工業(yè)應(yīng)用的振動傳感器

智能傳感器節(jié)點是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的“煤礦中的金絲雀”，敏感地監(jiān)測工業(yè)設(shè)備的振動、電流和電壓變化、溫度、聲音，甚至超聲波——對任何潛在的關(guān)鍵或故障產(chǎn)生發(fā)出警報。事實上，振動和超聲波是設(shè)備故障的兩個最早跡象，發(fā)生在故障發(fā)生之前很久。壓電振動傳感器傳統(tǒng)上一直用于這些應(yīng)用，但微機電系統(tǒng) (MEMS) 傳感器正在取得進展，這要歸功于幾個好處。

振動傳感器

想象一下，我們有一個頂部安裝有振動傳感器的電機。根據(jù)振動的種類，可以預(yù)測在接下來的幾天或幾周內(nèi)機器可能會發(fā)生什么類型的故障。例如，當其中一個葉片破裂或斷裂時，電機可能正在驅(qū)動風扇。這產(chǎn)生的振動將帶有一定的特征。

在另一種情況下，如果電機從其底座上松動，這將再次產(chǎn)生振動信號，但頻率和圖形形狀與破裂的葉片不同。如果對負載的外部撞擊導(dǎo)致電機和負載失準，則會顯示一個獨特的簽名。齒輪嚙合和軸承問題通常會在振動數(shù)據(jù)中產(chǎn)生最高頻率。

壓電振動傳感器在很大程度上已成為此目的的首選技術(shù)。但是 MEMS 技術(shù)正在挑戰(zhàn)它們的普遍性。這個想法與其說是在現(xiàn)有用例中一對一地替換壓電，而是將 MEMS 傳感器用于大批量應(yīng)用并降低監(jiān)控工業(yè)機器的成本。這些節(jié)點可以提供高質(zhì)量的傳感器數(shù)據(jù)，同時使用無線接口和云連接將數(shù)據(jù)傳輸給最終用戶。

MEMS傳感器在尺寸、重量和功耗上肯定比壓電傳感器要小，成本水平也低很多。MEMS 提供直接數(shù)字輸出，最好與數(shù)字微控制器主機結(jié)合使用。其他好處包括在高沖擊事件后快速恢復(fù)，對于非常緩慢旋轉(zhuǎn)的機器的頻率響應(yīng)低至直流，以及感知多軸振動的可能性。

由于 STMicroelectronics 等供應(yīng)商最近在應(yīng)用程序的硬件和軟件方面進行了創(chuàng)新，設(shè)計人員擁有了開發(fā)尺寸非常小且具有無線連接功能的電池供電狀態(tài)監(jiān)測傳感器的工具。它們的每邊寬度可以小于 1 厘米，易于連接，并且在最新示例中，它們在部署后使用人工智能“學(xué)習(xí)”正在測量的內(nèi)容。

IIS3DWB 振動傳感器

STMicroelectronics 的IIS3DWB加速度計是專為振動監(jiān)測應(yīng)用設(shè)計的 MEMS 傳感器示例。IIS3DWB的主要參數(shù)(見下表)滿足工業(yè)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測的要求。

IIS3DWB 是一款三軸傳感器，具有從 2 g 到 16 g 的滿量程可選范圍，而電機監(jiān)控傳統(tǒng)上需要高達 4 g 或 8 g 的滿量程。與主機微控制器的接口是數(shù)字 SPI 總線，通過這種方式，關(guān)鍵優(yōu)勢 — 6.3 kHz @ –3 dB 的高帶寬 — 可以通過 26.7 kHz 的輸出數(shù)據(jù)速率實現(xiàn)。

IIS3DWB 的噪聲密度為 75 μg/√Hz，當通過設(shè)備寄存器僅啟用一個軸時，可以降低到 60 μg/√Hz。傳感器的電流消耗為 1.1 mA，使其適用于電池供電的應(yīng)用。

其他傳感器特性是 STMicroelectronics MEMS 傳感器系列的傳統(tǒng)特性：大型 3-kB FIFO 緩沖器、可編程濾波器和中斷、嵌入式溫度傳感器以及用于生產(chǎn)線末端測試的自測試功能。工業(yè)環(huán)境的另一個好處是工作溫度范圍為 –40°C 至 105°C。它還附帶公司的 10 年最低壽命承諾。

以IIS3DWB為例，我們將研究用于狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用的振動傳感器的關(guān)鍵性能指標 (KPI)。我們會討論：

輸出噪聲

機械振動的寬而平坦的測量帶寬

帶外滾降銳利，測量期間無混疊

傳感器輸出的溫度穩(wěn)定性

KPI 1：輸出噪聲

在小問題變大之前發(fā)現(xiàn)它們很重要。為了檢測機器振動曲線的微小變化，傳感器的輸出噪聲水平必須非常低。

下面的圖 2顯示了 IIS3DWB 過濾鏈的簡化版本，分為四個塊。從左側(cè)模塊(具有 7kHz 諧振頻率的 IIS3DWB 的機械傳感元件)開始，模擬信號通過高速 ADC 進入模擬前端。之后，數(shù)字信號通過一個截止頻率為 6.3 kHz 的低通濾波器 (LPF1) 進行濾波，最后一個模塊是一個復(fù)合濾波器，它允許額外的濾波和數(shù)字功能。

由于傳感器的機械特性、內(nèi)部濾波和數(shù)字處理，傳感器的輸出噪聲密度達到了極好的值 — x 軸和 y 軸為 75 μg/√Hz，軸為 110 μg/√Hz z軸在三軸操作模式下。這轉(zhuǎn)化為非常低的噪音水平，同時感應(yīng)所有三個軸的振動。

在單軸模式下，始終啟用三個軸中的一個，傳感器會改變內(nèi)部采樣和濾波的操作方式。因此，單個激活軸的可實現(xiàn)傳感器分辨率顯著提高，x 軸和 y 軸的噪聲密度降至 60 μg/√Hz，z 軸的噪聲密度降至 80 μg/√Hz。

KPI 2：寬而平坦的測量帶寬下面的

圖 3顯示了 IIS3DWB 在低通濾波器 (LPF1) 輸出端的頻率響應(yīng)，該頻率響應(yīng)在 –3 dB 的 6.3 kHz 截止頻率處是平坦的。由于這種平坦的響應(yīng)，最終產(chǎn)品不需要在應(yīng)用處理器中進行校準或額外的濾波或均衡。

KPI 3：無混疊的急劇滾降

頻率響應(yīng)特性的另一個重要部分來自圖 3中的 6.3 kHz 。您可以看到急劇的帶外滾降，每十倍頻程超過 90 dB。此外，對于 26.7 kHz ODR 以上的頻率，衰減高于 70 dB。最后，同樣非常重要的是，對于可能折回信號帶寬內(nèi)的高頻信號，實現(xiàn)了超過 50 dB 的高衰減。急劇滾降和帶外高衰減消除了有害的頻率混疊現(xiàn)象，這可能影響振動分析的質(zhì)量和可靠性。

KPI 4：傳感器輸出 的溫度穩(wěn)定性

振動傳感器最后一個重要的關(guān)鍵性能指標是其靈敏度隨溫度漂移。IIS3DWB 的漂移在所有三個傳感器軸上都可以忽略不計，并且在 –40°C 至 105°C 的整個溫度范圍內(nèi)與理想線性曲線的誤差保持在 ±2% 以內(nèi)。同樣，這對狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用來說是一個好處，因為微控制器中不需要額外的校準或靈敏度補償。

注意：零重力偏移隨溫度漂移，傳統(tǒng)上對加速度計很重要，但對振動傳感器并不重要，因為不涉及直流分量。

由于其 KPI 值，IIS3DWB 傳感器可提供高保真振動數(shù)據(jù)。通過運行 FFT 算法，本地微控制器可以在時域或頻域中輕松分析此類數(shù)據(jù)。被監(jiān)控設(shè)備中的任何異常都可以被檢測到。或者，可以將預(yù)處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M行后處理，以從大數(shù)據(jù)收集中受益。

評估工具和軟件

硬件 (HW) 和軟件 (SW) 工具對于狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用的實施也很重要。

在硬件方面，意法半導(dǎo)體提供STEVAL-MKI208V1K 評估套件。它包括一個小型方形板，可在產(chǎn)品開發(fā)階段輕松地將 IIS3DWB 傳感器集成到測試系統(tǒng)中。該板包含 IIS3DWB 振動傳感器和用于扁平電纜的連接器，套件中還包含該連接器以及 DIL24 適配器板。該板很容易通過螺釘、膠水或磁鐵連接到需要測量振動的地方。

另一個可用于評估 IIS3DWB 傳感器的硬件工具稱為 STWIN(Sensor Tile 無線工業(yè)節(jié)點)。STWIN 開發(fā)套件以塑料泡罩的形式提供，帶有可充電電池、帶安裝孔的塑料外殼盒和 ST Link 編程探針。開發(fā)工具包可以開箱即用，用于狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用程序，也可以由用戶在以后的應(yīng)用程序開發(fā)過程中進行定制。

下面的框圖顯示了以 STM32L4、STMicroelectronics 的低功耗 Cortex-M4 MCU 為中心的 STWIN，以及幾個針對工業(yè)應(yīng)用的傳感器。它還包括所有運動傳感器：IIS3DWB 振動傳感器、帶有機器學(xué)習(xí)核心的 ISM330DHCX 六軸慣性測量單元 (IMU)、IIS2DH 超低功耗加速度計和 IIS2MDC 磁力計。板載環(huán)境傳感器包括 STTS751 溫度傳感器、HTS221 相對濕度傳感器和 LPS22HH 氣壓計。還有兩個 MEMS 麥克風——具有模擬輸出和超聲波功能的 MP23ABS1 寬帶麥克風和具有可聽頻帶數(shù)字輸出的 IMP34DT05。

此外，還有 STMicroelectronics 的 BLE 通信模塊、用于無線藍牙通信的 SPBTLE-1S 以及 USB 和 RS485 收發(fā)器，以防 STWIN 用于有線工業(yè)應(yīng)用。最后，如果應(yīng)用程序需要它來確保數(shù)據(jù)保護，安全元件 STSAFE-100 的集成需要占用空間。有幾個擴展連接器——所有這些都受到 ESD 保護，以保證設(shè)計的穩(wěn)健性。

提供三個軟件包。其中兩個，STSW-STWINKT01 和 FP-IND-PREDMNT1，目標傳感器數(shù)據(jù)記錄和時域和頻域的振動監(jiān)測。第三個軟件包 X-CUBE-MEMSMIC1 包括用于麥克風數(shù)據(jù)采集和處理以及使用 FFT 進行超聲數(shù)據(jù)分析的項目。

STSW-STWINKT01 開發(fā)包專注于高速傳感器數(shù)據(jù)記錄，并允許以最高輸出數(shù)據(jù)速率記錄來自 STWIN 板上所有傳感器的數(shù)據(jù)，包括 ISM330DHCX 六軸機器學(xué)習(xí)核心的輸出IMU 傳感器。數(shù)據(jù)存儲在板載 μSD 卡或 PC 中，通過 USB 接口連接?？梢詮?a target="_blank">智能手機或 PC 配置和觸發(fā)數(shù)據(jù)記錄。

FP-IND-PREDMNT1專為預(yù)測性維護應(yīng)用量身定制。它實現(xiàn)了振動信號的時域和頻域分析。時域分析評估每個傳感器軸的 RMS 速度和加速度峰值的狀態(tài)。頻域分析基于用于檢查振動頻譜的 FFT 算法。

這個包中有兩個例子。第一個示例需要一個 STEVAL-STWINWFV1 Wi-Fi 附加板。通過將此 Wi-Fi 附加板擴展連接到 STWIN，振動和超聲數(shù)據(jù)可以直接顯示在連接到 AWS 云的預(yù)測性維護儀表板上。該云服務(wù) (DSH-PREDMNT) 可免費用于評估 STMicroelectronics 的傳感器。

第二個例子是允許類似功能的 STWIN 默認固件;但是，無線數(shù)據(jù)傳輸是由板載 BLE 模塊直接建立到移動設(shè)備的。借助 ST BLE Sensor 應(yīng)用程序，可將傳感器數(shù)據(jù)和 FFT 結(jié)果顯示在移動設(shè)備上，該應(yīng)用程序可安裝在 Android 和 iOS 平臺上。

結(jié)論

在現(xiàn)代工業(yè)工廠中，與過去使用的反應(yīng)性維護類型相比，預(yù)測性維護可以節(jié)省成本。新設(shè)備以及對現(xiàn)有設(shè)備的改造利用強大的傳感器來測量和監(jiān)控電機、風扇、泵等資產(chǎn)。利用多種類型的傳感器可以在數(shù)周甚至數(shù)周內(nèi)進行異常檢測和分類在實際失敗發(fā)生前幾個月。

審核編輯：湯梓紅