狀態(tài)監(jiān)控簡(jiǎn)介

全球狀態(tài)監(jiān)測(cè)（CbM）市場(chǎng)在過去幾年中經(jīng)歷了顯著增長(zhǎng)，并且這種情況似乎將繼續(xù)下去。1這種增長(zhǎng)恰逢MEMS加速度計(jì)用于振動(dòng)傳感應(yīng)用的快速發(fā)展，現(xiàn)在可以與曾經(jīng)占主導(dǎo)地位的壓電或PZT加速度計(jì)相媲美。不太重要的資產(chǎn)對(duì)CbM的需求不斷增加，無(wú)線CbM系統(tǒng)的采用率也在不斷提高，而MEMS加速度計(jì)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。本文將MEMS加速度計(jì)與壓電加速度計(jì)進(jìn)行比較，以重點(diǎn)介紹MEMS傳感器在其短暫的使用壽命中取得了多大的進(jìn)步。還將通過比較來自三個(gè)不同供應(yīng)商的五個(gè)MEMS傳感器來討論CbM應(yīng)用中MEMS加速度計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素。

振動(dòng)傳感的當(dāng)前技術(shù)水平——MEMS 與壓電技術(shù)

振動(dòng)傳感器早在 1930 年代就被用于檢測(cè)機(jī)器健康狀況。即使是現(xiàn)在，振動(dòng)分析也被認(rèn)為是預(yù)測(cè)性維護(hù)（PdM）最重要的方式。壓電加速度計(jì)長(zhǎng)期以來一直被認(rèn)為是用于最關(guān)鍵資產(chǎn)的黃金標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)傳感器，以確保它們保持運(yùn)行和高效運(yùn)行。直到最近，MEMS加速度計(jì)有限的帶寬、噪聲性能和g范圍能力阻礙了其在關(guān)鍵資產(chǎn)的CbM中的使用。雖然有許多高g范圍加速度計(jì)可用（專為汽車碰撞檢測(cè)而設(shè)計(jì)），但它們的噪聲性能和帶寬非常有限，因此不適合CbM。 同樣，一些低噪聲MEMS加速度計(jì)（專門設(shè)計(jì)用于檢測(cè)傾斜）可用，但帶寬和g范圍不足。

少數(shù)MEMS制造商一直在努力克服噪聲、帶寬和g范圍的缺點(diǎn)，因此生產(chǎn)了幾種中高性能MEMS加速度計(jì)，后者可與壓電加速度計(jì)相媲美。MEMS傳感器基于與壓電傳感器完全不同的工作原理，這就是關(guān)鍵差異所在。圖1顯示了MEMS如何測(cè)量低至直流，允許從非常慢的旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行測(cè)量以及傾斜檢測(cè)。眾所周知，壓電傳感器在較高頻率下可以提供比MEMS更好的噪聲性能，但在低頻下，MEMS傳感器在直流時(shí)提供更低的噪聲。能夠測(cè)量這些低頻對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)以及金屬加工、紙漿/造紙加工和食品/飲料行業(yè)中使用的其他類型的慢速旋轉(zhuǎn)機(jī)械非常有用，在這些行業(yè)中，低于 60 rpm （1 Hz） 的資產(chǎn)低轉(zhuǎn)速很常見。

圖1.噪聲密度：MEMS與壓電。

圖2顯示，當(dāng)壓電傳感器暴露于大沖擊事件時(shí)，它們可能會(huì)飽和，并且由于RC時(shí)間常數(shù)很大，它們可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)正常。另一方面，MEMS與非接觸式參考傳感器相匹配，幾乎立即恢復(fù)正常。壓電傳感器承受嚴(yán)重沖擊的影響意味著存在資產(chǎn)/過程中有價(jià)值的信息或故障可能無(wú)法被發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，而MEMS傳感器將可靠地檢測(cè)沖擊事件和后續(xù)事件。

圖2.過載響應(yīng)：MEMS 與帶激光參考的壓電。

表1重點(diǎn)介紹了MEMS加速度計(jì)在CbM應(yīng)用中的更多優(yōu)勢(shì)。2由于尺寸、功耗和缺乏集成功能的組合，壓電加速度計(jì)不太適合無(wú)線CbM系統(tǒng)，但確實(shí)存在典型功耗在0.2 mA至0.5 mA范圍內(nèi)的解決方案。

MEMS加速度計(jì)還具有自檢功能，可以驗(yàn)證傳感器是否100%正常工作。這在安全關(guān)鍵型安裝中可能很有用，在這些安裝中，通過驗(yàn)證部署的傳感器是否仍然正常工作的能力，更容易滿足系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。在某些應(yīng)用中，此功能是最重要的功能之一，因?yàn)樗咕S護(hù)專業(yè)人員能夠絕對(duì)確定地了解資產(chǎn)的當(dāng)前狀態(tài)以及他們正在測(cè)量的內(nèi)容的準(zhǔn)確性和可靠性。

CbM應(yīng)用中MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì)考慮因素

與通用加速度計(jì)相比，專為CbM應(yīng)用設(shè)計(jì)的MEMS加速度計(jì)具有一些不同的特性。在本節(jié)中，我們將討論適用于CbM的MEMS加速度計(jì)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)，以及它們與檢測(cè)機(jī)器故障的關(guān)系。例如，我們?nèi)绾芜x擇具有正確g范圍或噪聲性能的傳感器來檢測(cè)300 kW感應(yīng)電機(jī)上的軸承故障？表2列出了針對(duì)CbM應(yīng)用的五款MEMS加速度計(jì)的最重要規(guī)格。以下各節(jié)將詳細(xì)討論每個(gè)規(guī)范。

帶寬

振動(dòng)傳感器的帶寬通常與其將要監(jiān)控的資產(chǎn)的關(guān)鍵程度相關(guān)聯(lián)。關(guān)鍵資產(chǎn)或電機(jī)對(duì)于保持過程或大型機(jī)器的運(yùn)行和在線至關(guān)重要。如果此類資產(chǎn)發(fā)生故障，將導(dǎo)致計(jì)劃外停機(jī)和潛在的收入損失。為了盡早發(fā)現(xiàn)和診斷故障，避免計(jì)劃外停機(jī)，必須有一個(gè)寬帶寬和低噪聲的振動(dòng)傳感器。在低幅度和寬頻率下檢測(cè)故障或偏差需要低噪聲，因?yàn)檩S承、齒輪嚙合和泵氣蝕的常見故障都會(huì)在大于 5 kHz 甚至高達(dá) 20 kHz 甚至更高的頻率下發(fā)生，或者至少最早可以檢測(cè)到。因此，MEMS傳感器有責(zé)任與工業(yè)應(yīng)用中數(shù)十年來使用的事實(shí)上的振動(dòng)傳感器競(jìng)爭(zhēng)：壓電加速度計(jì)。低于 100 μg/√Hz 的噪聲水平和 5 kHz 或更高的帶寬被認(rèn)為是用于 CbM 的高性能 MEMS 加速度計(jì)。 表3對(duì)CbM和PdM應(yīng)用中使用的MEMS加速度計(jì)的兩個(gè)最重要的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分類。3

并非所有傳感器都需要超低噪聲或?qū)拵?振動(dòng)傳感的級(jí)別取決于保持資產(chǎn)運(yùn)行的重要性。核反應(yīng)堆中的水冷泵可能被認(rèn)為是極其關(guān)鍵的，在這種情況下，需要及早發(fā)現(xiàn)故障。這意味著要監(jiān)控的資產(chǎn)的關(guān)鍵性通常決定了所需的振動(dòng)傳感器水平，這取決于以下標(biāo)準(zhǔn)。

故障檢測(cè)

為了簡(jiǎn)單地檢測(cè)振動(dòng)是否超過閾值或警告水平，可以使用低性能MEMS加速度計(jì)。此方法通常用于較低關(guān)鍵性的資產(chǎn)。

故障診斷

為了檢測(cè)和識(shí)別故障的潛在來源，需要更高水平的MEMS加速度計(jì)以及算法。

故障預(yù)測(cè)

這需要最高水平的MEMS加速度計(jì)性能，以便盡早檢測(cè)問題，并允許算法識(shí)別故障源。這還需要對(duì)資產(chǎn)有很好的領(lǐng)域知識(shí)。

故障預(yù)后

這是最高水平的PdM，需要最好的MEMS加速度計(jì)以及算法、機(jī)器學(xué)習(xí)等，以及資產(chǎn)的專家領(lǐng)域知識(shí)。故障預(yù)測(cè)的目的是讓 PdM 系統(tǒng)提出建議，以延長(zhǎng)資產(chǎn)的使用壽命，甚至優(yōu)化資產(chǎn)的性能。

請(qǐng)記住，資產(chǎn)上使用的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器的性能水平與該資產(chǎn)保持在線的重要性或關(guān)鍵性相關(guān)聯(lián)，而不是以犧牲資產(chǎn)本身為代價(jià)。

表4顯示了最適合CbM的MEMS加速度計(jì)的可用帶寬范圍，由于其機(jī)械性質(zhì)，各種移動(dòng)硅元件和集成的調(diào)節(jié)電子元件，制造寬帶寬MEMS加速度計(jì)并不容易，尤其是低噪聲。通常，機(jī)械諧振距離目標(biāo)帶寬幾kHz。最近，一些MEMS加速度計(jì)已經(jīng)設(shè)法通過增強(qiáng)的濾波方法將可用帶寬移近機(jī)械諧振。然而，一些制造商仍然選擇不說明其振動(dòng)傳感器的共振頻率，這表明它要么非常接近可用帶寬，要么揭示有關(guān)其零件工作原理的敏感信息。

噪聲密度

MEMS加速度計(jì)噪聲來自多個(gè)固有源，如閃爍噪聲、布朗噪聲或電子噪聲。它通常以μg/√Hz表示。MEMS加速度計(jì)的噪聲輸出取決于表5所示的輸出濾波器設(shè)置。一些數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了均方根噪聲，但要小心，因?yàn)檫@通常會(huì)超過非常小的帶寬。

MEMS加速度計(jì)的輸出均方根噪聲可通過以下公式確定：

了解傳感器噪聲后，請(qǐng)務(wù)必將最合適的傳感器與機(jī)器類型相匹配，同時(shí)牢記一些重要問題，例如：傳感器的噪聲是否會(huì)阻止其測(cè)量重要的振動(dòng)，傳感器的g范圍是否能夠承受潛在的故障振動(dòng)水平？幸運(yùn)的是，有一些標(biāo)準(zhǔn)可以幫助解決這個(gè)問題，例如ISO 10816。

ISO 10816規(guī)定了測(cè)量和評(píng)估資產(chǎn)和機(jī)器振動(dòng)的條件和程序。它定義了振動(dòng)嚴(yán)重性標(biāo)準(zhǔn)，其中已安裝機(jī)器外殼的均方根速度（10 Hz至1 kHz）用作狀態(tài)指示器，如表6所示。測(cè)量的機(jī)器振動(dòng)根據(jù)機(jī)器尺寸、安裝策略和機(jī)器類別（I = 小型，II = 中型，III = 大型，小基礎(chǔ)，IV = 大，剛性基礎(chǔ)）。

請(qǐng)注意，加速度計(jì)通常以g為單位輸出加速度，而ISO 10816使用以mm/s或in/s為單位的速度。等式2可以幫助我們將加速度（g）轉(zhuǎn)換為速度（mm/s）。它確定，在最小振動(dòng)頻率為 10 Hz 時(shí)，加速度測(cè)量中的噪聲必須小于 7.18 mg，以檢測(cè) 2 類機(jī)器的良好范圍 （A） 內(nèi)的振動(dòng)嚴(yán)重程度，符合 ISO 10816-1 （V最低= 1.12 mm/s），如表 6 所示。4

公式3以通用形式提供此內(nèi)容√μ，并舉例說明，當(dāng)加速度計(jì)與截止頻率為1000 Hz（fC= 1000 Hz）。在3.17 mg時(shí)，加速度計(jì)似乎滿足公式2中的邊界條件：

表7顯示了每類機(jī)器從已知良好狀態(tài)到危險(xiǎn)故障水平振動(dòng)的規(guī)定振動(dòng)水平，以及MEMS加速度計(jì)檢測(cè)A區(qū)域已知良好振動(dòng)所需的相應(yīng)最小噪聲（I類為4.5 mg，II類為7.2 mg，III類為11.5 m g，IV類為17.9 mg）。

這些數(shù)據(jù)表明，MEMS C2、MEMS C1、MEMS B和ADXL317（z軸）不適合在噪聲水平低于0.71 mm/s或4.5 mgis才能檢測(cè)已知良好振動(dòng)水平（A）的機(jī)器上使用。MEMS B、MEMS C2 和 MEMS C1 不適合在噪聲低于 1.12 mm/s 或 7.2 mg 的機(jī)器上使用。MEMS C2 沒有足夠的噪聲性能，無(wú)法在所示的任何類別的機(jī)器上使用，以檢測(cè)已知良好的振動(dòng)嚴(yán)重性級(jí)別 （A）。

請(qǐng)注意，表7中報(bào)告的所有傳感器噪聲值均適用于全帶寬測(cè)量，即使ISO 10816僅涉及高達(dá)1 kHz的帶寬。假設(shè)如果振動(dòng)傳感器具有更寬的帶寬，則通常不僅用于檢測(cè)振動(dòng)嚴(yán)重程度，還用于診斷更高頻率下的任何潛在故障。由于帶寬限制為1 kHz，MEMS C1無(wú)法達(dá)到I類噪聲水平，而MEMS C2僅通過IV類噪聲水平。

g-范圍

這告訴我們傳感器在保證數(shù)據(jù)手冊(cè)性能的同時(shí)可以可靠地檢測(cè)到的可接受的加速度范圍。任何曾經(jīng)測(cè)試過 ±2 g 傳感器的人都可以在握手中的傳感器時(shí)產(chǎn)生超過 2 g 的熱量。大多數(shù)MEMS加速度計(jì)，特別是模擬輸出，由于機(jī)械元件和信號(hào)調(diào)理電子元件，具有一定的裕量。對(duì)于CbM，對(duì)于較小的資產(chǎn)（ISO 10816-7泵），典型的g范圍要求從±16 g開始，但有些部件一直高達(dá)±500 g，用于工業(yè)齒輪箱，壓縮機(jī)，中高壓感應(yīng)電機(jī)等。

測(cè)量振動(dòng)時(shí)，了解加速度、速度和位移之間的關(guān)系非常重要。如果在一軸上測(cè)量的振動(dòng)在以 1 kHz 振動(dòng)時(shí)導(dǎo)致 250 nm 的位移，則生成的峰值加速度將為 APK（250 nm， 1 kHz） = 1 g.對(duì)于 10 kHz 時(shí)的相同位移，峰值加速度現(xiàn)在將為 APK（250 nm， 10 kHz） = 100 g.

圖3.加速度、速度、位移和 g 范圍之間的關(guān)系。5

在選擇振動(dòng)傳感器之前，了解資產(chǎn)中可能發(fā)生的潛在振動(dòng)至關(guān)重要。一些電機(jī)制造商會(huì)提供此類信息。還有一些標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 10816）可以幫助解決這個(gè)問題，如“噪聲密度”部分所述。

在選擇與ISO 10816涵蓋的機(jī)器一起使用的MEMS加速度計(jì)時(shí)，我們可以按照一些簡(jiǎn)單的步驟來確定g范圍是否可以接受使用。公式4給出了一個(gè)具體示例，該示例確定根據(jù)ISO 10816-1（V.MAX= 28 毫米/秒），頻率為 1000 Hz （f.MAX） 的測(cè)量范圍至少為 ±25.3 g。4

應(yīng)該注意的是，這些故障等級(jí)沒有考慮MEMS傳感器承受基本負(fù)載振動(dòng)的能力。通常，g量程或滿量程范圍的傳感器對(duì)其機(jī)械元件的磨損抵抗力較差。此外，滿量程范圍越小，感興趣的振動(dòng)更容易被基線振動(dòng)掩蓋。

表 8 顯示了每類資產(chǎn)的 ISO 10816 振動(dòng)嚴(yán)重性圖表，以 mm/s 和 g 為單位。比較了一系列適用于CbM應(yīng)用的MEMS加速度計(jì)。±16 g 的 g 范圍不足以用于 III 類和 IV 類資產(chǎn)，但對(duì)于 I 類和 II 類資產(chǎn)是可以接受的。僅有的兩個(gè)具有足夠g范圍的傳感器是ADXL1002和MEMS C2。

根據(jù) ISO 10816，用于 CbM （<±16 g） 的低 g 范圍 MEMS 加速度計(jì)僅限于在 I 類和 II 類機(jī)器上使用，因?yàn)?III 類和 IV 類機(jī)器的最大振動(dòng)嚴(yán)重性超過 ±16 g。這意味著用于CbM的低g范圍MEMS加速度計(jì)的噪聲性能變得更加重要，以確保它們可以在I類和II類機(jī)器上使用，如“噪聲密度”部分所述。

在選擇用于CbM應(yīng)用的MEMS加速度計(jì)時(shí)，您必須參考資產(chǎn)制造商的規(guī)格，以查找潛在的故障振動(dòng)嚴(yán)重性信息，執(zhí)行您自己的測(cè)試和/或參考ISO 10816等標(biāo)準(zhǔn)。通過結(jié)合表7和表8中的信息，可以清楚地看出，市場(chǎng)上的大多數(shù)CbM MEMS加速度計(jì)在噪聲性能方面都不符合ISO 10816中概述的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法測(cè)量已知良好的振動(dòng)嚴(yán)重程度水平和g范圍以檢測(cè)每類電機(jī)的潛在故障。唯一具有足夠噪聲性能和g范圍的傳感器是ADXL1002，它是ADI公司專為CbM應(yīng)用設(shè)計(jì)的傳感器系列之一。很明顯，用于CbM的MEMS加速度計(jì)的當(dāng)前技術(shù)水平需要根據(jù)這一證據(jù)進(jìn)行分類，如表9所示。噪聲和帶寬被認(rèn)為是最重要的，因此權(quán)重。其次是G范圍，其次是溫度范圍和跨軸靈敏度。

ADXL1002在性能方面是顯而易見的領(lǐng)導(dǎo)者，因此被歸類為CbM應(yīng)用中性能最高的MEMS加速度計(jì)。所有其他傳感器雖然仍提供出色的性能，但由于性能差距，被歸類為中等性能CbM加速度計(jì)。

溫度

在MEMS加速度計(jì)的溫度性能方面，需要考慮幾種規(guī)格。表10顯示了關(guān)鍵溫度相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格之間的一些非常有趣的比較。顯然，就數(shù)字而言，這是一個(gè)很大的范圍，但這在性能方面意味著什么？對(duì) CbM（石油和天然氣、金屬加工、食品和飲料以及發(fā)電）最常見應(yīng)用的回顧表明，由于各種因素，資產(chǎn)的潛在溫度很容易超過 105°C，例如負(fù)載能力過驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致過電流被消耗、污染（灰塵、碎屑）升高電機(jī)內(nèi)部溫度并阻止其冷卻， 甚至產(chǎn)生振動(dòng)，產(chǎn)生多余的熱量。外部因素，如潛在的氣體或蒸汽泄漏，也會(huì)在選擇傳感器時(shí)發(fā)揮作用。壓電制造商似乎傾向于大多數(shù)通用振動(dòng)傳感器的最大溫度范圍為120°C，某些特定應(yīng)用的傳感器具有150°C的最高工作溫度。對(duì)高頻傳感器（高達(dá)10 kHz及更高）的調(diào)查顯示，74%的傳感器的最大工作溫度范圍低于125°C，24%低于或等于80°C。 有一些專用的壓電傳感器可以承受200°C或更高的溫度，就像有專用的MEMS加速度計(jì)可以工作到175°C一樣，但本文不關(guān)注用于非常特定應(yīng)用的傳感器。

靈敏度定義每單位加速度的輸出變化量。靈敏度隨溫度的變化定義了傳感器的靈敏度如何隨溫度變化。壓電加速度計(jì)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的比例因子誤差高達(dá)20%，這可能導(dǎo)致明顯的漂移，盡管5%更為典型。此類誤差需要在生產(chǎn)過程中進(jìn)行校準(zhǔn)。MEMS加速度計(jì)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的比例因子或靈敏度誤差非常出色，因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中進(jìn)行了電氣調(diào)整，因此傳感器不會(huì)隨溫度漂移。例如，如果ADXL1002暴露在25°C至85°C的溫度變化中，靈敏度（40 mV/g）將在60 = 1.8%×變化0.03%/°C，這意味著60°C范圍內(nèi)的靈敏度變化在39.28 mV/g至40.72 mV/g之間。這表明MEMS加速度計(jì)的靈敏度相對(duì)于溫度變化相當(dāng)穩(wěn)定。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，不需要對(duì)靈敏度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

零g偏移是加速度計(jì)在未施加加速度時(shí)的輸出。理想情況下，這應(yīng)該是零，但由于MEMS傳感器內(nèi)部固有的缺陷，我們看到直流偏移。在大多數(shù)情況下，維護(hù)專業(yè)人員主要關(guān)注動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（加速度計(jì)的交流輸出），例如與基線的偏差或偏離操作正常的趨勢(shì)。因此，當(dāng)將MEMS加速度計(jì)用于CbM時(shí)，零g偏移不是主要問題，零g偏移可以很容易地從測(cè)量中校準(zhǔn)出來，大多數(shù)高性能數(shù)字傳感器將提供寄存器來輕松執(zhí)行此操作。在對(duì)直流或傾斜檢測(cè)感興趣的情況下，也可以校準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)的零g偏移。工作溫度范圍越小，就越容易做到這一點(diǎn)。

軸數(shù)

MEMS加速度計(jì)提供單軸、雙軸和三軸版本。與壓電加速度計(jì)不同，單軸和三軸MEMS加速度計(jì)之間沒有實(shí)際尺寸差異。更小的尺寸是MEM Sover壓電的主要優(yōu)勢(shì)之一，同時(shí)功耗更低，集成度更高。3軸壓電加速度計(jì)存在一些明顯的缺點(diǎn)，例如成本，與三軸MEMS加速度計(jì)相比，成本可能高出三個(gè)數(shù)量級(jí)，尺寸和精度，但使用三軸壓電加速度計(jì)的主要驅(qū)動(dòng)因素之一是更容易地為便攜式振動(dòng)讀取器收集數(shù)據(jù)。一個(gè)三軸傳感器可以單獨(dú)完成這項(xiàng)工作，而不必準(zhǔn)備三個(gè)站點(diǎn)（單軸傳感器）然后獲取三個(gè)單獨(dú)的讀數(shù)。對(duì)于訪問受限的資產(chǎn)，這可能是一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。此外，在測(cè)量多個(gè)方向的振動(dòng)時(shí)，保持軸之間的相位關(guān)系非常重要，三軸裝置將確保這一點(diǎn)。對(duì)于復(fù)雜的振動(dòng)分析，重要的是要看到所有軸上的事件，沒有相位不匹配，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致對(duì)事件的誤解。

使用三軸壓電傳感器測(cè)量x、y和z方向的振動(dòng)，可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的切向運(yùn)動(dòng)/振動(dòng)。旋轉(zhuǎn)機(jī)器產(chǎn)生的許多機(jī)械力（例如軟基礎(chǔ)）會(huì)產(chǎn)生外殼的切向運(yùn)動(dòng)。這是用單軸壓電傳感器無(wú)法檢測(cè)到的。使用單軸MEMS加速度計(jì)，可以檢測(cè)到此類事件，因?yàn)闇y(cè)量信號(hào)的直流成分對(duì)應(yīng)于傾斜，假設(shè)資產(chǎn)的搖擺發(fā)生在敏感軸上。

振動(dòng)激勵(lì)通常是定向的，具體取決于故障，例如外軸承座圈上的剝落、機(jī)械松動(dòng)、不對(duì)中或齒輪齒不良。故障振動(dòng)的方向并不總是可預(yù)測(cè)的，因此無(wú)法知道振動(dòng)將傳播哪個(gè)方向（軸向、徑向或切向）。也可能有多個(gè)故障導(dǎo)致異常振動(dòng)。一項(xiàng)研究的重點(diǎn)是證明使用三軸壓電傳感器與單軸徑向和軸向傳感器相比，提高診斷能力的潛力。6研究表明，如果傳感器僅徑向或切向放置，單軸加速度計(jì)可能會(huì)錯(cuò)過前面概述的近50%的機(jī)械故障診斷，如圖4所示。鑒于故障振動(dòng)的方向是問題所在，在同一軸上添加更多傳感器并不能解決這個(gè)問題。添加軸向加速度計(jì)將故障檢測(cè)提高到近70%。再增加一個(gè)軸向傳感器，檢測(cè)率提高到80%。這表明來自不同軸的額外診斷信息可以帶來更好的故障檢測(cè)，但這并不是說必須使用三軸傳感器來完成。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在許多情況下，擁有所有三個(gè)軸的數(shù)據(jù)是多余的，但如果可能的話，仍然建議在三個(gè)軸上進(jìn)行測(cè)量。

圖4.電機(jī)振動(dòng)軸。

雖然擁有更多數(shù)據(jù)總是有益的，但并不總是需要的，特別是在無(wú)線系統(tǒng)中，測(cè)量或傳輸冗余數(shù)據(jù)會(huì)縮短電池壽命。正確放置傳感器，無(wú)論是單軸、雙軸還是三軸傳感器都至關(guān)重要，但根據(jù)上述研究，基于有線壓電傳感器，應(yīng)盡可能使用三軸傳感器。

對(duì)于MEMS加速度計(jì)，與壓電傳感器相比，任何現(xiàn)有的三軸傳感器的性能都會(huì)降低，因此它們可能無(wú)法檢測(cè)到盡可能多的故障。此外，如表11所示，大多數(shù)三軸MEMS加速度計(jì)中的z軸在噪聲、帶寬或兩者兼而有之方面的性能較低，可能會(huì)削弱基于三軸壓電加速度計(jì)的研究報(bào)告的額外軸的潛在附加值。在某些情況下，所有軸在噪聲和/或帶寬方面具有不同的性能，這是CbM的兩個(gè)最重要的規(guī)格。

這種不匹配在噪聲和/或帶寬性能方面的影響首先似乎在某種程度上否定了在資產(chǎn)的一個(gè)位置具有額外軸（y，z）的優(yōu)勢(shì)。熟悉MEMS傳感器的設(shè)計(jì)人員對(duì)此非常了解，但需要考慮一些事項(xiàng)。MEMS三軸加速度計(jì)的成本可以降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，性能與壓電加速度計(jì)相當(dāng)，而且體積要小得多，因此即使在不太重要的資產(chǎn)上的無(wú)線安裝中，也可以放置更多的傳感器。這為資產(chǎn)的一般操作提供了更多診斷見解。

跨軸靈敏度

跨軸靈敏度 （CAS） 是指當(dāng)加速度施加到另一個(gè)軸上時(shí)，在一個(gè)軸上看到多少輸出，通常以百分比表示。對(duì)于主要是單軸的壓電加速度計(jì)，這將作為橫向靈敏度給出，它描述了對(duì)與其設(shè)計(jì)測(cè)量的軸不同的任何運(yùn)動(dòng)的靈敏度。對(duì)于僅在其 y 軸上經(jīng)歷加速度的三軸加速度計(jì)，由于 CAS 的原因，將在 x 軸和 z 軸上測(cè)量一些加速度。圖 5 顯示了 1% 的 CAS 在 y（或 z） 軸經(jīng)歷 1.5 g 的加速度時(shí);在 X 軸上也觀察到 15 M g 或 1.5g 的 1%。這種現(xiàn)象也會(huì)影響單軸MEMS加速度計(jì)。此百分比越低，可以測(cè)量并用于檢測(cè)故障、異常和漂移趨勢(shì)線的振動(dòng)數(shù)據(jù)就越準(zhǔn)確和可靠。

圖5.在 3 軸加速度計(jì)的 x 軸上觀察到的交叉軸靈敏度在 y 軸或 z 軸上加速。

如表12所示，一些MEMS制造商將CAS等關(guān)鍵信息排除在數(shù)據(jù)手冊(cè)之外，但對(duì)于CbM和PdM，這是一個(gè)至關(guān)重要的規(guī)范，在嘗試及早檢測(cè)可能接近傳感器本底噪聲的故障時(shí)，必須了解該規(guī)范。ADXL1002列出的1%可以被認(rèn)為是保守的，因?yàn)闇y(cè)試顯示性能略好。

圖6a顯示了MEMS加速度計(jì)上的CAS測(cè)試。振動(dòng)僅在 z 軸上施加。圖6a顯示z軸測(cè)得的加速度約為1.1 g峰值，而圖6b中的x軸測(cè)量的峰值加速度約為0.05 g，y軸在0.0425 g處略小。

圖6.（a） MEMS B 交叉軸靈敏度約為 2.5%，（b） 縮放 x 軸。

表 13 顯示了 x 軸上 2.6% 和 y 軸上 2.2% 的最壞情況 CAS。測(cè)試設(shè)置中可能存在錯(cuò)位，因此CAS的可能性至少為2%，但低于2.6%。雖然可以校準(zhǔn)CAS，但最好將該值接近1%，這是MEMS CbM加速度計(jì)的行業(yè)領(lǐng)先值。壓電CAS通常約為5%，但在某些情況下，據(jù)報(bào)道高達(dá)15%。7一些壓電供應(yīng)商可應(yīng)要求提供低于5%的橫向靈敏度值，但需額外付費(fèi)。

將MEMS傳感器機(jī)械連接到機(jī)器的解決方案

壓電加速度計(jì)是當(dāng)今最常用的振動(dòng)傳感器。它們具有 IEPE 和 4 mA 至 20 mA 等標(biāo)準(zhǔn)接口，以及螺柱、磁鐵和粘合劑等各種安裝方法。為了使MEMS加速度計(jì)與振動(dòng)傳感的長(zhǎng)期黃金標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)，不僅要匹配其性能，而且要使MEMS傳感器易于連接到資產(chǎn)。一段時(shí)間以來，這一直是MEMS加速度計(jì)客戶的痛點(diǎn)。任何振動(dòng)測(cè)量設(shè)置中都會(huì)存在多個(gè)共振，因此將其對(duì)測(cè)量的影響降至最低非常重要。在 1 kHz 帶寬以上，安裝變得至關(guān)重要，因?yàn)橹C振會(huì)顯著影響測(cè)量。

對(duì)于壓電加速度計(jì)，有無(wú)數(shù)的安裝策略，螺柱安裝提供最寬的頻率響應(yīng)，一直到具有最低頻率響應(yīng)范圍的手持式探頭尖端。MEMS加速度計(jì)對(duì)磁體沒有敏感性，可以并且已經(jīng)成功地與磁性安裝策略一起使用。

為了便于將MEMS傳感器安裝到資產(chǎn)上，ADI公司創(chuàng)建了一個(gè)安裝立方體，如圖7所示。直徑為 0.2 英寸的中央安裝孔和 0.38 英寸（深 0.3 英寸）的周圍唇口允許使用 #10 機(jī)器螺釘將安裝塊固定到資產(chǎn)上。適用于多個(gè)加速度計(jì)系列（EVAL-ADXL100XZ、EVAL-ADXL35XZ 和 EVAL-ADXL37XZ）的分線板與此機(jī)械安裝座兼容。通過使用這個(gè)安裝塊并將其牢固地固定在機(jī)械源上，可以在受控環(huán)境中評(píng)估加速度計(jì)的頻率響應(yīng)。

圖7.用于加速度計(jì)分線板 （EVAL-XLMOUNT1） 的機(jī)械優(yōu)化安裝塊。

在捕獲高頻事件時(shí)，加速度計(jì)的安裝保真度至關(guān)重要。這在振動(dòng)臺(tái)上得到了驗(yàn)證，如圖8所示，所得頻率響應(yīng)如圖9所示。

圖8.振動(dòng)測(cè)量測(cè)試設(shè)置板使用鋁塊連接到振動(dòng)臺(tái)上。

圖9.帶IEPE接口的ADXL1002的頻率響應(yīng)。

傳感器PCB設(shè)計(jì)得稍厚（3 mm），并使用特定的焊膏來幫助保留MEMSsensor在安裝到資產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)手冊(cè)頻率響應(yīng)。

圖8所示的參考設(shè)計(jì)PCB將MEMS加速度計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IEPE格式。它從現(xiàn)有的IEPE設(shè)置為MEMS加速度計(jì)供電，并以IEPE格式輸出數(shù)據(jù)，允許將MEMS加速度計(jì)無(wú)縫簡(jiǎn)單地集成到新的或現(xiàn)有的IEPE基礎(chǔ)設(shè)施中。

ADI公司在將業(yè)界領(lǐng)先的傳感器、信號(hào)調(diào)理和處理集成到模塊中方面有著悠久的歷史。最新的CbM模塊是基于ADcmXL1021和ADcmXL3021的單軸或三軸（1×或3×ADXL1002）加速度計(jì)的SPI輸出解決方案，能夠直接安裝到資產(chǎn)上。它們的機(jī)械封裝共振頻率高于 50 kHz，遠(yuǎn)高于 10 kHz 的目標(biāo)帶寬。安裝孔采用 M2.5 螺釘將模塊固定到位。ADcmXL3021數(shù)據(jù)手冊(cè)中顯示的許多特性曲線都使用扭矩約為25英寸磅的不銹鋼螺釘。在某些情況下，當(dāng)可以選擇永久安裝時(shí)，除了安裝螺釘外，還可以使用工業(yè)環(huán)氧樹脂或粘合劑（例如氰基丙烯酸酯粘合劑）來增強(qiáng)機(jī)械耦合。

圖 10.ADcmXL3021 寬帶寬、低噪聲、三軸振動(dòng)傳感器。

我們已經(jīng)看到，ADXL100x MEMS加速度計(jì)具有與壓電加速度計(jì)相似的性能水平，具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在使CbM和PdM能夠應(yīng)用于不太重要的資產(chǎn)。同時(shí)，ADXL100x系列MEMS加速度計(jì)（如表14所示）正安裝在高度關(guān)鍵的資產(chǎn)上，這對(duì)于MEMS加速度計(jì)來說是前所未有的。在ADI公司，我們簡(jiǎn)化了將CbM傳感器連接到資產(chǎn)（XLMOUNT1、ADcmXL3021）的過程。由于我們的轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)（MEMS到IEPE或4 mA到20 mA），用MEMS替換壓電傳感器也非常容易。

我們的CbM參考設(shè)計(jì)、評(píng)估系統(tǒng)、開發(fā)平臺(tái)和系統(tǒng)解決方案都旨在使我們的客戶能夠開發(fā)最佳的CbM和PdM系統(tǒng)，以保持資產(chǎn)和工廠的運(yùn)行。我們已經(jīng)解決并解決了CbM設(shè)計(jì)人員不僅使用MEMS，還使用壓電加速度計(jì)所經(jīng)歷的大部分痛點(diǎn)，我們將繼續(xù)投資于行業(yè)領(lǐng)先的CbM解決方案。下一節(jié)將討論一個(gè)高保真、高速數(shù)據(jù)采集管道的示例，該管道使CbM系統(tǒng)開發(fā)人員能夠檢測(cè)重要的振動(dòng)數(shù)據(jù)并將其保存到其機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)環(huán)境（Python，TensorFlow，MathWorks等）中。

煤層氣開發(fā)平臺(tái)

CN-0549 CbM開發(fā)平臺(tái)（如圖11所示）匯集了上述所有MEMS設(shè)計(jì)考慮因素，為CbM提供了性能最高的MEMS加速度計(jì)，可輕松安裝到資產(chǎn)上，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)手冊(cè)的性能。該數(shù)據(jù)采集板提供高速、24位分辨率信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集硬件解決方案，可與IEPE壓電和MEMS加速度計(jì)配合使用。還提供了開箱即用的所有必要固件和評(píng)估軟件。

圖 11.CN-0549框圖和圖像。

CbM開發(fā)平臺(tái)旨在使CbM設(shè)計(jì)人員能夠收集大量高質(zhì)量的振動(dòng)數(shù)據(jù)，以了解其資產(chǎn)的運(yùn)行行為。一旦理解了這一點(diǎn)，就可以對(duì)故障進(jìn)行種子設(shè)定或模擬，以便開發(fā)趨勢(shì)信息，使機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠識(shí)別和分析潛在的故障。必須以最高的保真度捕獲此故障數(shù)據(jù)，并將其流式傳輸?shù)綑C(jī)器學(xué)習(xí)環(huán)境，以開發(fā)模型以更好地了解資產(chǎn)的行為。

CbM開發(fā)平臺(tái)支持將高性能IEPE振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)綑C(jī)器學(xué)習(xí)環(huán)境，如TensorFlow，開箱即用。多種IEPE壓電傳感器（請(qǐng)注意，這些傳感器不需要安裝立方體即可連接到資產(chǎn)）或ADXL1002 IEPE解決方案CN-0532可與CbM開發(fā)平臺(tái)一起使用。DAQ板CN-0540是另一個(gè)為IEPE傳感器提供最高精度數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的參考設(shè)計(jì)，它為FPGA提供了一個(gè)全帶寬數(shù)據(jù)管道，系統(tǒng)可以在其中監(jiān)控機(jī)器的數(shù)據(jù)配置文件。在FPGA上運(yùn)行的示波器應(yīng)用，只需通過HDMI連接到監(jiān)視器，即可提供頻譜信息，并允許用戶快速可視化其機(jī)器的健康狀況或通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)皆啤ython 和 MATLAB 綁定使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)C(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)直接連接到這些流行的工具中。然后，設(shè)計(jì)人員可以獲取他們的機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，并開始為他們的設(shè)備創(chuàng)建算法，以改進(jìn)維護(hù)策略，并預(yù)測(cè)故障和潛在的工廠停機(jī)時(shí)間。??

結(jié)論

本文討論了在CbM系統(tǒng)中使用MEMS加速度計(jì)時(shí)要考慮的最重要標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明，少量MEMS加速度計(jì)可以提供壓電加速度計(jì)的可行替代方案;然而，MEMS加速度計(jì)在性能方面存在顯著差距，概述了對(duì)這些傳感器進(jìn)行分類的要求。這些與現(xiàn)有的ISO 10816振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了討論和比較，進(jìn)一步確定了用于CbM的MEMS傳感器的性能差異。 MEMS傳感器根據(jù)最重要的規(guī)格進(jìn)行分類，例如噪聲，帶寬，g范圍等。由于其寬帶寬、超低噪聲和高g范圍，ADXL100x系列傳感器顯然是唯一能夠與壓電加速度計(jì)競(jìng)爭(zhēng)的傳感器，并且與MEMS競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品進(jìn)行了廣泛比較，可以被認(rèn)為是目前可用于CbM和PdM應(yīng)用的唯一高性能MEMS傳感器。在所有其他MEMS CbM傳感器所在的中等性能類別中，ADI公司提供各種三軸數(shù)字傳感器，如ADXL317，這是噪聲最低、寬帶寬數(shù)字MEMS加速度計(jì)之一，能夠及早檢測(cè)振動(dòng)，幫助保持資產(chǎn)甚至工廠運(yùn)行。