用于工業(yè)振動的加速度計及其模塊方案

工業(yè)4.0的浪潮正在興起。眾所周知，工業(yè)4.0有著大量的承諾，其中就包括生產(chǎn)力和安全性的指數(shù)級改進(jìn)。如何實現(xiàn)生產(chǎn)力和安全性的大幅提升呢？這其中工業(yè)條件監(jiān)測將發(fā)揮重要作用，而傳感器在其中將扮演關(guān)鍵角色。振動是機(jī)器診斷的關(guān)鍵要素之一，已被可靠地運用于監(jiān)控各種工業(yè)應(yīng)用中的最關(guān)鍵設(shè)備。

1 高精度的振動加速度計

    振動測量可以使用放置在被監(jiān)測元件附近的加速度計進(jìn)行。這種傳感器可以是壓電式，也可以是MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）類型，后者更具優(yōu)勢，不僅可以在低頻率下提供更好的響應(yīng)，而且體積小巧。

以滾珠軸承故障監(jiān)測為例，每次滾珠碰觸到開裂處或者觸碰到內(nèi)環(huán)或外環(huán)的缺陷位置，就會發(fā)生撞擊，引起振動，甚至導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸輕微移位。撞擊發(fā)生的頻率由轉(zhuǎn)動速度，以及滾珠的數(shù)量和直徑?jīng)Q定。一旦故障出現(xiàn)，前面提到的撞擊有時候會產(chǎn)生可以聽見的聲音，即沖擊波，表現(xiàn)為低能量譜分量和相對較高的頻率，通常大于5 kHz，而且總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基本的旋轉(zhuǎn)頻率。只有低噪聲、高帶寬加速度計（例如ADI公司的ADXL100x）才能測量與首個故障信號相對應(yīng)的頻譜線。

2 測量模塊的解決方案

盡管諸如ADXL100x系列加速度計具有寬帶寬和低噪聲特點。但是，它們采用單軸，需要配備相關(guān)的處理電子設(shè)備。為了簡化設(shè)計，越來越多提供從組件到完整功能模塊產(chǎn)品。例如ADI公司提供了一套完整的解決方案，采用 ADcmXL3021型號實施三軸測量。這款3.3 V電源電壓產(chǎn)品包括3個基于ADXL1002的測量鏈、1個溫度傳感器、1個處理器和1個FIFO（先入先出）。整個裝置封裝在一個鋁殼 (23.7 mm×26.7 mm×12 mm) 內(nèi)，可以即時安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)器上。該產(chǎn)品的全尺寸為±50 g，具有僅25 μg/√Hz的極低噪聲水平和10 kHz帶寬，這些特點使其能夠在大量應(yīng)用中捕捉振動特征。

信號處理模塊不僅包括一個具有32個系數(shù)的可配置FIR（有限沖擊響應(yīng)）濾波器，還包括一個每軸2 048個節(jié)點的FFT（快速傅里葉變換）函數(shù)，用于對振動進(jìn)行頻譜分析。再將用這種方法計算得出的頻譜的每個頻率級別與可配置的報警閾值（每軸6個）進(jìn)行對比。如果頻譜組件過于密集，就會生成警報。該產(chǎn)品還可以通過SPI（串行外設(shè)接口）與主機(jī)處理器進(jìn)行交互，提供訪問內(nèi)部寄存器以及一組用戶可配置的函數(shù)的權(quán)限，包括先進(jìn)的數(shù)學(xué)函數(shù)，例如計算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大值、波峰因素和峰度（四階動力矩，支持測量振動的銳度）。利用這些機(jī)器健康狀況的深入見解，可以提高生產(chǎn)力和效率，最大限度地延長正常運行時間，加速實現(xiàn)工業(yè) 4.0。