MEMS傳感器在振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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振動(dòng)監(jiān)測(cè)(VM)已經(jīng)問世很長(zhǎng)一段時(shí)間，并且已被用于監(jiān)測(cè)機(jī)器、設(shè)備或結(jié)構(gòu)的健康狀況。在機(jī)器運(yùn)行過程中，可以利用專用傳感器收集其振動(dòng)數(shù)據(jù)以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要目標(biāo)是降低致命性損壞的風(fēng)險(xiǎn)并減少潛在的生產(chǎn)線停產(chǎn)狀況，從而終控制并降低運(yùn)營(yíng)成本。

來自振動(dòng)傳感器的振動(dòng)數(shù)據(jù)可以作為輸入數(shù)據(jù)獨(dú)立使用，也可以根據(jù)操作需求與其他傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合使用。例如，在工廠自動(dòng)化應(yīng)用中，振動(dòng)數(shù)據(jù)可以與以下數(shù)據(jù)結(jié)合使用：

溫度

煙霧

濕度

壓力

聲音

這種組合可以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，從而提供更穩(wěn)固、更可靠的解決方案。在其他一些用例中(例如結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè))，可以將振動(dòng)數(shù)據(jù)與傾角儀收集的傾斜位置數(shù)據(jù)相結(jié)合，來確定結(jié)構(gòu)的健康狀況。這些收集到的數(shù)據(jù)輸入至專用算法，例如新興的人工智能(AI)算法，可建立能夠預(yù)測(cè)未來潛在故障的模型。然后，模型預(yù)測(cè)信息可用于構(gòu)建知識(shí)，以便決定是否需要立即采取措施來避免生產(chǎn)力損失。工廠自動(dòng)化的一個(gè)新趨勢(shì)是人工智能算法的興起，這種算法可以根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，預(yù)測(cè)應(yīng)執(zhí)行的任務(wù)。這就減輕了各操作員的負(fù)擔(dān)，讓他們不必像以前一樣做出極其困難而費(fèi)時(shí)的決定。自主自動(dòng)化工廠可以承擔(dān)各操作員的責(zé)任，并根據(jù)工況變化自動(dòng)作出反應(yīng)。

振動(dòng)傳感器

在振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，振動(dòng)傳感器是一個(gè)關(guān)鍵部件。的振動(dòng)傳感器基于MEMS技術(shù)，使用與加速度計(jì)中的加速度檢測(cè)相同的概念。它們的主要區(qū)別在于傳感器的帶寬。MEMS加速度計(jì)的典型帶寬為3kHz，而振動(dòng)傳感器則能夠以明顯更高的帶寬檢測(cè)振動(dòng)。振動(dòng)傳感器能夠捕獲高頻信號(hào)，因此可以對(duì)振動(dòng)進(jìn)行更為的頻率分析。的MEMS振動(dòng)傳感器可以提供超過6kHz的帶寬，這一點(diǎn)我們將在后面討論。MEMS振動(dòng)傳感器有許多用例，圖1列出了一些主要應(yīng)用。電機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)是成功實(shí)施工廠自動(dòng)化的重要一環(huán)。鐵路振動(dòng)監(jiān)測(cè)有助于避免發(fā)生災(zāi)難性的火車事故。自MEMS傳感器開始應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用起，洗衣機(jī)等家用電器就已經(jīng)配備了振動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。而結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)應(yīng)用則在MEMS傳感器的成本變得更加合理之后獲得了蓬勃發(fā)展。例如，市政當(dāng)局有責(zé)任監(jiān)測(cè)橋梁的振動(dòng)，以確保結(jié)構(gòu)處于良好的健康狀況。橋梁振動(dòng)數(shù)據(jù)，尤其是在交通高峰時(shí)段的振動(dòng)數(shù)據(jù)，可以針對(duì)任何可能導(dǎo)致橋梁倒塌的異常情況提供有價(jià)值的信息。

若要確保振動(dòng)傳感器符合目標(biāo)應(yīng)用的需求，我們需要仔細(xì)分析傳感器的技術(shù)規(guī)格。表1列出了STMicroelectronics提供的其中一款振動(dòng)傳感器的主要參數(shù)。此器件可以捕捉到三維空間(X、Y、Z)的振動(dòng)。其所提供的三個(gè)自由度，可用于靈活地在安裝方向上調(diào)整位置。

每個(gè)軸的加速度滿量程高達(dá)16g，足以覆蓋監(jiān)測(cè)機(jī)器健康狀況通常所需的振動(dòng)幅度范圍。

此器件可以提供超寬帶寬，平坦頻率響應(yīng)高達(dá)6.3kHz，并具有消除頻率混疊的嵌入式濾波功能。

這款傳感器的另一個(gè)主要特點(diǎn)是頻譜噪聲密度非常低。當(dāng)需要捕捉低頻振動(dòng)時(shí)，這是一個(gè)非常重要的優(yōu)勢(shì)。

與現(xiàn)有的振動(dòng)傳感器相比，其工作溫度范圍擴(kuò)大至+105°C，可以滿足苛刻的工作環(huán)境要求。

此器件可以在三軸模式或單軸模式下運(yùn)行，模式選擇通過專用寄存器來完成。在三軸模式下，所有三個(gè)軸(X、Y、Z)會(huì)同時(shí)啟用。在單軸模式下，只有一個(gè)軸處于活動(dòng)狀態(tài)。在單軸模式下，活動(dòng)軸的分辨率(噪聲密度)會(huì)顯著提高。

表1：STMicroelectronics提供的振動(dòng)傳感器的主要參數(shù)。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

振動(dòng)監(jiān)測(cè)通常是指對(duì)機(jī)器、設(shè)備或電器的振動(dòng)進(jìn)行分析，這是所謂狀態(tài)監(jiān)測(cè)(CM)或基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)(CbM)的綜合應(yīng)用的一部分。振動(dòng)分析在監(jiān)測(cè)機(jī)器的長(zhǎng)期健康狀況方面發(fā)揮著越來越重要的作用。但是，除了收集振動(dòng)數(shù)據(jù)之外，完整的狀態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案通常還包含多個(gè)傳感器，用以收集包括溫度、噪音、壓力、煙霧和濕度在內(nèi)的其他重要設(shè)備參數(shù)。在這些傳感器中，每一種傳感器都可提供關(guān)于機(jī)器特定狀況的寶貴信息。通過對(duì)這些傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、處理和分析，人們可以了解機(jī)器整體狀況，從而做出關(guān)鍵的機(jī)器維護(hù)決策。

列舉了振動(dòng)監(jiān)測(cè)在不同市場(chǎng)的一些主要應(yīng)用。圖中的分類凸顯出數(shù)據(jù)收集和分析對(duì)于狀態(tài)檢測(cè)綜合解決方案的重要性。其他傳感器可用來收集數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)融合在一起以獲得可靠而有效的結(jié)果。在業(yè)界提供的解決方案中，使用智能算法處理傳感器數(shù)據(jù)，可以將此類解決方案的能力和有效性提升至全新水平。這些功能強(qiáng)大的創(chuàng)新解決方案有助于顯著減少與設(shè)備停機(jī)相關(guān)的成本和低效問題，原本這些情況不可避免。

云計(jì)算已經(jīng)成為一個(gè)廣泛解決方案的關(guān)鍵組成部分之一，該解決方案涉及從企業(yè)多個(gè)地點(diǎn)收集傳感器數(shù)據(jù)以確保任何位置都不會(huì)出現(xiàn)任何程度的中斷。云端的中央處理器用于對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行合并與分析，并對(duì)涉及的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保它們平穩(wěn)地不間斷運(yùn)行。

列出了振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本組成部分。根據(jù)系統(tǒng)的需求，可以在必須監(jiān)測(cè)的設(shè)備上安裝各種傳感器。這些傳感器包括：

振動(dòng)

慣性傳感器模塊

溫度

濕度

壓力

環(huán)境光傳感器

傾角儀

分析收集的數(shù)據(jù)需要使用處理單元。根據(jù)數(shù)據(jù)量、隱私性、數(shù)據(jù)安全性、延遲和功耗要求，分析可以由本地處理單元完成，也可以傳輸?shù)皆铺幚碇行?，由其收集和分析來自多臺(tái)設(shè)備的所有數(shù)據(jù)。

在機(jī)器安裝后和運(yùn)行期間，機(jī)器的狀況會(huì)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始發(fā)生變化。因此，務(wù)必要安裝所有需要的傳感器，以收集有關(guān)超聲和噪音、振動(dòng)、功耗、溫度和任何潛在煙霧的數(shù)據(jù)。隨著時(shí)間的推移，收集機(jī)器參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)的必要性愈發(fā)凸顯，這對(duì)于監(jiān)測(cè)機(jī)器的健康狀況變得至關(guān)重要。圖4描繪了受監(jiān)測(cè)機(jī)器的典型安裝和故障點(diǎn)(IPF)曲線。從機(jī)器狀況變化到終發(fā)生故障可能歷時(shí)很久，或許要幾個(gè)月甚至幾年才會(huì)開始出現(xiàn)故障癥狀。對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行早期分析，可以了解機(jī)器的健康狀況，而使用傳感器數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行訓(xùn)練的人工智能算法，則可以預(yù)測(cè)故障并開始采取必要的措施。

圖：IPF曲線(圖片：STMicroelectronics)

圖提供了電動(dòng)泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)的示例。失衡、松動(dòng)、輸出軸和泵的齒輪箱等各種不同的狀況，都可以使用振動(dòng)傳感器來監(jiān)測(cè)。然后，振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)被傳送出去，以進(jìn)一步進(jìn)行各種分析，包括對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，從而確定這些狀況的各個(gè)頻率特征。

電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了電動(dòng)機(jī)之外，還可以包含幾個(gè)組件。該解決方案可以包含多個(gè)傳感器，例如振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器以及其他傳感器，具體取決于操作環(huán)境的要求。泵與處理單元之間可以選擇有線或無線的連接方式，并使用專門的通信協(xié)議。處理和分析單元可以提供泵的診斷和可視化工具，幫助操作人員主動(dòng)識(shí)別和解決諸如泵異常等問題，這些問題可能會(huì)導(dǎo)致操作停機(jī)和中斷。通過這種主動(dòng)介入，可以降低工廠的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，提高公司的利潤(rùn)。

結(jié)語

為了實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)綜合解決方案，需要部署許多傳感器。的MEMS振動(dòng)傳感器為工廠自動(dòng)化、電力設(shè)施、家用電器以及結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)測(cè)和監(jiān)管提供了高效和經(jīng)濟(jì)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)解決方案。