使用MEMS傳感器進(jìn)行振動監(jiān)測

振動監(jiān)測 (VM) 已經(jīng)問世很長一段時間，并且已被用于監(jiān)測機(jī)器、設(shè)備或結(jié)構(gòu)的健康狀況。在機(jī)器運(yùn)行過程中，可以利用專用傳感器收集其振動數(shù)據(jù)以對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和分析。

振動監(jiān)測的主要目標(biāo)是降低致命性損壞的風(fēng)險并減少潛在的生產(chǎn)線停產(chǎn)狀況，從而最終控制并降低運(yùn)營成本。

來自振動傳感器的振動數(shù)據(jù)可以作為輸入數(shù)據(jù)獨(dú)立使用，也可以根據(jù)操作需求與其他傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合使用。例如，在工廠自動化應(yīng)用中，振動數(shù)據(jù)可以與以下數(shù)據(jù)結(jié)合使用：

1. 溫度
2. 煙霧
3. 濕度
4. 壓力
5. 聲音

這種組合可以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，從而提供更穩(wěn)固、更可靠的解決方案。

在其他一些用例中（例如結(jié)構(gòu)監(jiān)測），可以將振動數(shù)據(jù)與傾角儀收集的傾斜位置數(shù)據(jù)相結(jié)合，來確定結(jié)構(gòu)的健康狀況。

這些收集到的數(shù)據(jù)輸入至專用算法，例如新興的人工智能 (AI) 算法，可建立能夠預(yù)測未來潛在故障的模型。然后，模型預(yù)測信息可用于構(gòu)建知識，以便決定是否需要立即采取措施來避免生產(chǎn)力損失。

工廠自動化的一個新趨勢是人工智能算法的興起，這種算法可以根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，預(yù)測應(yīng)執(zhí)行的任務(wù)。這就減輕了各操作員的負(fù)擔(dān)，讓他們不必像以前一樣做出極其困難而費(fèi)時的決定。自主自動化工廠可以承擔(dān)各操作員的責(zé)任，并根據(jù)工況變化自動作出反應(yīng)。

振動傳感器

在振動監(jiān)測應(yīng)用中，振動傳感器是一個關(guān)鍵部件。最新的振動傳感器基于 MEMS 技術(shù)，使用與加速度計中的加速度檢測相同的概念。它們的主要區(qū)別在于傳感器的帶寬。MEMS 加速度計的典型帶寬為 3 kHz，而振動傳感器則能夠以明顯更高的帶寬檢測振動。振動傳感器能夠捕獲高頻信號，因此可以對振動進(jìn)行更為精確的頻率分析。最新的 MEMS 振動傳感器可以提供超過 6 kHz 的帶寬，這一點(diǎn)我們將在后面討論。

MEMS 振動傳感器有許多用例，圖 1 列出了一些主要應(yīng)用。電機(jī)振動監(jiān)測是成功實(shí)施工廠自動化的重要一環(huán)。鐵路振動監(jiān)測有助于避免發(fā)生災(zāi)難性的火車事故。自 MEMS 傳感器開始應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用起，洗衣機(jī)等家用電器就已經(jīng)配備了振動監(jiān)測功能。而結(jié)構(gòu)監(jiān)測應(yīng)用則在 MEMS 傳感器的成本變得更加合理之后獲得了蓬勃發(fā)展。例如，市政當(dāng)局有責(zé)任監(jiān)測橋梁的振動，以確保結(jié)構(gòu)處于良好的健康狀況。橋梁振動數(shù)據(jù)，尤其是在交通高峰時段的振動數(shù)據(jù)，可以針對任何可能導(dǎo)致橋梁倒塌的異常情況提供有價值的信息。

圖 1：部分 MEMS 傳感器和振動傳感器應(yīng)用。（圖片來源：STMicroelectronics）

若要確保振動傳感器符合目標(biāo)應(yīng)用的需求，我們需要仔細(xì)分析傳感器的技術(shù)規(guī)格。表 1 列出了 STMicroelectronics 提供的其中一款最新振動傳感器的主要參數(shù)。此器件可以捕捉到三維空間（X、Y、Z）的振動。其所提供的三個自由度，可用于靈活地在安裝方向上調(diào)整位置。

每個軸的加速度滿量程高達(dá) 16 g，足以覆蓋監(jiān)測機(jī)器健康狀況通常所需的振動幅度范圍。

此器件可以提供超寬帶寬，平坦頻率響應(yīng)高達(dá) 6.3 kHz，并具有消除頻率混疊的嵌入式濾波功能。

這款傳感器的另一個主要特點(diǎn)是頻譜噪聲密度非常低。當(dāng)需要捕捉低頻振動時，這是一個非常重要的優(yōu)勢。

與現(xiàn)有的振動傳感器相比，其工作溫度范圍擴(kuò)大至 +105°C，可以滿足苛刻的工作環(huán)境要求。

此器件可以在三軸模式或單軸模式下運(yùn)行，模式選擇通過專用寄存器來完成。在三軸模式下，所有三個軸（X、Y、Z）會同時啟用。在單軸模式下，只有一個軸處于活動狀態(tài)。在單軸模式下，活動軸的分辨率（噪聲密度）會顯著提高。

表 1：STMicroelectronics 提供的最新振動傳感器的主要參數(shù)。

振動監(jiān)測應(yīng)用

振動監(jiān)測通常是指對機(jī)器、設(shè)備或電器的振動進(jìn)行分析，這是所謂狀態(tài)監(jiān)測 (CM) 或基于狀態(tài)監(jiān)測 (CbM) 的綜合應(yīng)用的一部分。振動分析在監(jiān)測機(jī)器的長期健康狀況方面發(fā)揮著越來越重要的作用。但是，除了收集振動數(shù)據(jù)之外，完整的狀態(tài)監(jiān)測解決方案通常還包含多個傳感器，用以收集包括溫度、噪音、壓力、煙霧和濕度在內(nèi)的其他重要設(shè)備參數(shù)。在這些傳感器中，每一種傳感器都可提供關(guān)于機(jī)器特定狀況的寶貴信息。通過對這些傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、處理和分析，人們可以了解機(jī)器整體狀況，從而做出關(guān)鍵的機(jī)器維護(hù)決策。

列舉振動監(jiān)測在不同市場的一些主要應(yīng)用。圖中的分類凸顯出數(shù)據(jù)收集和分析對于狀態(tài)檢測綜合解決方案的重要性。其他傳感器可用來收集數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)融合在一起以獲得可靠而有效的結(jié)果。在業(yè)界提供的最新解決方案中，使用智能算法處理傳感器數(shù)據(jù)，可以將此類解決方案的能力和有效性提升至全新水平。這些功能強(qiáng)大的創(chuàng)新解決方案有助于顯著減少與設(shè)備停機(jī)相關(guān)的成本和低效問題，原本這些情況不可避免。

云計算已經(jīng)成為一個廣泛解決方案的關(guān)鍵組成部分之一，該解決方案涉及從企業(yè)多個地點(diǎn)收集傳感器數(shù)據(jù)以確保任何位置都不會出現(xiàn)任何程度的中斷。云端的中央處理器用于對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行合并與分析，并對涉及的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，確保它們平穩(wěn)地不間斷運(yùn)行。

圖 3 列出了振動監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成部分。根據(jù)系統(tǒng)的需求，可以在必須監(jiān)測的設(shè)備上安裝各種傳感器。這些傳感器包括：

• 振動
• 慣性傳感器模塊
• 溫度
• 濕度
• 壓力
• 環(huán)境光傳感器
• 傾角儀

分析收集的數(shù)據(jù)需要使用處理單元。根據(jù)數(shù)據(jù)量、隱私性、數(shù)據(jù)安全性、延遲和功耗要求，分析可以由本地處理單元完成，也可以傳輸?shù)皆铺幚?a target="_blank">中心，由其收集和分析來自多臺設(shè)備的所有數(shù)據(jù)。

圖3：振動監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分。（圖片來源：STMicroelectronics）

在機(jī)器安裝后和運(yùn)行期間，機(jī)器的狀況會在某個時間點(diǎn)開始發(fā)生變化。因此，務(wù)必要安裝所有需要的傳感器，以收集有關(guān)超聲和噪音、振動、功耗、溫度和任何潛在煙霧的數(shù)據(jù)。隨著時間的推移，收集機(jī)器參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)的必要性愈發(fā)凸顯，這對于監(jiān)測機(jī)器的健康狀況變得至關(guān)重要。

圖 4 描繪了受監(jiān)測機(jī)器的典型安裝和故障點(diǎn) (IPF) 曲線。從機(jī)器狀況變化到最終發(fā)生故障可能歷時很久，或許要幾個月甚至幾年才會開始出現(xiàn)故障癥狀。對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行早期分析，可以了解機(jī)器的健康狀況，而使用傳感器數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行訓(xùn)練的人工智能算法，則可以預(yù)測故障并開始采取必要的措施。

圖 4：IPF 曲線。（圖片來源：STMicroelectronics）

圖 5 提供了電動泵振動監(jiān)測的示例。失衡、松動、輸出軸和泵的齒輪箱等各種不同的狀況，都可以使用振動傳感器來監(jiān)測。然后，振動傳感器的數(shù)據(jù)被傳送出去，以進(jìn)一步進(jìn)行各種分析，包括對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換 (FFT)，從而確定這些狀況的各個頻率特征。

圖 5：不同狀況下的電動泵振動監(jiān)測。（圖片來源：STMicroelectronics）

電動機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)除了電動機(jī)之外，還可以包含幾個組件。該解決方案可以包含多個傳感器，例如振動傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器以及其他傳感器，具體取決于操作環(huán)境的要求。泵與處理單元之間可以選擇有線或無線的連接方式，并使用專門的通信協(xié)議。處理和分析單元可以提供泵的診斷和可視化工具，幫助操作人員主動識別和解決諸如泵異常等問題，這些問題可能會導(dǎo)致操作停機(jī)和中斷。通過這種主動介入，可以降低工廠的運(yùn)營和維護(hù)成本，提高公司的利潤。

結(jié)語

為了實(shí)施預(yù)測性維護(hù)綜合解決方案，需要部署許多傳感器。最新的 MEMS 振動傳感器為工廠自動化、電力設(shè)施、家用電器以及結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)測和監(jiān)管提供了高效和經(jīng)濟(jì)的振動監(jiān)測解決方案。振動監(jiān)測既可以作為獨(dú)立解決方案進(jìn)行部署，也可以作為基于狀態(tài)監(jiān)測的組成部分，后者已逐漸成為通過實(shí)時收集和分析數(shù)據(jù)來監(jiān)測各種機(jī)器的綜合解決方案不可或缺的部分。這一解決方案使21世紀(jì)的工廠有能力主動監(jiān)測和解決因機(jī)器生產(chǎn)力中斷和停工而產(chǎn)生的問題。在任何工廠自動化綜合解決方案中，振動監(jiān)測都是重要組成部分。

參考文獻(xiàn)

1. 用于工業(yè)應(yīng)用的超寬帶寬低噪聲3軸數(shù)字加速度計：https://www.st.com/zh/mems-and-sensors/iis3dwb.html
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3. Low-voltage, ultra-low-power, 0.5 °C accuracy I2C/SMBus 3.0 temperature sensor.https://www.st.com/zh/mems-and-sensors/stts22h.html
4. https://www.st.com/zh/applications/factory-automation/condition-monitoring-predictive-maintenance.html#overview
5. https://www.st.com/zh/applications/factory-automation.html