如何建立基于MEMS的解決方案，以在狀態(tài)監(jiān)控期間實(shí)施振動(dòng)檢測(cè)

對(duì)于使用電機(jī)、發(fā)電機(jī)和齒輪等的機(jī)械設(shè)備和技術(shù)系統(tǒng)，狀態(tài)監(jiān)控是當(dāng)前的核心挑戰(zhàn)之一。在最大限度降低生產(chǎn)停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)這一方面，計(jì)劃性維護(hù)的重要性日益凸顯，不僅是在工業(yè)領(lǐng)域，在任何使用機(jī)械系統(tǒng)的地方均是如此。除此以外，本文還分析了機(jī)器的振動(dòng)模式。齒輪箱導(dǎo)致的振動(dòng)在頻域體現(xiàn)為軸速的倍數(shù)。不同頻率點(diǎn)的磨損、不平衡或松脫的部件等異常。我們通常使用基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的加速度計(jì)來測(cè)量頻率。與壓電式傳感器相比，它們具有更高的分辨率、出色的漂移特性和靈敏度，以及更高的信噪比(SNR)，此外，還能檢測(cè)幾乎接近直流范圍的極低頻率振動(dòng)。

本文介紹一種基于 ADXL1002 MEMS加速度計(jì)的高線性、低噪聲、寬帶振動(dòng)測(cè)量解決方案。這種解決方案可用于實(shí)施軸承分析或發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)，且適用于所有需要?jiǎng)討B(tài)范圍高達(dá)±50 g、頻率響應(yīng)范圍為從直流至11 kHz的應(yīng)用。

圖1顯示的是一個(gè)示例電路。來自ADXL1002的模擬輸出信號(hào)通過2階RC濾波器饋送至逐次逼近寄存器(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)  AD4000 ，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字值，以進(jìn)一步處理信號(hào)。

ADXL1002是ADI公司一款高頻率的單軸MEMS加速度計(jì)，提供遠(yuǎn)超過傳感器諧振頻率范圍的輸出信號(hào)通頻帶。采用此器件之后，也可以監(jiān)測(cè)3 dB帶寬以外的頻率。為了實(shí)施這種監(jiān)測(cè)，ADXL1002的輸出放大器需要支持70 kHz小信號(hào)帶寬。使用ADXL1002的輸出放大器也可以直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 pF的容性負(fù)載。要實(shí)現(xiàn)高于100 pF的負(fù)載，需要使用不低于8 kΩ的串聯(lián)電阻。

ADXL1002的輸出端需要配備外部濾波器，以消除ADXL1002的輸出放大器和其他內(nèi)部噪聲組件產(chǎn)生的混疊噪聲，例如，耦合內(nèi)部200 kHz時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生的噪聲。因此，需要相應(yīng)采用濾波器帶寬。采用圖1所示的尺寸（R1 = 16 kΩ，C1 = 300 pF，R2 = 32 kΩ，C2 = 300 pF）時(shí)，在200 kHz時(shí)會(huì)實(shí)現(xiàn)約84 dB衰減。此外，選擇的ADC采樣速率應(yīng)該高于放大器的帶寬（例如，32 kHz）。

對(duì)于ADC，選擇ADXL1002的電源電壓作為其基準(zhǔn)電壓源，這是因?yàn)檩敵龇糯笃髋c電源電壓成比率關(guān)系。在本例中，電源電壓的容差和電壓溫度系數(shù)（一般連接至外部穩(wěn)壓器）介于加速度計(jì)和ADC之間，所以可以抵消與電源和基準(zhǔn)電壓相關(guān)的隱含誤差。

圖1 ADXL1002的示例電路

頻率響應(yīng)

加速度計(jì)的頻率響應(yīng)是該系統(tǒng)最重要的特性，具體如圖2所示。在頻率高出約2 kHz至3 kHz時(shí)，增益增加。對(duì)于諧振頻率(11 kHz)，在輸出電壓下產(chǎn)生約12 dB（因子為4）的最大增益值。

為了顯示量程過沖（超量程），ADXL1002配備了一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出（OR引腳）。發(fā)生明顯的超量程事件時(shí)，集成式監(jiān)測(cè)器會(huì)發(fā)出警報(bào)。

圖2 ADXL1002的頻率響應(yīng)

機(jī)械安裝注意事項(xiàng)

應(yīng)特別注意將加速度計(jì)放置在正確的位置。加速度計(jì)應(yīng)安裝在靠近板的剛性安置點(diǎn)的位置，避免電路板本身產(chǎn)生任何振動(dòng)，以及因?yàn)殡娐钒逭駝?dòng)未受抑制而導(dǎo)致的測(cè)量誤差。這種放置可以確保加速度計(jì)每次受到的電路板振動(dòng)的頻率都高于機(jī)械傳感器的諧振頻率，因此實(shí)際上對(duì)加速度計(jì)是不可見的。多個(gè)安裝點(diǎn)時(shí)，接近傳感器和較厚的板也有助于降低系統(tǒng)諧振對(duì)傳感器性能的影響。

結(jié)論

采用圖1所示的電路時(shí)，可以相對(duì)容易地構(gòu)建基于MEMS的解決方案，ADI公司該方案可以檢測(cè)直流范圍到11 kHz的振動(dòng)（旋轉(zhuǎn)機(jī)器的狀態(tài)監(jiān)控通常要求采用這一范圍）。

作者簡(jiǎn)介

Thomas Brand于2015年加入德國(guó)慕尼黑ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)目。2017年，他成為一名現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國(guó)莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國(guó)康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國(guó)際銷售碩士學(xué)位。

參考資料： 

 電路筆記CN-0303：帶頻率響應(yīng)補(bǔ)償?shù)腗EMS振動(dòng)分析儀 。ADI公司，2016年9月。