MEMS振動監(jiān)測簡介

圖4顯示了ADIS16228的信號鏈，該信號鏈?zhǔn)褂镁哂蠪FT分析和存儲功能的數(shù)字三軸振動傳感器來監(jiān)控設(shè)備振動的頻譜內(nèi)容。

圖4.用于頻譜振動分析的ADIS16228信號鏈。

核心傳感器

這兩種方法的核心傳感器都可以是MEMS加速度計。選擇核心傳感器的最重要屬性是軸數(shù)、封裝/組件要求、電氣接口（模擬/數(shù)字）、頻率響應(yīng)（帶寬）、測量范圍、噪聲和線性度。雖然許多三軸MEMS加速度計支持與大多數(shù)嵌入式處理器直接連接，但要獲得最佳性能水平，可能需要具有模擬輸出的單軸或雙軸解決方案。例如，高性能寬帶iMEMS加速度計ADXL001利用其22 kHz諧振提供最寬的可用帶寬之一，但它僅作為單軸模擬輸出器件提供。模擬輸出可以在具有可用模數(shù)通道的系統(tǒng)中實現(xiàn)快速接口，但目前的發(fā)展趨勢似乎有利于那些具有數(shù)字接口的傳感器。?

核心傳感器的頻率響應(yīng)和測量范圍決定了在輸出飽和之前它可以支持的最大振動頻率和幅度。飽和會降低頻譜響應(yīng)，產(chǎn)生可能導(dǎo)致誤報的雜散內(nèi)容，即使飽和頻率不會干擾目標(biāo)頻率也是如此。測量范圍和頻率響應(yīng)由

其中 D 是物理位移，ω 是振動頻率，A 是加速度。

雖然頻率響應(yīng)和測量范圍限制了傳感器響應(yīng)的上限，但其噪聲和線性度限制了分辨率。噪聲將確定振動的下限，這將在輸出中引起響應(yīng)，而線性度將決定振動信號產(chǎn)生多少虛假諧波成分。

模擬濾波器

模擬濾波器將信號內(nèi)容限制在一個奈奎斯特區(qū)，占示例系統(tǒng)中采樣速率的一半。即使濾波器截止頻率在奈奎斯特區(qū)以內(nèi)，也不可能對高頻分量進行無限抑制，這些分量仍然可以折回通帶。對于僅監(jiān)測第一奈奎斯特區(qū)的系統(tǒng)，這種折返行為可能會產(chǎn)生假故障，并扭曲特定頻率下的振動內(nèi)容視圖。

窗口

時間相干采樣在振動檢測應(yīng)用中通常不切實際，因為時間記錄開始和結(jié)束時的非零采樣值會導(dǎo)致較大的頻譜泄漏，從而降低FFT分辨率。在計算FFT之前應(yīng)用窗口函數(shù)有助于管理頻譜泄漏。最佳窗口函數(shù)取決于實際信號，但通常，權(quán)衡因素包括過程損耗、頻譜泄漏、波瓣位置和波瓣電平。

快速傅里葉變換 （FFT）

FFT是一種用于分析離散時間數(shù)據(jù)的有效算法。該過程將時間記錄轉(zhuǎn)換為離散頻譜記錄，其中每個樣本代表奈奎斯特區(qū)的一個離散頻率段。輸出樣本的總數(shù)等于原始時間記錄中的樣本數(shù)，在大多數(shù)情況下，它表示二項式序列 （1， 2， 4， 8 ... ） 中的數(shù)字。光譜數(shù)據(jù)具有幅度和相位信息，可以用矩形或極性形式表示。當(dāng)呈矩形形式時，F(xiàn)FT箱的一半包含幅度信息，而另一半包含相位信息。當(dāng)呈極性形式時，F(xiàn)FT箱的一半包含實結(jié)果，而另一半包含虛結(jié)果。

在某些情況下，幅度和相位信息都是有幫助的，但幅度/頻率關(guān)系通常包含足夠的信息來檢測關(guān)鍵變化。對于僅提供幅度結(jié)果的器件，F(xiàn)FT 箱的數(shù)量等于原始時域記錄中樣本的一半。FFT 箱寬度等于采樣率除以記錄總數(shù)。在某種程度上，每個FFT箱就像時域中的一個單獨的帶通濾波器。圖5提供了一個實際MEMS振動傳感器的示例，該傳感器以每秒20480個樣本（SPS）采樣，并以512點記錄開始。在這種情況下，傳感器僅提供量級信息，因此箱總數(shù)為 256，箱寬度等于 40 Hz （20480/512）。

圖5.ADIS16228 FFT輸出。

箱寬很重要，因為它在頻率從一個箱移動到相鄰箱時建立頻率分辨率，并且因為它決定了箱將包含的總噪聲?？傇肼?（rms） 等于噪聲密度 （~240 μg/√Hz） 與箱寬平方根 （√40 Hz） 的乘積，即 ~1.5 mg rms。對于噪聲往往對振動分辨率影響最大的低頻應(yīng)用，F(xiàn)FT過程之前的抽取濾波器有助于提高頻率和幅度分辨率，而無需改變ADC的采樣頻率。將20480 SPS采樣率抽取256倍可將頻率分辨率提高256倍，同時將噪聲降低16倍。

頻譜報警

使用FFT的主要優(yōu)點之一是它可以簡單地應(yīng)用頻譜報警。圖6提供了一個示例，其中包括五個獨立的頻譜報警，用于監(jiān)控機器中的固有頻率，其諧波（#2，#3和#4）以及寬帶內(nèi)容。警告和臨界水平對應(yīng)于機器健康振動與時間曲線中的水平。開始和停止頻率完成了由此關(guān)系表示的過程變量定義。使用嵌入式處理器時，頻譜報警定義變量（啟動/停止頻率、警告/臨界報警級別）可以位于使用數(shù)字代碼進行配置的可配置寄存器位置。使用相同的比例因子和條柱編號方案可以大大簡化此過程。

圖6.帶有頻譜報警的示例 FFT。

記錄管理

與過程變量關(guān)系相關(guān)的關(guān)鍵功能之一是記錄管理。存儲每臺機器生命周期不同階段的FFT記錄可以分析可能導(dǎo)致磨損曲線的各種行為，從而有助于維護和安全規(guī)劃。除了編譯歷史振動數(shù)據(jù)外，有些人還會發(fā)現(xiàn)捕獲與電源、溫度、日期、時間、采樣率、報警設(shè)置和濾波等參數(shù)相關(guān)的條件數(shù)據(jù)的價值。

接口

接口取決于特定工廠中的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。在某些情況下，以太網(wǎng)或RS-485等工業(yè)電纜就緒通信標(biāo)準(zhǔn)隨時可用，因此智能傳感器和通信系統(tǒng)之間的接口可能是嵌入式處理器。在其他情況下，相同的嵌入式處理器可用于將智能傳感器與現(xiàn)有無線協(xié)議（如Wi-Fi，ZigBee或系統(tǒng)特定標(biāo)準(zhǔn)）連接。一些智能傳感器，如用于遠程傳感器的ADIS16000無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點和ADIS16229，帶有可隨時部署的無線接口，可通過SPI或I等常見嵌入式接口獲得。

結(jié)論

慣性MEMS技術(shù)正在開創(chuàng)振動監(jiān)測的新時代，并為此類儀器提供更廣泛的用戶群。性能、封裝和熟悉度可能有助于繼續(xù)使用壓電技術(shù)，但振動監(jiān)測顯然正在增長和發(fā)展。通過功能集成和易于采用，MEMS器件在新的振動監(jiān)測應(yīng)用中越來越受到關(guān)注。通過傳感點的高級信號處理，在大多數(shù)情況下，將監(jiān)控負擔(dān)降低到簡單狀態(tài)（正常、警告、嚴(yán)重）。此外，通過便捷的通信渠道進行遠程數(shù)據(jù)訪問正在為振動監(jiān)測儀器創(chuàng)造新的應(yīng)用。未來在關(guān)鍵性能指標(biāo)（噪聲、帶寬和動態(tài)范圍）方面的進步以及高水平的功能集成將有助于在不久的將來繼續(xù)這一趨勢。

審核編輯：郭婷