MEMS加速度計采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝介紹

監(jiān)控工業(yè)系統(tǒng)中的振動可以提供有關(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，但是有許多不同的方法來構(gòu)建這樣的系統(tǒng)?？梢允褂煤唵蔚膲弘娬駝觽鞲衅?，但需要數(shù)據(jù)采集和信號處理來捕獲和分析數(shù)據(jù)。微機械(MEMS)傳感器在汽車安全氣囊和智能手機和平板電腦跌落傳感器等應(yīng)用中的應(yīng)用越來越受歡迎，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軸的振動測量，以及時域和頻域中的復(fù)雜信號處理。這使設(shè)計人員能夠輕松開發(fā)收集各種數(shù)據(jù)的傳感器系統(tǒng)，并識別許多不同類型的故障機制，提醒操作員注意各種工業(yè)設(shè)備中的潛在問題，以便節(jié)省成本的先發(fā)制人的維護。

工業(yè)機械的大多數(shù)振動包含低于1 kHz的頻率，但相關(guān)的信號分量通常存在于更高的頻率，這是選擇振動傳感器的關(guān)鍵考慮因素。如果已知旋轉(zhuǎn)軸的運行速度，則感興趣的最高頻率可以是運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出現(xiàn)問題。然而，對于其他系統(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態(tài)范圍。對于應(yīng)用而言，這個因素可能比高頻測量更重要。

高度集成的MEMS加速度傳感器的一個例子是ADI公司的ADIS16228 iSensor。這是一個完整的振動傳感系統(tǒng)，它將三軸加速度傳感與先進的時域和頻域信號處理相結(jié)合。時域信號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軸的512點實值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個記錄的FFT存儲系統(tǒng)使用戶能夠跟蹤隨時間變化并使用多個抽取濾波器設(shè)置捕獲FFT。

傳統(tǒng)的維護往往是出現(xiàn)問題了才維護，或者依靠人員定期檢查，因此往往維修成本很高?；跔顟B(tài)的維護(Condition-based Maintenance)，是通過使用傳感器實時監(jiān)控設(shè)備的健康狀態(tài)，使得設(shè)備能夠在出故障前得到及時的維護。

常見的應(yīng)用比如工業(yè)設(shè)備中的渦輪機、風(fēng)扇、泵和馬達(dá)等。本文從電機的失效類型、傳感器的選擇出發(fā)，說明基于狀態(tài)維護(CBM)的設(shè)計實現(xiàn)，希望能給大家?guī)硪恍╆P(guān)于如何實現(xiàn)基于狀態(tài)的維護(CBM)的一些啟示。

機械故障的失效類型

一般來說, 機械故障失效類型主要分為兩大類：

機械振動, 頻率在10Hz到1kHz 或2Hz到1kHz (ISO 10816)

機械磨損, 頻率在2Hz到6kHz

圖1：失效類型 vs 振動頻率

(圖片來源：ADI為你的應(yīng)用選擇最合適的加速度傳感器)

振動測量是目前最常見的方式，因為它能夠可靠地指示機械問題，如不平衡以及軸承故障等問題。傳感器參數(shù)指標(biāo)

在選擇傳感器之前，首先應(yīng)該了解電機的失效類型。對于加速度傳感器比較關(guān)鍵的參數(shù)有：噪聲密度、帶寬范圍、線性度等。傳感器的性能越好，分析能力就越強。

比如對于低轉(zhuǎn)速電機的不平衡問題，可能需要低噪聲密度傳感器，但是其對于帶寬范圍要求相對比較低。而對于齒輪故障檢測，可能需要低噪聲密度和寬帶寬范圍。

通過Digi-Key提供的參數(shù)搜索功能，可以篩選出所需的傳感器，比如ADI加速度傳感器。

基于狀態(tài)的維護(CBM)設(shè)計實現(xiàn)

加速度傳感器輸出主要分為模擬和數(shù)字兩種。模擬輸出的傳感器一般都會再接一個獨立ADC或者連接到有集成ADC功能的MCU，來轉(zhuǎn)化成數(shù)字輸出。因此如何有效地進行數(shù)字信號處理就變得特別重要。

邊緣節(jié)點(Edge Node)

一般ADC或傳感器的數(shù)字輸出方式主要為SPI。這種方式往往不提供任何數(shù)據(jù)完整性檢查機制、時間戳(time stamping)以及混合來自不同傳感器的數(shù)據(jù)等功能。

因此，把傳感器數(shù)據(jù)打包到更高級別協(xié)議的邊緣節(jié)點中，然后再傳送，會變得非常有效。這可以使得傳感器接口更加健壯和靈活。這就要求邊緣節(jié)點使用合適的方式處理打包數(shù)據(jù)流。

總線選擇

一般ADC或傳感器的主要數(shù)字輸出方式為SPI。SPI是一種不平衡的單端串行接口，主要用于短距離傳輸數(shù)據(jù)。

長距離有線傳輸，可以選擇使用RS-485傳輸。RS-485信號傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾, 適用于較長距離的數(shù)據(jù)傳輸。RS-485在100米以下的傳輸距離，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到50Mbps。如果降低數(shù)據(jù)傳輸速率，傳輸距離可以延長到1000米。(產(chǎn)品示例：ADI RS-485收發(fā)器)

長距離無線傳輸?shù)姆绞接泻芏?，比如Wi-Fi、藍(lán)牙、LoRa、zigbee等等。這里以ADI SmartMesh為例，帶大家初步了解長距離無線傳輸?shù)倪B接方式。

ADI SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)基于6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 802.15.4e)，基于2.4GHz頻段，具有低功耗高可靠性的特點。

圖2：SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)連接

(圖片來源：ADI選擇正確的加速度計以進行預(yù)測性維護)

更多的技術(shù)信息，可以參考以下資源：

ADI SmartMesh

更多ADI RF 收發(fā)器模塊

數(shù)據(jù)分析

采集完數(shù)據(jù)之后就是分析數(shù)據(jù)。目前存在多種振動分析技術(shù)。比如使用數(shù)字濾波，用于克服流程本身或者由機器的其他組件導(dǎo)致的寄生振動，還可以使用數(shù)學(xué)工具進行輔助，例如ADcmXL3021中包含的工具(計算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、波峰因素、峰度等)。

分析可以在時域中進行，也可以對頻率做分析。特別是頻率分析，可以提供關(guān)于異常及異常原因的信息的分析。

無論使用哪種分析方法，關(guān)鍵是要確定最佳警報閾值，以使維護操作既不會太早也不會太遲。