PDM的振動、聲波和超聲波傳感器

電動機振動或運動(峰值、尖峰到尖峰和RMS)中的能量量,使我們能夠確定機器是否不平衡或偏離,等等。 5 一些故障,如軸承或齒輪缺陷,并不是那么明顯,尤其是早期,不能僅僅通過振動的增加來識別或預(yù)測。這些故障通常需要一個高性能的低噪聲預(yù)測維護振動傳感器(<100 g 與高性能信號鏈、處理、收發(fā)器和后處理相結(jié)合的寬帶(5千赫)。

PDM的振動、聲波和超聲波傳感器

微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)含有一個MEMS元件在電路板上,通常包含在一個有底部或頂部端口的金屬盒中,以允許聲波在內(nèi)部。MEMS麥克風(fēng)提供了低成本、小尺寸和有效的方法,如軸承狀況,齒輪聯(lián)軸,泵空化,失調(diào),不平衡。這使MEMS麥克風(fēng)成為電池驅(qū)動應(yīng)用程序的理想選擇。它們可以位于離噪音源很遠的地方,是無創(chuàng)的。當(dāng)多臺設(shè)備投入使用時,微電話的性能可能會受到來自其他機器的聲音噪音或環(huán)境因素(如灰塵或濕度)的影響。

大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)表仍然列出相對良好的應(yīng)用,如移動終端、筆記本電腦、游戲設(shè)備和相機等。一些MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)表列出了振動傳感器或PDM作為潛在的應(yīng)用,但他們也提到,對機械沖擊和不當(dāng)處理敏感的傳感器會對零件造成永久性的損害。其他MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)表顯示,機械沖擊的生存能力高達10000 g .對于其中一些傳感器是否適合在存在潛在沖擊事件的非常惡劣的操作環(huán)境中操作,仍然缺乏明確性。

MEM超聲波麥克風(fēng)分析能夠在噪音增加的情況下,在復(fù)雜的資產(chǎn)中監(jiān)測電動機的健康狀況,因為它能在噪音少得多的非聲音頻譜(20千赫茲至100千赫茲)中聽到聲音。低頻聲音信號的波長通常在大約1.7厘米至17米長之間。高頻信號的波長約為0.3厘米至1.6厘米長。當(dāng)波長的頻率增加時,能量增加,使超聲波更有指令性。當(dāng)試圖找出軸承或外殼的故障時,這是非常有用的。

加速度計是最常用的振動傳感器,振動分析是最常用的PDM技術(shù),主要用于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備,如渦輪機、泵、電動機和變速箱。表3和表4顯示了在選擇高性能MEMS振動和聲學(xué)傳感器時需要考慮的一些關(guān)鍵規(guī)格。黃金標(biāo)準(zhǔn)的壓振傳感器。每個列中的數(shù)據(jù)代表了該類別中的最小/最大變化,與鄰近列無關(guān)。

未來五年,建立信任措施產(chǎn)業(yè)將有顯著增長,無線裝置占這一增長的很大一部分。 6 由于尺寸、缺乏集成特性和耗電量等因素的綜合作用,壓壓加速度計不太適合于無線CBM系統(tǒng),但解決辦法確實存在,典型的耗電量在0.2-0.5mA之間。MEMS加速度計和麥克風(fēng)由于體積小、功率低、性能高,非常適合電池驅(qū)動的PDM系統(tǒng)。

所有傳感器都有適當(dāng)?shù)膸捄偷驮胍?但MEMS加速度計是唯一能夠?qū)χ绷飨马憫?yīng)的傳感器,可用于檢測極低轉(zhuǎn)速下的不平衡和傾斜傳感。MEMS加速度計也有一個自我測試功能,在那里傳感器可以被證實是100%的功能。這可能證明在安全關(guān)鍵的裝置中是有用的,在這些裝置中,通過驗證傳感器是否仍能正常工作,更容易達到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

有可能在陶瓷包裝中完全密封MEMS加速度計,在惡劣、骯臟的環(huán)境中使用機械包裝中的壓壓加速度計。表4著重于傳感器的物理、機械和環(huán)境性能。在這里可以看到每個傳感器之間的關(guān)鍵差異,例如集成,對惡劣環(huán)境的容忍,機械性能,以及對旋轉(zhuǎn)機器或安裝的連接。

表3預(yù)測維修傳感器性能規(guī)格

表4預(yù)測維修傳感器機械規(guī)格

在三個軸上檢測振動數(shù)據(jù)提供了更多的診斷見解,可以導(dǎo)致更好的故障檢測。雖然這在每一個PDM安裝中是不必要的,但在數(shù)據(jù)質(zhì)量、布線和節(jié)省空間方面,這是一個明顯的優(yōu)勢。

當(dāng)長期暴露于濕度增加時,MEM麥克風(fēng)會出現(xiàn)高達-8分貝的變形。 7 雖然這并不是一個明顯的弱點,但是值得考慮的是你的PDM應(yīng)用程序是否存在于高濕度的惡劣環(huán)境中。在這種情況下,電子葉冷凝器麥克風(fēng)(ECMS)顯示出比MEMS麥克風(fēng)的優(yōu)勢。其他可能影響麥克風(fēng)的環(huán)境條件是風(fēng)、大氣壓、電磁場和機械沖擊。 8

在良性環(huán)境中,MEMS麥克風(fēng)在PDM應(yīng)用中提供了優(yōu)異的性能。目前,缺乏關(guān)于在有過度振動、污垢或濕度的惡劣操作環(huán)境中安裝MEMS麥克風(fēng)的信息。振動會影響MEMS麥克風(fēng)的性能,這是一個需要考慮的領(lǐng)域,然而,它們的振動敏感性比ECMS要低。 9 如果一個無線PDM解決方案是使用MEMS麥克風(fēng),安裝盒將需要有一個孔或端口,以使聲學(xué)信號到達傳感器,增加了進一步的設(shè)計復(fù)雜性,并可能使其他電子產(chǎn)品易受灰塵或濕度的影響。

最近電容式MEMS加速度計技術(shù)的進步,使小型、低成本、低功率、無線CBM解決方案得以在較低優(yōu)先級的資產(chǎn)上實施,從而能夠?qū)υO(shè)施管理有進一步的診斷見解,并維持關(guān)鍵的系統(tǒng)正常運行時間。這些進步還使MEMS加速度計更接近于用于更傳統(tǒng)的有線CBM系統(tǒng)。具有如此低的噪音和寬帶,加上行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的連接(國際電平儀和國際電平儀),壓壓加速度計已成為用于振動測量的金標(biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)十年。如圖3所示,MEMS加速度計已被改造成可與EepE標(biāo)準(zhǔn)模塊接口。轉(zhuǎn)換電路是基于實驗室電路參考設(shè)計。該電路是設(shè)計在一個特殊的電路板上,其特點是在寬帶寬上執(zhí)行,并準(zhǔn)備在稍后階段設(shè)計成一個機械模塊。

圖3MEMS加速度計,iepe參考,印刷電路板設(shè)計,允許翻新在iepe機械模塊中的Adxl100X系列cbm加速度計。注:模擬設(shè)備不產(chǎn)生iepe機械模塊.

專用的PDM模塊,比如?Adcmxl3021 從模擬設(shè)備,提供一個綜合方法傳感器設(shè)計.例如,圖4所示的設(shè)備包含三個單軸MEMS加速度計、三個ADCS、一個處理器、存儲器和算法,所有這些都在共振超過50千赫茲的機械模塊中。這突出了MEMS加速度計在傳感器節(jié)點上集成智能的能力,確保傳感器與最佳信號鏈和處理相匹配,以實現(xiàn)盡可能最佳的性能。該模塊可以執(zhí)行FFFT,觸發(fā)各種時域或頻域警報,生成對于算法或機器學(xué)習(xí)工具預(yù)測故障至關(guān)重要的時域靜力學(xué)。

圖4三軸MEMS集成ADC、處理器、FFT和統(tǒng)計模塊,以及一個共振頻率超過50千赫的機械包。

當(dāng)涉及到選擇最合適的振動傳感器為你的PDM解決方案時,真正的挑戰(zhàn)在于對傳感器進行配對,以滿足你資產(chǎn)中最可能的失敗模式。MEMS麥克風(fēng)尚未被證明足夠堅固,無法在最惡劣的環(huán)境中可靠地檢測所有基于振動的故障模式,而振動傳感器(加速計)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成功地實施和可靠地執(zhí)行了幾十年。MEMS超聲麥克風(fēng)在比加速度計更早檢測軸承故障方面顯示出了很好的性能,這種潛在的共生關(guān)系可以為您的資產(chǎn)未來的振動分析需求提供最佳的PDM解決方案。

雖然很難推薦在PDM系統(tǒng)中使用單一的振動傳感器,但是加速度計有一個成功的歷史,并繼續(xù)發(fā)展和改進。像模擬設(shè)備這樣的制造商提供一系列MEMS加速度計,具有通用、低功率、低噪音、高穩(wěn)定性和高穩(wěn)定性。 g ,以及智能的邊角模塊,以滿足不同的應(yīng)用需求。