его технические характеристики показывают, что это аналоговый 3-осевой акселерометр, а не цифровой, поэтому вы ограничены:

1. как быстро АЦП, который у вас есть на вашем микроконтроллере, может дискретизировать датчик (мы уже придумали ~16 кГц (kSps)/канал, для 3 каналов, выше) и
2. какова пропускная способность ADXL335, или максимальная частотная характеристика.

В таблице данных (см. Изображение ниже) говорится, что вы получаете полосу пропускания от 0,5 Гц до 1600 Гц для осей X и Y и от 0,5 Гц до 550 Гц для оси Z, все это зависит от выбранных байпасных конденсаторов c_x, c_yи c_z, которые вы выбираете для него. изображение и подсветка ниже.

Пропускная способность означает просто [по моим собственным словам]:

Полоса пропускания-это максимальная частота, с которой устройство может реагировать на изменения в том, что оно измеряет (например, акселерометр на изменения ускорения).

По определению, полоса пропускания фильтра нижних частот или датчика, реагирующего на высокочастотный вход, равна частоте, на которой измерение измеряемого объекта ослабляется на 3 дБ, или, другими словами, равна 1/sqrt(2) = 0,707 раза. большой, как сама измеряемая вещь. Таким образом, если полоса пропускания акселерометра составляет 50 Гц, то это означает, что если он пытается измерить вибрацию 50 Гц, то измерение, которое он выводит на этой частоте, ослабляется до 0,707 x больше, чем фактическая амплитуда этой вибрации. Поэтому говорят, что этот датчик не может быть надежно использован для измерения более высоких частот, чем эта. Обратите внимание, что поскольку мощность = V^2/R, а правило 0.707 применяется к напряжению, то затухание составляет 0.707^2 = 0.5 для мощности.

Если вы купили свой датчик ADXL335 у Adafruit здесь за $15 (https://www.adafruit.com/product/163), они утверждают:

Конденсаторы фильтра XYZ составляют 0,1 мкФ для полосы пропускания 50 Гц

...это означает, что они выбрали конденсаторы, чтобы придать ему полосу пропускания 50 Гц, или частотную характеристику. Это означает, что датчик ограничен надежным измерением вибраций только до 50 Гц. Затем вы должны сэмплировать по крайней мере в 2 раза эту полосу пропускания, чтобы адекватно захватывать частоты до этого значения, опять же, основываясь на Найквисте. Это означает, что для этой версии устройства Adafruit и с этими выбранными байпасными конденсаторами вы можете производить выборку на частоте 100 Гц или выше, чтобы обнаружить вибрации до 50 Гц (это Герц, а не килогерц!). Даже если вы производите выборку намного быстрее, максимальная надежная частота, которую может измерить это устройство, составляет всего до 50 Гц, прежде чем затухание его измерений станет серьезной проблемой. Независимо от того, осуществляется ли выборка при 100 Гц или 1000 Гц, частота, которую этот датчик может измерять, в этой конфигурации составляет только до 50 Гц, что составляет всего 50/сек x 60сек/мин = 3000 об / мин,если ваша цель состоит в том, чтобы просто определить частоту вращения, но не какие-либо высокочастотные режимы вибрации. для вашего устройства.

Полоса пропускания 50 Гц (максимальная частотная характеристика), к вашему сведению, оптимизирована для снижения шума выборки для портативных игровых контроллеров на основе наклона, поскольку она намеренно ослабляет любые частоты выше 50 Гц, а 50 Гц, поступающий от человека, является хорошим ожиданием для сигналов управления человеком. Вы можете попробовать этот датчик для такого игрового контроллера в диапазоне от 50 Гц до 1 кГц, но опять же, он не может обнаруживать вибрации быстрее, чем примерно 50 Гц. Таким образом, версия Adafruit ADXL335 оптимизирована для создания самодельных ручных контроллеров на основе наклона для игр, игрушек, интеллектуальных устройств, устройств радиоуправления и т. Д.

Дополнительное примечание по частоте дискретизации

Несмотря на то, что частота Найквиста говорит, что вам нужно только сэмплировать в 2 раза интересующую частоту, чтобы обнаружить интересующую частоту с помощью БПФ или чего-то подобного, вы должны понимать, что если вы когда-нибудь захотите построить данный сигнал или проверить его форму или форму волны, вы должны сэмплировать по крайней мере в 5-10 раз быстрее, чем сам сигнал. частота сигнала, который вы пытаетесь записать и проверить.

Именно так оцениваются осциллографы. Осциллограф с полосой пропускания "100 МГц" будет иметь частоту дискретизации не менее чем в 5-10 раз больше, или от 500 Мс / с (мега-сэмплы в секунду) до 1 Гсп / с (Гига-сэмплы в секунду). Это имеет смысл, потому что целью осциллографа является построение формы сигнала, а для этого требуется не менее 5-10 точек за период или 5-10-кратная частота дискретизации номинальной полосы пропускания, чтобы отобразить достаточно хорошее изображение формы сигнала.

Для чистого БПФ или частотного анализа, где вы просто хотите знать частоту измеряемой вещи, но не должны знать, как выглядит форма волны, частота дискретизации точно в 2 раза или выше частоты измеряемой вещи физически и математически достаточна.