振動(dòng)監(jiān)控應(yīng)用中的MEMS技術(shù)
加入技術(shù)交流群
圖3. 時(shí)域振動(dòng)信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/P>圖4所示為ADIS16228的信號(hào)鏈ADIS16228采用一個(gè)帶FFT分析和存儲(chǔ)功能的數(shù)字三軸振動(dòng)傳感器監(jiān)控設(shè)備振動(dòng)的頻譜成分。
圖4. 用于頻譜振動(dòng)分析的ADIS16228信號(hào)鏈
兩種方式的內(nèi)核傳感器都可以是MEMS加速度計(jì)。 選擇內(nèi)核傳感器時(shí)，最重要的屬性為軸數(shù)、封裝/裝配要求、電氣接口（模擬/數(shù)字）、頻率響應(yīng)（帶寬）、測(cè)量范圍、噪聲和線性度。 盡管許多三軸MEMS加速度計(jì)都支持直接連接多數(shù)嵌入式處理器，但要獲得最高性能則可能要求采用具有模擬輸出的單軸或雙軸解決方案。 例如，ADXL001高性能寬帶iMEMS加速度計(jì)就利用22-kHz諧振提供最寬的帶寬，但它只是一款單軸模擬輸出器件。 在配有模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的系統(tǒng)中，模擬輸出可實(shí)現(xiàn)快速接口，但當(dāng)前的開發(fā)趨勢(shì)似乎更青睞于那些搭載了數(shù)字接口的傳感器。
內(nèi)核傳感器的頻率響應(yīng)和測(cè)量范圍決定其輸出飽和前可以支持的最大振動(dòng)頻率和幅度。 飽和會(huì)降低頻譜響應(yīng)，從而產(chǎn)生可能導(dǎo)致故障報(bào)警的雜散成分，即使飽和頻率不影響目標(biāo)頻率時(shí)也是如此。 測(cè)量范圍和頻率響應(yīng)的關(guān)系如下：
頻率響應(yīng)和測(cè)量范圍限制著傳感器的響應(yīng)，其噪聲和線性度則限制著分辨率。 噪聲決定將在輸出中響應(yīng)的振動(dòng)下限，而線性度則決定振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的故障諧波量。
模擬濾波器
模擬濾波器將信號(hào)成分限制在一個(gè)奈奎斯特區(qū)之內(nèi)，即為示例系統(tǒng)采樣速率的一半。 即使濾波器截止頻率處于奈奎斯特區(qū)之內(nèi)，也不可能無限制地抵制高頻組分，這些高頻組分仍可能折回通帶中。 對(duì)于只監(jiān)控第一奈奎斯特區(qū)的系統(tǒng)，這種折回行為可能產(chǎn)生假故障，并扭曲特定頻率下的振動(dòng)成分。
窗
在振動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用中，時(shí)間相干采樣往往并不實(shí)用，因?yàn)闀r(shí)間記錄起始和結(jié)束處的非零采樣值會(huì)導(dǎo)致較大的頻譜泄漏，從而可能降低FFT分辨率。 在計(jì)算FFT前應(yīng)用窗口函數(shù)有助于控制頻譜泄漏。 最佳窗口函數(shù)取決于實(shí)際信號(hào)，但通常需要衡量的因素包括過程損失、頻譜泄漏、旁瓣位置和旁瓣電平。
快速傅里葉變換(FFT)
FFT是分析離散時(shí)間數(shù)據(jù)的一種高效算法。 該過程將時(shí)間記錄轉(zhuǎn)換為離散頻譜記錄，其中，每個(gè)采樣代表奈奎斯特區(qū)的一個(gè)離散頻段。 輸出采樣的總數(shù)等于原始時(shí)間記錄中的采樣數(shù)，在大多數(shù)情況下，為二項(xiàng)級(jí)數(shù)中的一個(gè)數(shù)字(1、2、4、8……)。 頻譜數(shù)據(jù)同時(shí)包括幅度和相位信息，可采用矩形或極性格式表示。 采用矩形表示時(shí)，F(xiàn)FT倉的一半含有模值信息，另一半則含有相位信息。 采用極性表示時(shí)，F(xiàn)FT倉的一半含有實(shí)部結(jié)果，另一半則含有虛部結(jié)果。
評(píng)論