【導(dǎo)讀】MEMS加速度計(jì)對(duì)于檢測(cè)故障情況、幫助防止意外斷電或避免發(fā)生其他代價(jià)高昂的事件至關(guān)重要。作為一名負(fù)責(zé)為狀態(tài)監(jiān)控(CbM)應(yīng)用選擇和安裝合適傳感器的工程師，需要在做出選擇之前仔細(xì)考慮多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，然而這些參數(shù)常常被忽視。本文將討論您在做出選擇時(shí)應(yīng)特別留意的一些關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。
問(wèn)題:
為狀態(tài)監(jiān)控選擇MEMS加速度計(jì)時(shí)，有哪些關(guān)鍵但經(jīng)常被忽視的參數(shù)？
答案:
在MEMS加速度計(jì)的選擇過(guò)程中，經(jīng)常被低估或忽視的關(guān)鍵參數(shù)有傳感器的量程、帶寬和諧振頻率。如果這些參數(shù)太低或僅能勉強(qiáng)滿(mǎn)足需求，將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量效果不理想。
簡(jiǎn)介
MEMS加速度計(jì)對(duì)于檢測(cè)故障情況、幫助防止意外斷電或避免發(fā)生其他代價(jià)高昂的事件至關(guān)重要。作為一名負(fù)責(zé)為狀態(tài)監(jiān)控(CbM)應(yīng)用選擇和安裝合適傳感器的工程師，需要在做出選擇之前仔細(xì)考慮多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，然而這些參數(shù)常常被忽視。本文將討論您在做出選擇時(shí)應(yīng)特別留意的一些關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。
狀態(tài)監(jiān)控
CbM是利用傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)可能出現(xiàn)的潛在缺陷或損壞的過(guò)程。CbM用于監(jiān)測(cè)滾珠軸承、齒輪、泵和許多其他應(yīng)用中的缺陷。通常的做法是采用多種不同類(lèi)型原理的傳感器來(lái)確保實(shí)現(xiàn)出色監(jiān)控效果。使用此類(lèi)傳感器可以盡早發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取預(yù)防措施以避免可能的損壞或事故。一種方法是預(yù)測(cè)性維護(hù)(PdM)，根據(jù)從傳感器讀數(shù)收集到的數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的潛在故障。這有助于減少停機(jī)時(shí)間并提高運(yùn)營(yíng)效率。盡管在CbM應(yīng)用中常常使用多種類(lèi)型的傳感器，包括加速度計(jì)、溫度傳感器、磁力計(jì)和MEMS麥克風(fēng)等，但本文將特別關(guān)注MEMS加速度計(jì)。
MEMS加速度計(jì)
MEMS加速度計(jì)用于將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓或數(shù)字值。MEMS傳感器由活動(dòng)和固定的硅元件組成，它們相互交叉形成電容，如圖1a所示。機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)使得活動(dòng)元件向固定元件移動(dòng)。該結(jié)構(gòu)在數(shù)學(xué)上可以描述為質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，其中的加速度可以根據(jù)測(cè)得的力來(lái)計(jì)算。在模擬MEMS傳感器中（圖1b），機(jī)械振動(dòng)可以轉(zhuǎn)換為電壓。數(shù)字傳感器額外使用集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)輸出數(shù)字值，如圖1c所示。ADI公司提供類(lèi)型豐富的MEMS加速度計(jì)，例如低噪底、高帶寬和多軸傳感器。
圖1.(a) MEMS結(jié)構(gòu)，沿z軸運(yùn)動(dòng)；(b) MEMS模擬輸出；(c) MEMS數(shù)字輸出。
適用于CbM的MEMS加速度計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)
量程
所選擇的MEMS傳感器的量程應(yīng)涵蓋系統(tǒng)中出現(xiàn)的所有加速度。如果傳感器的量程太小，信號(hào)可能會(huì)被削波。這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)信號(hào)/信號(hào)偏移，導(dǎo)致出現(xiàn)加速度解讀誤差。在此過(guò)程中，應(yīng)在傳感器中記為1 g的重力加速度常被忽略。
帶寬
此外，還應(yīng)結(jié)合帶寬考慮系統(tǒng)中出現(xiàn)的加速度所對(duì)應(yīng)的頻率。缺陷的早期檢測(cè)，例如與滾珠軸承、泵等相關(guān)的缺陷，在CbM應(yīng)用中至關(guān)重要。缺陷的最初跡象通常出現(xiàn)在高頻頻譜。如果選擇的帶寬太小，則這些缺陷甚至可能無(wú)法被檢測(cè)到。在此類(lèi)應(yīng)用中，加速度是頻率平方的函數(shù)。例如，在位移為250 nm且頻率為1 kHz時(shí)，實(shí)際加速度為1 g。如果此位移發(fā)生在10 kHz，則實(shí)際加速度為100 g，或者說(shuō)比之前高出100倍。也就是說(shuō)，為了能夠盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的缺陷，必須選擇帶寬和量程足夠大的傳感器。為了滿(mǎn)足高度關(guān)鍵應(yīng)用的需求，ADI公司提供帶寬高達(dá)24 kHz和量程達(dá)到500 g的傳感器。
傳感器諧振頻率
選擇帶寬時(shí)要考慮的另一個(gè)因素是傳感器的諧振。當(dāng)加速度發(fā)生在傳感器的諧振頻率上時(shí)，傳感器的靈敏度會(huì)增加，進(jìn)而造成可用信號(hào)失真的糟糕情況，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為系統(tǒng)提供機(jī)械阻尼/濾波可以解決這個(gè)問(wèn)題。除帶寬外，低本底噪聲對(duì)于實(shí)現(xiàn)故障或偏差的早期檢測(cè)也很重要。出色的MEMS加速度計(jì)的本底噪聲應(yīng)小于100 μg/√Hz。
有關(guān)MEMS加速度計(jì)規(guī)格的完整概述，請(qǐng)參閱 加速度計(jì)規(guī)格——簡(jiǎn)要定義。
結(jié)論
基于MEMS的加速度計(jì)現(xiàn)在可以很好地替代壓電傳感器。MEMS加速度計(jì)具有高達(dá)24 kHz的高帶寬和低本底噪聲，非常適合用于預(yù)測(cè)和檢測(cè)缺陷的早期跡象，從而降低系統(tǒng)故障率和相關(guān)成本。ADI公司為CbM應(yīng)用提供廣泛的傳感器選擇，包括 ADXL100x 和 ADXL356/ADXL357 。有關(guān)可用MEMS加速度計(jì)的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) 我們的加速度計(jì)頁(yè)面。
參考資料
Richard Anslow和Dara O'Sullivan。"選擇最佳的振動(dòng)傳感器來(lái)進(jìn)行風(fēng)輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)控"。《模擬對(duì)話(huà)》，第54卷第3期，2020年9月。
Chris Murphy。"為什么MEMS加速度計(jì)正在成為設(shè)計(jì)人員在CbM應(yīng)用中的最佳選擇"。ADI公司，2021年2月。
Pete Sopcik和Dara O'Sullivan。"傳感器性能如何實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控解決方案"。《模擬對(duì)話(huà)》，第53卷第6期，2019年6月。
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