振動監(jiān)控應(yīng)用中的MEMS技術(shù)
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功能集成度和性能的不斷發(fā)展也有助于將MEMS加速度計和陀螺儀應(yīng)用于許多不同的工業(yè)系統(tǒng)。 其中一些應(yīng)用成為現(xiàn)有產(chǎn)品和服務(wù)的低成本替代品，而其他應(yīng)用則開始率先集成慣性感測功能。 作為擁有兩類用戶的應(yīng)用，振動監(jiān)控也正方興未艾。 出于維護和安全需求而用于監(jiān)控機械健康狀況的傳統(tǒng)儀器儀表通常采用壓電技術(shù)。 高速自動化設(shè)備對振動進行監(jiān)控，以觸發(fā)對潤滑、速度或皮帶張力的反饋控制，或者關(guān)閉設(shè)備以便于維修人員快速檢查。
盡管壓電器件擁有成熟的用戶群，但MEMS加速度計為新興的用戶群提供了輕松集成、降低成本等優(yōu)勢。 另外，MEMS加速度計先進的功能集成允許在ADIS16229數(shù)字MEMS振動傳感器等器件中集成嵌入式RF收發(fā)器，從而實現(xiàn)一種集信號處理和通信功能于一體的完整解決方案。 此類可編程器件可以定期自動喚醒，捕獲時域振動數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)記錄執(zhí)行快速傅里葉變換(FFT)，對FFT結(jié)果進行用戶可配置的頻譜分析，通過高效的無線傳輸線路提供簡單的通過/失敗結(jié)果，存取數(shù)據(jù)和結(jié)果，然后返回休眠狀態(tài)。 振動檢測的新用戶們認為，快速部署以及合理的擁有成本是選用完全集成式MEMS器件的重要原因。
振動監(jiān)控應(yīng)用
利用振動觀察機器健康狀況旨在將可觀察到的振動與典型的磨損機制關(guān)聯(lián)起來，比如軸承、齒輪、鏈條、皮帶、刷子、軸、線圈和閥門。 在一臺典型機器中，至少有一種磨損機制需定期維護。 圖1展示了正常磨損機制振動與時間關(guān)系的三個例子。 盡管確定這種關(guān)系需要時間和經(jīng)驗，但關(guān)聯(lián)得當(dāng)?shù)恼駝犹卣鞑皇槎讨芷诙ㄆ诰S護的低成本替代方案。 利用實際觀察結(jié)果，比如振動，可在檢測到報警條件（紅色曲線）時快速采取行動，同時還能避免對使用壽命未到期的機器過早進行維護（藍色和綠色曲線）。
圖1同時還展示了機器維護周期的兩種報警設(shè)置（報警、關(guān)鍵）以及三個階段（早期、中期、末期）。 報警水平規(guī)定了正常運行期間的最大振動頻率，其中，觀察到的振動不含對機器或技術(shù)支持人員的潛在危險。 在正常范圍時，可以使用一些儀表測量偶爾出現(xiàn)的振動。 臨界水平表示，資產(chǎn)存在嚴重受損的風(fēng)險，從而給技術(shù)支持人員或環(huán)境帶來不安全因素。 顯然，機器操作員希望在這一水平時避免操作機器，并通常會停止使用機器。 當(dāng)振動超過報警水平但低于臨界水平時，機器仍可以繼續(xù)工作，但應(yīng)該提高觀察頻率，并可能需要進行額外的維護。
有時候，這三個操作區(qū)（正常、報警、臨界）可以對應(yīng)于機器維護周期的三個階段： 早期、中期、末期，每個階段的振動監(jiān)控策略可能會有所不同。 例如，在早期，可能只需要每天、每周或每月觀察儀器的主要振動屬性。 進入中期時，可能需要每小時觀察一次，而在接近末期時，振動監(jiān)控的頻率可能還要更高，尤其是在人員或資產(chǎn)處于危險的情況下。 在該階段，利用便攜式設(shè)備進行振動監(jiān)控的機器，其重復(fù)成本將逐漸增加，與維護成本相比，可能高得讓人望而卻步。 雖然有必要對重要資產(chǎn)進行特殊關(guān)照，但許多其他儀器卻是無法承受這種重復(fù)成本。 作為人工測量的補充，嵌入式MEMS傳感器為要求實時振動數(shù)據(jù)的設(shè)備提供了更為經(jīng)濟高效的方法。
圖1. 振動與時間關(guān)系示例
振動是一種重復(fù)的機械運動。 在開發(fā)振動檢測儀器時，需考慮多個重要屬性。 首先，振蕩運動往往同時具有線性和旋轉(zhuǎn)元件。 大多數(shù)振動檢測關(guān)系都傾向于關(guān)注振蕩幅度，而非絕對位置跟蹤，因此，線性傳感器（如MEMS加速度計）對于捕獲運動信息而言足夠了。 當(dāng)主要為線性運動時，了解運動方向就顯得極為重要，尤其是在使用單軸傳感器時。 相反，3軸傳感器具有更高的安裝靈活性，因為正交方向可以在一個或更多軸上拾取，而不受振動方向的影響。
由于振動具有周期性，因此，頻譜分析是確定振動曲線特性（振動幅度與頻率關(guān)系）的一種簡便辦法。 圖2所示曲線同時有寬帶和窄帶成分，主體振動頻率約為1350 Hz，還有4個諧波和一些低電平寬帶成分。 每一件活動設(shè)備都有其自己的振動曲線，而窄帶響應(yīng)一般表示設(shè)備的自然頻率。
圖2. 振動曲線示例（自然頻率：約1350 Hz）
傳感器選擇和信號處理架構(gòu)取決于應(yīng)用目標(biāo)。 舉例來說，圖3所示信號鏈持續(xù)監(jiān)控特定頻帶，通過附近的控制面板提供報警燈和關(guān)鍵燈信號。 制造商在機械設(shè)計方面的知識有助于帶通濾波器的設(shè)計，尤其是在啟動頻率、停機頻率和帶通滾降速率方面。 旋轉(zhuǎn)速度、機械結(jié)構(gòu)的自然頻率、因故障而異的振動都可能影響帶通濾波器。 盡管這種方法非常簡單，但當(dāng)有特定機器的歷史數(shù)據(jù)時，振動監(jiān)控要求也可能發(fā)生變化。 監(jiān)控要求的變化可能導(dǎo)致濾波器結(jié)構(gòu)的變化，從而可能造成重復(fù)的工程成本。 開發(fā)人員可以通過數(shù)字化傳感器響應(yīng)，實現(xiàn)關(guān)鍵信號處理功能（如濾波、rms計算和電平檢測器），利用輔助I/O輸出控制指示器燈的方式，以復(fù)雜性換取靈活性，或提供數(shù)字輸出。
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