作者：Richard A. Quinnell

使用振動(dòng)傳感器對(duì)機(jī)器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，這是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT）（或工業(yè)4.0）預(yù)測(cè)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(jī)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(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，若采用傳統(tǒng)的壓電式（PE） 振動(dòng)傳感器方法，則會(huì)增加物料成本以及布線費(fèi)用，且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，同時(shí)部署也可能會(huì)受到限制。

為了降低成本并簡(jiǎn)化部署，設(shè)計(jì)人員可以改用電容式微機(jī)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(shí)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(shì)。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(jī)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(jì)在振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。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(duì)工業(yè)機(jī)器進(jìn)行更徹底、更具成本效益的預(yù)測(cè)性維護(hù)感測(cè)。

為什么要使用振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)

長(zhǎng)期以來，振動(dòng)一直是用于工業(yè)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)測(cè)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(cè)負(fù)載不平衡、錯(cuò)位、滾珠軸承故障，以及各種振動(dòng)幅度和頻率等問題；這些振動(dòng)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(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(jī)器的機(jī)械振動(dòng)——對(duì)測(cè)量振動(dòng)烈度儀器的要求》就是一個(gè)典型的例子。在此類儀器中，加速計(jì)是核心組件。但是在典型的設(shè)計(jì)中，不會(huì)直接使用傳感器的信號(hào)。

在現(xiàn)代系統(tǒng)中，振動(dòng)監(jiān)測(cè)的第一步是用 ADC將加速計(jì)的信號(hào)引入數(shù)字域。一旦數(shù)字化后，加速度測(cè)量對(duì)電噪聲的敏感度就會(huì)大幅降低，因而可以省去對(duì)精密模擬信號(hào)調(diào)節(jié)的需求。然后，振動(dòng)監(jiān)測(cè)需要對(duì)原始加速計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)濾波和預(yù)處理，以消除噪聲并提取對(duì)診斷有用的信息。

加速計(jì)信號(hào)預(yù)處理要求

首先需要對(duì)加速計(jì)信號(hào)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(hào)：一種是直接使用加速度信息，另一種是使用通過對(duì)濾波后信號(hào)進(jìn)行時(shí)間積分得到的振動(dòng)速度。此外，產(chǎn)生的速度信號(hào)還需要高通濾波，以避免在分析速度信息時(shí)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(hào)，以提取有關(guān)機(jī)器狀態(tài)的有用情報(bào)。其中一種最普遍和廣泛使用的技術(shù)是計(jì)算振動(dòng)的均方根速度（RMS速度），并確定其隨時(shí)間的趨勢(shì)。隨著機(jī)器的磨損，其活動(dòng)空間就會(huì)變大，進(jìn)而導(dǎo)致振動(dòng)速度增加。因此，監(jiān)測(cè) RMS速度趨勢(shì)提供了一個(gè)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(cè)機(jī)器中的彎曲或破損，特別是在旋轉(zhuǎn)機(jī)器中。此類缺陷通常表現(xiàn)為信號(hào)中的周期性“尖峰”。加速度時(shí)間曲線中的加速度增加或不穩(wěn)定趨勢(shì)也是一個(gè)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(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，為更深入地了解機(jī)器狀態(tài)開啟了大門。例如，在旋轉(zhuǎn)機(jī)器中，與轉(zhuǎn)速相關(guān)的單頻率強(qiáng)信號(hào)將指示存在不平衡或軸彎曲。另一方面，一般的松動(dòng)或齒輪斷裂，將產(chǎn)生諧波含量豐富的沖擊信號(hào)。通過低頻幅度調(diào)制的強(qiáng)信號(hào)是一個(gè)適合齒輪嚙合分析的強(qiáng)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(jì)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(duì)基本電機(jī)旋轉(zhuǎn)的調(diào)制以及高階諧波。同步交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常為3600 轉(zhuǎn)/分鐘（rpm），直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為 10 rpm 至 7000 rpm 或更高，因此根據(jù)機(jī)器的設(shè)計(jì)，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(dòng)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的唯一安裝點(diǎn)可能在外殼上，遠(yuǎn)離機(jī)器內(nèi)部的實(shí)際振動(dòng)源。這個(gè)距離會(huì)使振動(dòng)衰減，從而導(dǎo)致信號(hào)微弱。因此，傳感器的信號(hào)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(jī)繞組的干擾）掩蓋所需的信號(hào)。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器需要具有良好的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性。當(dāng)使用 RMS速度趨勢(shì)作為診斷工具時(shí)，穩(wěn)定性尤其重要。加速度讀數(shù)隨時(shí)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(shì)測(cè)量結(jié)果。

除了這些性能要求外，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)器上的放置選擇。為了避免傳感器的質(zhì)量影響機(jī)器的振動(dòng)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(cè)的加速計(jì)可與ADC、通信電路和一些可能的數(shù)字信號(hào)處理器件一起組合在一個(gè)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(jī)會(huì)，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)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(cè)的成本效益，從而提供更多采用預(yù)防性維護(hù)的機(jī)會(huì)。

MEMS 加速計(jì)可應(yīng)對(duì)性能、成本和集成挑戰(zhàn)

CMOS 設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的進(jìn)步使得MEMS 電容式加速計(jì)能夠滿足這些性能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)屬性，從而適合用于廣泛的工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(jì)相比，MEMS 加速計(jì)具有顯著的優(yōu)勢(shì)——MEMS器件可以將完整傳感器模塊的許多功能集成到一個(gè)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(chǎng)上仍占有一席之地，并在需要極端溫度耐受性或振動(dòng)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(jì)就是一個(gè)很好的例子（圖 3）。該器件包含三個(gè)超寬帶寬（DC 至 6kHz）加速度傳感器，以及一個(gè) ADC、一個(gè)用戶可配置的數(shù)字濾波器鏈、一個(gè)溫度傳感器、一個(gè) 3 KB FIFO 和一個(gè) SPI 串行接口，全部組合在一個(gè)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(shí)僅消耗 1.1 毫安 （mA）。5
微安 （μA） 休眠模式在檢測(cè)到活動(dòng)時(shí)將自動(dòng)喚醒。此外，該器件還很堅(jiān)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(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的機(jī)會(huì)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(shí)現(xiàn)兼具成本效益的監(jiān)測(cè)。小尺寸和三軸感應(yīng)（消除了特定方向的需求）擴(kuò)展了傳感器的放置選擇，包括嵌入機(jī)器內(nèi)部。數(shù)字接口允許通過簡(jiǎn)單的接線將傳感器連接至主機(jī)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(jī)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(jì)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(shí)納入了用于六維度運(yùn)動(dòng)感應(yīng)的三軸加速計(jì)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(jī)，以及用于機(jī)器學(xué)習(xí)的核心塊，以便讓它根據(jù)獨(dú)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(dòng)傳感器模塊是一款完整的三軸 ±18 g MEMS 加速計(jì)，在一個(gè) 15 x 24 x 15 mm 的外殼中集成了積分 ADC 和 512 點(diǎn)FFT，可用于頻域中的振動(dòng)分析（圖 4）。此外，該器件還具有用于六個(gè)譜帶的可編程報(bào)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(cè)信號(hào)。

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(shí)間和 FFT 的用戶可配置條件報(bào)警功能。但是，即使使用全部?jī)?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(dòng)傳感器系統(tǒng)模塊提供了許多用戶可配置的選項(xiàng)，可供選擇預(yù)處理濾波器帶寬、FFT窗函數(shù)、頻帶閾值、時(shí)間統(tǒng)計(jì)等屬性。用戶需要對(duì)其系統(tǒng)的特征和可能應(yīng)用的眾多振動(dòng)分析技術(shù)有深刻的理解，才能有效地使用這些選項(xiàng)。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(dòng)監(jiān)測(cè)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(xiàng)。

從評(píng)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(huì)是一個(gè)打造自己振動(dòng)系統(tǒng)的好起點(diǎn)（圖5）。該套件模塊同時(shí)包括 IIS3DWB 和 ISM330DHCX，以及許多其他傳感器和一個(gè)帶有浮點(diǎn)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(kuò)展卡，因此非常適合作為現(xiàn)場(chǎng)安裝中的獨(dú)立狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用。這包括用于時(shí)域（RMS 速度和加速度峰值）以及頻域中振動(dòng)分析的中間件。這款軟件還與該公司基于Web 的 DSH-PREDMNT 預(yù)測(cè)性維護(hù)儀表板兼容，可監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)和器件狀態(tài)。所提供的實(shí)現(xiàn)示例為開發(fā)人員打造自己的軟件設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)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(jià)值設(shè)備監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員可以改用 MEMS加速計(jì)，這些加速計(jì)提供了一個(gè)緊湊、經(jīng)濟(jì)高效的替代方案，可簡(jiǎn)化部署并擴(kuò)展振動(dòng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用范圍。再加上這些器件不斷提高的性能，MEMS加速計(jì)能夠讓設(shè)計(jì)人員隨時(shí)利用振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)各種尺寸機(jī)器的預(yù)測(cè)性維護(hù)。