作者：Richard A. Quinnell

使用振動傳感器對機器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，這是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT）（或工業(yè)4.0）預(yù)測性維護(hù)目標(biāo)的關(guān)鍵要素。這使得制造工廠能夠及早發(fā)現(xiàn)并解決機器問題，避免它們引發(fā)災(zāi)難性故障，導(dǎo)致停產(chǎn)進(jìn)行緊急維修。對于設(shè)計人員而言，若采用傳統(tǒng)的壓電式（PE） 振動傳感器方法，則會增加物料成本以及布線費用，且實現(xiàn)復(fù)雜度高，同時部署也可能會受到限制。

為了降低成本并簡化部署，設(shè)計人員可以改用電容式微機電系統(tǒng) （MEMS） 傳感器。這些傳感器最近在性能方面取得了改進(jìn)，不僅達(dá)到了與 PE傳感器相當(dāng)?shù)乃剑瑫r保持了其 CMOS 器件的低成本、高集成度和工業(yè)耐受性優(yōu)勢。這些改進(jìn)包括集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、濾波器，甚至是用于機器學(xué)習(xí)的嵌入式構(gòu)件，以確保這些器件具有良好的成本效益屬性，從而適合進(jìn)行廣泛安裝。

本文將討論 MEMS 電容式加速計在振動監(jiān)測應(yīng)用中的優(yōu)勢。然后介紹來自 Analog Devices 和STMicroelectronics的示例器件，并說明如何將它們快速部署成為廣泛的傳感器網(wǎng)絡(luò)，以便對工業(yè)機器進(jìn)行更徹底、更具成本效益的預(yù)測性維護(hù)感測。

為什么要使用振動進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)

長期以來，振動一直是用于工業(yè)機器狀態(tài)監(jiān)測、診斷和預(yù)測性維護(hù)的指標(biāo)。例如，合適的傳感器經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚恚梢杂脕?a target="_blank">檢測負(fù)載不平衡、錯位、滾珠軸承故障，以及各種振動幅度和頻率等問題；這些振動可能預(yù)示另一種故障模式正在發(fā)展（圖1）。

有用的是，目前已針對振動監(jiān)測中使用的傳感器系統(tǒng)建立了標(biāo)準(zhǔn)。ISO 2954:2012標(biāo)準(zhǔn)《旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式機器的機械振動——對測量振動烈度儀器的要求》就是一個典型的例子。在此類儀器中，加速計是核心組件。但是在典型的設(shè)計中，不會直接使用傳感器的信號。

在現(xiàn)代系統(tǒng)中，振動監(jiān)測的第一步是用 ADC將加速計的信號引入數(shù)字域。一旦數(shù)字化后，加速度測量對電噪聲的敏感度就會大幅降低，因而可以省去對精密模擬信號調(diào)節(jié)的需求。然后，振動監(jiān)測需要對原始加速計數(shù)據(jù)進(jìn)行多級濾波和預(yù)處理，以消除噪聲并提取對診斷有用的信息。

加速計信號預(yù)處理要求

首先需要對加速計信號進(jìn)行高通濾波，以消除任何 DC分量，例如傳感器偏置或重力效應(yīng)。然后可以用兩種方式使用濾波后的信號：一種是直接使用加速度信息，另一種是使用通過對濾波后信號進(jìn)行時間積分得到的振動速度。此外，產(chǎn)生的速度信號還需要高通濾波，以避免在分析速度信息時需要知道系統(tǒng)初始速度（積分常數(shù)）（圖2）。

根據(jù)應(yīng)用的不同，可以將各種分析技術(shù)應(yīng)用于這些加速度和速度信號，以提取有關(guān)機器狀態(tài)的有用情報。其中一種最普遍和廣泛使用的技術(shù)是計算振動的均方根速度（RMS速度），并確定其隨時間的趨勢。隨著機器的磨損，其活動空間就會變大，進(jìn)而導(dǎo)致振動速度增加。因此，監(jiān)測 RMS速度趨勢提供了一個磨損指標(biāo)，可以與預(yù)先確定的閾值進(jìn)行比較，以確定是否需要維護(hù)。

此外，加速度也可以與預(yù)先確定的閾值進(jìn)行比較，以檢測機器中的彎曲或破損，特別是在旋轉(zhuǎn)機器中。此類缺陷通常表現(xiàn)為信號中的周期性“尖峰”。加速度時間曲線中的加速度增加或不穩(wěn)定趨勢也是一個磨損和損壞指標(biāo)。

頻譜分析可洞察更多信息

通過使用快速傅立葉變換 （FFT）將加速度和速度數(shù)據(jù)從時域轉(zhuǎn)換到頻域，為更深入地了解機器狀態(tài)開啟了大門。例如，在旋轉(zhuǎn)機器中，與轉(zhuǎn)速相關(guān)的單頻率強信號將指示存在不平衡或軸彎曲。另一方面，一般的松動或齒輪斷裂，將產(chǎn)生諧波含量豐富的沖擊信號。通過低頻幅度調(diào)制的強信號是一個適合齒輪嚙合分析的強大診斷工具。

若要成功使用這些不同的診斷技術(shù)，提供源數(shù)據(jù)的加速計就需要滿足各種各樣的要求。例如，其帶寬應(yīng)足夠?qū)挘员阌诓东@對基本電機旋轉(zhuǎn)的調(diào)制以及高階諧波。同步交流電機的轉(zhuǎn)速通常為3600 轉(zhuǎn)/分鐘（rpm），直流電機的轉(zhuǎn)速范圍為 10 rpm 至 7000 rpm 或更高，因此根據(jù)機器的設(shè)計，合適的傳感器帶寬可能需要低至 0.1 赫茲（Hz） 或高至 5 至 10 千赫 （kHz）。

此外，靈敏度也很重要。根據(jù)傳感器的尺寸，可用于轉(zhuǎn)動機器狀態(tài)監(jiān)測的唯一安裝點可能在外殼上，遠(yuǎn)離機器內(nèi)部的實際振動源。這個距離會使振動衰減，從而導(dǎo)致信號微弱。因此，傳感器的信號以及從傳感器到ADC 的路徑都需要噪聲盡可能低，以避免產(chǎn)生電氣干擾（例如來自電機繞組的干擾）掩蓋所需的信號。

振動監(jiān)測傳感器需要具有良好的時間和溫度穩(wěn)定性。當(dāng)使用 RMS速度趨勢作為診斷工具時，穩(wěn)定性尤其重要。加速度讀數(shù)隨時間或溫度的變化將在生成速度數(shù)據(jù)的積分過程中累積，從而影響趨勢測量結(jié)果。

除了這些性能要求外，從系統(tǒng)設(shè)計的角度來看，還有一些傳感器屬性也很重要。傳感器應(yīng)盡可能小，以盡量增加在被監(jiān)控機器上的放置選擇。為了避免傳感器的質(zhì)量影響機器的振動特征，重量輕也很重要。

為了盡量減少使用昂貴、低噪聲同軸電纜將模擬傳感器連接至數(shù)字化儀的需求，許多用于工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測的加速計可與ADC、通信電路和一些可能的數(shù)字信號處理器件一起組合在一個傳感器模塊中。在這樣的模塊中，它們的小體積和低功耗提供了電池和無線操作的機會，從而進(jìn)一步簡化了放置并降低了布線成本和復(fù)雜性。若將傳感器模塊總成本最小化，可提高狀態(tài)監(jiān)測的成本效益，從而提供更多采用預(yù)防性維護(hù)的機會。

MEMS 加速計可應(yīng)對性能、成本和集成挑戰(zhàn)

CMOS 設(shè)計和制造技術(shù)的進(jìn)步使得MEMS 電容式加速計能夠滿足這些性能和系統(tǒng)設(shè)計屬性，從而適合用于廣泛的工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用。由于MEMS 的制造工藝與CMOS 集成電路的制造工藝兼容，因此與傳統(tǒng)的壓電式加速計相比，MEMS 加速計具有顯著的優(yōu)勢——MEMS器件可以將完整傳感器模塊的許多功能集成到一個芯片大小的封裝中。

備注：現(xiàn)階段需要指出的是，壓電式傳感器在市場上仍占有一席之地，并在需要極端溫度耐受性或振動可能超過 50 g 的應(yīng)用中處于主導(dǎo)地位。

STMicroelectronics 的 IIS3DWBTR 三軸 MEMS 加速計就是一個很好的例子（圖 3）。該器件包含三個超寬帶寬（DC 至 6kHz）加速度傳感器，以及一個 ADC、一個用戶可配置的數(shù)字濾波器鏈、一個溫度傳感器、一個 3 KB FIFO 和一個 SPI 串行接口，全部組合在一個尺寸僅為2.5 x 3 x 0.83 毫米 （mm） 的表面貼裝封裝中。它的功耗很低，工作電壓為 2.1 至 3.6 伏，完全工作時僅消耗 1.1 毫安 （mA）。5
微安 （μA） 休眠模式在檢測到活動時將自動喚醒。此外，該器件還很堅固耐用，工作溫度范圍為 -40°C 至 +105°C，并具有 10，000 g的抗沖擊性。可選的靈敏度（±2、±4、±8 或 ±16 g）能夠讓該器件適應(yīng)各種應(yīng)用的要求。

像 IIS3WDB 這樣的器件的出現(xiàn)改變了振動狀態(tài)監(jiān)測的機會范圍。通過以低成本整合傳感器模塊的所有基本屬性，該器件最大限度地降低了 BOM總成本，能夠在更廣泛的應(yīng)用范圍中實現(xiàn)兼具成本效益的監(jiān)測。小尺寸和三軸感應(yīng)（消除了特定方向的需求）擴展了傳感器的放置選擇，包括嵌入機器內(nèi)部。數(shù)字接口允許通過簡單的接線將傳感器連接至主機處理器以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，而集成的預(yù)處理和FIFO 緩沖器則降低了與主機的通信要求。低功耗需求開啟了電池操作的大門。

MEMS 器件設(shè)計可以在集成度方面更進(jìn)一步。例如，在與 IIS3WDBTR 相同的封裝尺寸中，STMicroelectronics 的ISM330DHCXTR 同時納入了用于六維度運動感應(yīng)的三軸加速計和三軸陀螺儀，以及 IIS3DWBTR 中的所有功能。此外，它還包括 I2C接口、傳感器中樞、9 KB FIFO、用于數(shù)據(jù)處理的可編程有限狀態(tài)機，以及用于機器學(xué)習(xí)的核心塊，以便讓它根據(jù)獨特的安裝來調(diào)整其操作。

模塊集成數(shù)據(jù)處理功能

為了滿足要求更苛刻的應(yīng)用，內(nèi)置處理功能的 MEMS 傳感器模塊已經(jīng)以高度緊湊的形式面世。例如，Analog Devices 的 ADIS16228CMLZ振動傳感器模塊是一款完整的三軸 ±18 g MEMS 加速計，在一個 15 x 24 x 15 mm 的外殼中集成了積分 ADC 和 512 點FFT，可用于頻域中的振動分析（圖 4）。此外，該器件還具有用于六個譜帶的可編程報警功能，能夠根據(jù)這些譜帶中的能量水平發(fā)出警告或故障檢測信號。

MEMS 技術(shù)提供了完整的傳感器系統(tǒng)，處理能力高達(dá) ±50 g。例如，Analog Devices 的 ADCMXL3021BMLZ 具有 10 kHz的傳感器帶寬、220 千樣本/秒 （kSPS） ADC、數(shù)字濾波器，以及基于時間和 FFT 的用戶可配置條件報警功能。但是，即使使用全部內(nèi)置處理能力，該器件在3.3 伏電壓下通常也只需 30 mA。

這些完整的振動傳感器系統(tǒng)模塊提供了許多用戶可配置的選項，可供選擇預(yù)處理濾波器帶寬、FFT窗函數(shù)、頻帶閾值、時間統(tǒng)計等屬性。用戶需要對其系統(tǒng)的特征和可能應(yīng)用的眾多振動分析技術(shù)有深刻的理解，才能有效地使用這些選項。同樣，開發(fā)人員若想利用 IIS3DWB或 ISM330DHCX 等芯片傳感器創(chuàng)建自己的振動監(jiān)測系統(tǒng)，則需要了解其目標(biāo)系統(tǒng)的特性，并了解其處理選項。

從評估套件入手

在這種背景下，像 STMicroelectronics 的 STEVAL-STWINKT1 這樣的開發(fā)套件會是一個打造自己振動系統(tǒng)的好起點（圖5）。該套件模塊同時包括 IIS3DWB 和 ISM330DHCX，以及許多其他傳感器和一個帶有浮點單元的 Arm? Cortex?-M4處理器，以提供額外的處理能力。該模塊可由隨附的鋰離子電池供電，并提供內(nèi)置的低功耗藍(lán)牙無線電，以及用于無線連接的 Wi-Fi擴展卡，因此非常適合作為現(xiàn)場安裝中的獨立狀態(tài)監(jiān)測傳感器使用。

該套件配備一整套固件，可用于開發(fā)狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測性維護(hù)應(yīng)用。這包括用于時域（RMS 速度和加速度峰值）以及頻域中振動分析的中間件。這款軟件還與該公司基于Web 的 DSH-PREDMNT 預(yù)測性維護(hù)儀表板兼容，可監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)和器件狀態(tài)。所提供的實現(xiàn)示例為開發(fā)人員打造自己的軟件設(shè)計提供了工作路線圖。

總結(jié)

盡管壓電式傳感器在要求極端溫度耐受性或高于 50 g 振動條件的應(yīng)用中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但它們的尺寸以及對分立 ADC和預(yù)處理硬件的需求（以及相關(guān)的布線成本和復(fù)雜性），一直以來將其應(yīng)用范圍限制在高價值設(shè)備監(jiān)測領(lǐng)域。

現(xiàn)在設(shè)計人員可以改用 MEMS加速計，這些加速計提供了一個緊湊、經(jīng)濟(jì)高效的替代方案，可簡化部署并擴展振動監(jiān)測的應(yīng)用范圍。再加上這些器件不斷提高的性能，MEMS加速計能夠讓設(shè)計人員隨時利用振動狀態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，實現(xiàn)各種尺寸機器的預(yù)測性維護(hù)。