監(jiān)控工業(yè)系統(tǒng)中MEMS振動(dòng)傳感器的構(gòu)建

監(jiān)控工業(yè)系統(tǒng)中的振動(dòng)可以提供有關(guān)設(shè)備健康狀況的寶貴數(shù)據(jù)，并可以節(jié)省成本的先發(fā)制人的維護(hù)，但是有許多不同的方法來(lái)構(gòu)建這樣的系統(tǒng)?？梢允褂煤?jiǎn)單的壓電振動(dòng)傳感器，但需要數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理來(lái)捕獲和分析數(shù)據(jù)。微機(jī)械（MEMS）傳感器在汽車安全氣囊和智能手機(jī)和平板電腦跌落傳感器等應(yīng)用中的應(yīng)用越來(lái)越受歡迎，這大大提高了成本，并開啟了這些傳感器在工業(yè)應(yīng)用中的應(yīng)用。

這些MEMS加速度計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)制造，可以大批量生產(chǎn)，也可以與傳感器一起集成。這導(dǎo)致單封裝設(shè)備可以提供沿所有三個(gè)軸的振動(dòng)測(cè)量，以及時(shí)域和頻域中的復(fù)雜信號(hào)處理。這使設(shè)計(jì)人員能夠輕松開發(fā)收集各種數(shù)據(jù)的傳感器系統(tǒng)，并識(shí)別許多不同類型的故障機(jī)制，提醒操作員注意各種工業(yè)設(shè)備中的潛在問(wèn)題，以便節(jié)省成本的先發(fā)制人的維護(hù)。

工業(yè)機(jī)械的大多數(shù)振動(dòng)包含低于1 kHz的頻率，但相關(guān)的信號(hào)分量通常存在于更高的頻率，這是選擇振動(dòng)傳感器的關(guān)鍵考慮因素。如果已知旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)行速度，則感興趣的最高頻率可以是運(yùn)行速度與支撐軸的軸承數(shù)量的乘積的諧波，并且圍繞這些諧波會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。然而，對(duì)于其他系統(tǒng)，故障模式的頻率可能是未知的，因此可能需要更復(fù)雜的信號(hào)分析。

設(shè)備的類型決定了應(yīng)用的高頻要求，因此決定了傳感器的選擇。提供足夠的頻率范圍，同時(shí)滿足靈敏度和幅度范圍要求。頻率范圍較低的傳感器往往具有較低的電子噪聲基底，從而增加了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于應(yīng)用而言，這個(gè)因素可能比高頻測(cè)量更重要。

高度集成的MEMS加速度傳感器的一個(gè)例子是ADI公司的ADIS16228 iSensor。這是一個(gè)完整的振動(dòng)傳感系統(tǒng)，它將三軸加速度傳感與先進(jìn)的時(shí)域和頻域信號(hào)處理相結(jié)合。時(shí)域信號(hào)處理包括可編程抽取濾波器和可選擇的窗口函數(shù)，而頻域處理包括每個(gè)軸的512點(diǎn)實(shí)值FFT，以及FFT平均，這降低了噪聲基底變化以獲得更精細(xì)的分辨率。 14個(gè)記錄的FFT存儲(chǔ)系統(tǒng)使用戶能夠跟蹤隨時(shí)間變化并使用多個(gè)抽取濾波器設(shè)置捕獲FFT。

20.48 kSPS采樣率和5 kHz平坦頻帶提供適合許多機(jī)器運(yùn)行狀況的頻率響應(yīng)應(yīng)用。內(nèi)部時(shí)鐘在所有操作期間驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采樣和信號(hào)處理系統(tǒng)，從而無(wú)需外部時(shí)鐘源。數(shù)據(jù)捕獲功能有三種模式，可提供多種選項(xiàng)以滿足許多不同應(yīng)用的需求，實(shí)時(shí)模式可在一個(gè)軸上直接訪問(wèn)流數(shù)據(jù)。 SPI和數(shù)據(jù)緩沖結(jié)構(gòu)提供了對(duì)數(shù)據(jù)輸出的便捷訪問(wèn)。 ADIS16228還提供數(shù)字溫度傳感器和數(shù)字電源測(cè)量，以便為傳感器節(jié)點(diǎn)本身提供診斷

圖1：ADI三軸MEMS振動(dòng)傳感器的機(jī)械元件。

ADIS16228中的數(shù)字振動(dòng)傳感始于每個(gè)軸上的MEMS加速度計(jì)核心。這將速度的線性變化轉(zhuǎn)換為代表性的電信號(hào)，使用如圖1所示的微機(jī)械系統(tǒng)。該系統(tǒng)的機(jī)械部分包括兩個(gè)不同的框架（一個(gè)固定，一個(gè)移動(dòng)），其具有一系列板以形成可變差分電容網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)經(jīng)歷與重力或加速度相關(guān)聯(lián)的力時(shí)，移動(dòng)框架相對(duì)于固定框架改變其物理位置，這導(dǎo)致電容的改變。微小彈簧將移動(dòng)框架系在固定框架上，并控制加速度和物理位移之間的關(guān)系。移動(dòng)板上的調(diào)制信號(hào)通過(guò)每個(gè)電容路徑進(jìn)入固定框架板并進(jìn)入解調(diào)電路，解調(diào)電路產(chǎn)生與作用在器件上的加速度成比例的電信號(hào)。圖2顯示了簡(jiǎn)化的框圖。 ADIS16228具有信號(hào)處理級(jí)，集成了時(shí)域數(shù)據(jù)捕獲，數(shù)字抽取/濾波，窗口化，F(xiàn)FT分析，F(xiàn)FT平均和記錄存儲(chǔ)。

圖2：簡(jiǎn)化的傳感器信號(hào)ADI16228的處理框圖。

用戶寄存器（包括輸出寄存器和控制寄存器，如圖2所示）管理用戶對(duì)傳感器數(shù)據(jù)和配置輸入的訪問(wèn)。每個(gè)16位寄存器都有自己唯一的位分配和兩個(gè)地址：一個(gè)用于高位字節(jié)，另一個(gè)用于低位字節(jié)。數(shù)據(jù)收集和配置命令使用SPI，它由四條線組成。芯片選擇（CS）信號(hào)激活SPI接口，串行時(shí)鐘（SCLK）同步串行數(shù)據(jù)線。輸入命令在SCLK上升沿一次一位地插入DIN引腳。輸出數(shù)據(jù)從SCLK下降沿的DOUT引腳輸出。當(dāng)SPI用作從設(shè)備時(shí)，DOUT內(nèi)容反映了使用DIN命令請(qǐng)求的信息雙存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

用戶寄存器為SPI接口中的所有輸入/輸出操作提供尋址，以使用雙存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化與傳感器節(jié)點(diǎn)的接口。控制器使用SRAM寄存器進(jìn)行正常操作，包括用戶配置命令，而閃存為具有閃存?zhèn)浞莸目刂萍拇嫫魈峁┓且资源鎯?chǔ)。將配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在閃存中需要手動(dòng)閃存更新命令，以便在器件上電或復(fù)位時(shí)，閃存內(nèi)容加載到SRAM中，器件根據(jù)控制寄存器中的配置開始生成數(shù)據(jù)。

ADIS16228使用SPI進(jìn)行通信，可通過(guò)兼容的嵌入式處理器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單連接。 DIO1的出廠默認(rèn)配置提供忙碌指示信號(hào)，當(dāng)事件完成且數(shù)據(jù)可供用戶訪問(wèn)時(shí)，該信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電平。如有必要，DIO_CTRL寄存器用于重新配置DIO1和DIO2。

用戶控制寄存器控制大多數(shù)內(nèi)部操作。 DIN位序列提供了一次一個(gè)字節(jié)寫入這些寄存器的能力。某些配置更改和功能只需要一個(gè)寫周期。例如，設(shè)置GLOB_CMD ［11］ = 1（DIN = 0xBF08）將啟動(dòng)手動(dòng)捕獲序列。在最后一位進(jìn)入DIN時(shí)鐘（第16個(gè)SCLK上升沿）后立即開始手動(dòng)捕捉。其他配置可能需要寫入兩個(gè)字節(jié)。

記錄模式選擇建立數(shù)據(jù)類型（時(shí)域或頻域），觸發(fā)類型（手動(dòng)或自動(dòng)）和數(shù)據(jù)收集（捕獲或?qū)崟r(shí)）。 REC_CTRL1 ［1：0］位提供四種工作模式：手動(dòng)FFT，自動(dòng)FFT，手動(dòng)時(shí)間捕獲和實(shí)時(shí)。設(shè)置REC_CTRL1后，手動(dòng)FFT，自動(dòng)FFT和手動(dòng)時(shí)間捕獲模式需要啟動(dòng)命令才能開始采集頻譜或時(shí)域記錄。此模式下有兩個(gè)啟動(dòng)命令選項(xiàng)：SPI和I/O. SPI觸發(fā)器涉及設(shè)置GLOB_CMD ［11］ = 1（DIN = 0xBF08）。 I/O觸發(fā)器涉及使用DIO_CTRL將DIO1或DIO2配置為輸入觸發(fā)線。

圖3：ADIS16228安裝在其評(píng)估板上。

MEMSIC MXR7250VW是一款低成本的雙軸加速度計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)的亞微米CMOS工藝制造，采用另一種方法。它可以測(cè)量加速度，滿量程范圍為±5 g，靈敏度為250 mV/g。

MXR7250VW在電源電壓的50％處提供高于/低于零g點(diǎn)的g比例比率模擬輸出。典型的本底噪聲為0.6 mg/Hz，允許在1 Hz帶寬下分辨低于1 mg的信號(hào)。器件的3 dB衰減發(fā)生在27 Hz。

圖4：MXR7250VW雙軸加速度計(jì)的框圖。

MXR7250VW采用密封LCC封裝表面貼裝封裝（5.5 mm x 5.5 mm x 2.7 mm高度），封裝可用作XY和XZ傳感，工作溫度為-40°C至+ 95°C。

Memsic的加速度計(jì)技術(shù)允許適用于±1 g至±70 g的設(shè)計(jì)，定制版本可在±70 g以上。它可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度（如振動(dòng)）和靜態(tài)加速度（如重力下降）。該設(shè)計(jì)基于熱對(duì)流并且不需要固體檢測(cè)質(zhì)量，并且像其他具有檢測(cè)質(zhì)量的加速度計(jì)一樣運(yùn)行，除了它是傳感器中的氣體。用這種方法，以硅芯片為中心的單個(gè)熱源是懸在一個(gè)空腔上。等間距的鋁/多晶硅熱電堆（熱電偶組）等距地位于熱源的所有四個(gè)側(cè)面上（雙軸）。在零加速度下，溫度梯度關(guān)于熱源對(duì)稱，因此所有四個(gè)熱電堆的溫度相同，導(dǎo)致它們輸出相同的電壓。由于自由對(duì)流傳熱，任何方向的加速都會(huì)擾亂溫度分布，導(dǎo)致其不對(duì)稱。因此，四個(gè)熱電堆的溫度和電壓輸出將是不同的熱電堆輸出端的差分電壓與加速度成正比。 MXR7250VW上有兩個(gè)相同的加速度信號(hào)路徑，一個(gè)用于測(cè)量X軸的加速度，另一個(gè)用于測(cè)量Y軸的加速度。使用對(duì)流方法可消除與其他MEMS設(shè)計(jì)相關(guān)的顆粒問(wèn)題，并提供大于50，000 g的沖擊存活率，從而在組裝和客戶現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中處理時(shí)，可顯著降低故障率并降低損耗。

由于標(biāo)準(zhǔn)MXR7250VW的CMOS結(jié)構(gòu)，附加電路可輕松集成到大批量應(yīng)用的定制版本中。

API Technologies XL203A是一款堅(jiān)固，小巧，精確的三軸模擬加速度計(jì)，適用于惡劣環(huán)境下的測(cè)量。該設(shè)備具有內(nèi)置功率調(diào)節(jié)功能，電壓輸出與沿軸的加速度成正比。每個(gè)直流耦合傳感器輸出都經(jīng)過(guò)完全縮放，參考和校準(zhǔn)。 XL203A采用機(jī)械加工鋁制外殼，符合MIL-A-8625標(biāo)準(zhǔn)，黑色陽(yáng)極氧化處理，屏蔽電纜采用高溫PVC護(hù)套和特氟龍絕緣導(dǎo)線。每個(gè)XL203A都附帶校準(zhǔn)證書，列出了靈敏度和偏移，以及確?？焖儆行У南到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需的軸上和橫向校準(zhǔn)參數(shù)。還有其他更簡(jiǎn)單的方法用壓電晶體測(cè)量振動(dòng)，如ACH來(lái)自Measurement Specialties的-01加速度計(jì)。

ACH-01（圖5）是一款堅(jiān)固的通用線性單軸加速度計(jì)，具有緩沖電子輸出，可簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的接口。它的靈敏度為10 mV/g，頻率下限（-3 dB）為2 Hz。頻率上限（+3 dB）為20 kHz，為檢測(cè)到諧波提供了足夠的空間，動(dòng)態(tài)范圍為±150 g，線性度為0.1％。

圖5 ：ACH-01單軸加速度計(jì)。

可以與低成本的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，并通過(guò)I2C或SPI接口輸出到微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器。然后，這可以執(zhí)行信號(hào)分析以監(jiān)控設(shè)備。

振動(dòng)本身甚至可以用于產(chǎn)生動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)加速度計(jì)。諸如Mide V25W之類的壓電設(shè)備不會(huì)監(jiān)控振動(dòng)，而是將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為其他傳感器供電。通過(guò)將健康設(shè)備的共振頻率與傳感器匹配，可以為其他傳感器和無(wú)線鏈路生成峰值功率。這可以通過(guò)FFT分析，或通過(guò)調(diào)整傳感器的位置直到它產(chǎn)生峰值功率來(lái)完成。然后，這允許將傳感器放置在機(jī)器的不可接近的區(qū)域中，因?yàn)椴恍枰鼡Q電池。這樣可以更加清晰地了解設(shè)備的性能

圖6：Mide V25W壓電傳感器可用于收集振動(dòng)能量，為其他振動(dòng)傳感器供電。

結(jié)論

MEMS低成本CMOS制造的出現(xiàn)創(chuàng)造了一系列加速度計(jì)可用于監(jiān)控設(shè)備的振動(dòng)，以預(yù)警問(wèn)題。許多加速度計(jì)用于檢測(cè)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)，例如跌落，但是有些設(shè)備的可用范圍超出被監(jiān)控設(shè)備的1 kHz振動(dòng)。能夠分析這些諧波可以提供有關(guān)設(shè)備可能的故障機(jī)制的線索，并允許進(jìn)行先發(fā)制人的維護(hù)。

CMOS的使用也允許數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理集成到單個(gè)封裝，節(jié)省空間和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。再加上使用壓電能量收集裝置，振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以越來(lái)越有效地防止重要設(shè)備的故障并確保最大可能的可用性。