為狀態監控選擇MEMS加速度計時，有哪些關鍵但經常被忽視的參數？

MEMS加速度計對于檢測故障情況、幫助防止意外斷電或避免發生其他代價高昂的事件至關重要。作為一名負責為狀態監控(CbM)應用選擇和安裝合適傳感器的工程師，需要在做出選擇之前仔細考慮多個關鍵參數，然而這些參數常常被忽視。本文將討論您在做出選擇時應特別留意的一些關鍵標準。

問題:

為狀態監控選擇MEMS加速度計時，有哪些關鍵但經常被忽視的參數？

答案:

在MEMS加速度計的選擇過程中，經常被低估或忽視的關鍵參數有傳感器的量程、帶寬和諧振頻率。如果這些參數太低或僅能勉強滿足需求，將會導致測量效果不理想。

簡介

MEMS加速度計對于檢測故障情況、幫助防止意外斷電或避免發生其他代價高昂的事件至關重要。作為一名負責為狀態監控(CbM)應用選擇和安裝合適傳感器的工程師，需要在做出選擇之前仔細考慮多個關鍵參數，然而這些參數常常被忽視。本文將討論您在做出選擇時應特別留意的一些關鍵標準。

狀態監控

CbM是利用傳感器監測機械系統可能出現的潛在缺陷或損壞的過程。CbM用于監測滾珠軸承、齒輪、泵和許多其他應用中的缺陷。通常的做法是采用多種不同類型原理的傳感器來確保實現出色監控效果。使用此類傳感器可以盡早發現異常情況，并采取預防措施以避免可能的損壞或事故。一種方法是預測性維護(PdM)，根據從傳感器讀數收集到的數據來預測系統內的潛在故障。這有助于減少停機時間并提高運營效率。盡管在CbM應用中常常使用多種類型的傳感器，包括加速度計、溫度傳感器、磁力計和MEMS麥克風等，但本文將特別關注MEMS加速度計。

MEMS加速度計

MEMS加速度計用于將機械振動轉換為電壓或數字值。MEMS傳感器由活動和固定的硅元件組成，它們相互交叉形成電容，如圖1a所示。機械運動會使得活動元件向固定元件移動。該結構在數學上可以描述為質量彈簧系統，其中的加速度可以根據測得的力來計算。在模擬MEMS傳感器中（圖1b），機械振動可以轉換為電壓。數字傳感器額外使用集成模數轉換器來輸出數字值，如圖1c所示。ADI公司提供類型豐富的MEMS加速度計，例如低噪底、高帶寬和多軸傳感器。

圖1.(a) MEMS結構，沿z軸運動；(b) MEMS模擬輸出；(c) MEMS數字輸出。

適用于CbM的MEMS加速度計的關鍵參數

量程

所選擇的MEMS傳感器的量程應涵蓋系統中出現的所有加速度。如果傳感器的量程太小，信號可能會被削波。這會導致測量結果出現不對稱信號/信號偏移，導致出現加速度解讀誤差。在此過程中，應在傳感器中記為1 g的重力加速度常被忽略。

帶寬

此外，還應結合帶寬考慮系統中出現的加速度所對應的頻率。缺陷的早期檢測，例如與滾珠軸承、泵等相關的缺陷，在CbM應用中至關重要。缺陷的最初跡象通常出現在高頻頻譜。如果選擇的帶寬太小，則這些缺陷甚至可能無法被檢測到。在此類應用中，加速度是頻率平方的函數。例如，在位移為250 nm且頻率為1 kHz時，實際加速度為1 g。如果此位移發生在10 kHz，則實際加速度為100 g，或者說比之前高出100倍。也就是說，為了能夠盡早發現系統中的缺陷，必須選擇帶寬和量程足夠大的傳感器。為了滿足高度關鍵應用的需求，ADI公司提供帶寬高達24 kHz和量程達到500 g的傳感器。

傳感器諧振頻率

選擇帶寬時要考慮的另一個因素是傳感器的諧振。當加速度發生在傳感器的諧振頻率上時，傳感器的靈敏度會增加，進而造成可用信號失真的糟糕情況，影響測量結果的準確性。為系統提供機械阻尼/濾波可以解決這個問題。除帶寬外，低本底噪聲對于實現故障或偏差的早期檢測也很重要。出色的MEMS加速度計的本底噪聲應小于100 μg/√Hz。

有關MEMS加速度計規格的完整概述，請參閱 加速度計規格——簡要定義。

結論

基于MEMS的加速度計現在可以很好地替代壓電傳感器。MEMS加速度計具有高達24 kHz的高帶寬和低本底噪聲，非常適合用于預測和檢測缺陷的早期跡象，從而降低系統故障率和相關成本。ADI公司為CbM應用提供廣泛的傳感器選擇，包括 ADXL100x 和 ADXL356/ADXL357 。有關可用MEMS加速度計的更多信息，請訪問 我們的加速度計頁面。

參考資料

Richard Anslow和Dara O'Sullivan。"選擇最佳的振動傳感器來進行風輪機狀態監控"?！赌M對話》，第54卷第3期，2020年9月。

Chris Murphy。"為什么MEMS加速度計正在成為設計人員在CbM應用中的最佳選擇"。ADI公司，2021年2月。

Pete Sopcik和Dara O'Sullivan。"傳感器性能如何實現狀態監控解決方案"?！赌M對話》，第53卷第6期，2019年6月。