狀態(tài)監(jiān)控簡介

全球狀態(tài)監(jiān)測（CbM）市場在過去幾年中經(jīng)歷了顯著增長，并且這種情況似乎將繼續(xù)下去。1這種增長恰逢MEMS加速度計用于振動傳感應(yīng)用的快速發(fā)展，現(xiàn)在可以與曾經(jīng)占主導(dǎo)地位的壓電或PZT加速度計相媲美。不太重要的資產(chǎn)對CbM的需求不斷增加，無線CbM系統(tǒng)的采用率也在不斷提高，而MEMS加速度計是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵。本文將MEMS加速度計與壓電加速度計進行比較，以重點介紹MEMS傳感器在其短暫的使用壽命中取得了多大的進步。還將通過比較來自三個不同供應(yīng)商的五個MEMS傳感器來討論CbM應(yīng)用中MEMS加速度計的關(guān)鍵設(shè)計考慮因素。

振動傳感的當前技術(shù)水平——MEMS 與壓電技術(shù)

振動傳感器早在 1930 年代就被用于檢測機器健康狀況。即使是現(xiàn)在，振動分析也被認為是預(yù)測性維護（PdM）最重要的方式。壓電加速度計長期以來一直被認為是用于最關(guān)鍵資產(chǎn)的黃金標準振動傳感器，以確保它們保持運行和高效運行。直到最近，MEMS加速度計有限的帶寬、噪聲性能和g范圍能力阻礙了其在關(guān)鍵資產(chǎn)的CbM中的使用。雖然有許多高g范圍加速度計可用（專為汽車碰撞檢測而設(shè)計），但它們的噪聲性能和帶寬非常有限，因此不適合CbM。 同樣，一些低噪聲MEMS加速度計（專門設(shè)計用于檢測傾斜）可用，但帶寬和g范圍不足。

少數(shù)MEMS制造商一直在努力克服噪聲、帶寬和g范圍的缺點，因此生產(chǎn)了幾種中高性能MEMS加速度計，后者可與壓電加速度計相媲美。MEMS傳感器基于與壓電傳感器完全不同的工作原理，這就是關(guān)鍵差異所在。圖1顯示了MEMS如何測量低至直流，允許從非常慢的旋轉(zhuǎn)機械進行測量以及傾斜檢測。眾所周知，壓電傳感器在較高頻率下可以提供比MEMS更好的噪聲性能，但在低頻下，MEMS傳感器在直流時提供更低的噪聲。能夠測量這些低頻對于風(fēng)力渦輪機以及金屬加工、紙漿/造紙加工和食品/飲料行業(yè)中使用的其他類型的慢速旋轉(zhuǎn)機械非常有用，在這些行業(yè)中，低于 60 rpm （1 Hz） 的資產(chǎn)低轉(zhuǎn)速很常見。

圖1.噪聲密度：MEMS與壓電。

圖2顯示，當壓電傳感器暴露于大沖擊事件時，它們可能會飽和，并且由于RC時間常數(shù)很大，它們可能需要很長時間才能恢復(fù)正常。另一方面，MEMS與非接觸式參考傳感器相匹配，幾乎立即恢復(fù)正常。壓電傳感器承受嚴重沖擊的影響意味著存在資產(chǎn)/過程中有價值的信息或故障可能無法被發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險，而MEMS傳感器將可靠地檢測沖擊事件和后續(xù)事件。

圖2.過載響應(yīng)：MEMS 與帶激光參考的壓電。

表1重點介紹了MEMS加速度計在CbM應(yīng)用中的更多優(yōu)勢。2由于尺寸、功耗和缺乏集成功能的組合，壓電加速度計不太適合無線CbM系統(tǒng)，但確實存在典型功耗在0.2 mA至0.5 mA范圍內(nèi)的解決方案。

MEMS加速度計還具有自檢功能，可以驗證傳感器是否100%正常工作。這在安全關(guān)鍵型安裝中可能很有用，在這些安裝中，通過驗證部署的傳感器是否仍然正常工作的能力，更容易滿足系統(tǒng)標準。在某些應(yīng)用中，此功能是最重要的功能之一，因為它使維護專業(yè)人員能夠絕對確定地了解資產(chǎn)的當前狀態(tài)以及他們正在測量的內(nèi)容的準確性和可靠性。

CbM應(yīng)用中MEMS加速度計的設(shè)計考慮因素

與通用加速度計相比，專為CbM應(yīng)用設(shè)計的MEMS加速度計具有一些不同的特性。在本節(jié)中，我們將討論適用于CbM的MEMS加速度計的關(guān)鍵數(shù)據(jù)手冊參數(shù)，以及它們與檢測機器故障的關(guān)系。例如，我們?nèi)绾芜x擇具有正確g范圍或噪聲性能的傳感器來檢測300 kW感應(yīng)電機上的軸承故障？表2列出了針對CbM應(yīng)用的五款MEMS加速度計的最重要規(guī)格。以下各節(jié)將詳細討論每個規(guī)范。

帶寬

振動傳感器的帶寬通常與其將要監(jiān)控的資產(chǎn)的關(guān)鍵程度相關(guān)聯(lián)。關(guān)鍵資產(chǎn)或電機對于保持過程或大型機器的運行和在線至關(guān)重要。如果此類資產(chǎn)發(fā)生故障，將導(dǎo)致計劃外停機和潛在的收入損失。為了盡早發(fā)現(xiàn)和診斷故障，避免計劃外停機，必須有一個寬帶寬和低噪聲的振動傳感器。在低幅度和寬頻率下檢測故障或偏差需要低噪聲，因為軸承、齒輪嚙合和泵氣蝕的常見故障都會在大于 5 kHz 甚至高達 20 kHz 甚至更高的頻率下發(fā)生，或者至少最早可以檢測到。因此，MEMS傳感器有責任與工業(yè)應(yīng)用中數(shù)十年來使用的事實上的振動傳感器競爭：壓電加速度計。低于 100 μg/√Hz 的噪聲水平和 5 kHz 或更高的帶寬被認為是用于 CbM 的高性能 MEMS 加速度計。 表3對CbM和PdM應(yīng)用中使用的MEMS加速度計的兩個最重要的標準進行了分類。3

并非所有傳感器都需要超低噪聲或?qū)拵?振動傳感的級別取決于保持資產(chǎn)運行的重要性。核反應(yīng)堆中的水冷泵可能被認為是極其關(guān)鍵的，在這種情況下，需要及早發(fā)現(xiàn)故障。這意味著要監(jiān)控的資產(chǎn)的關(guān)鍵性通常決定了所需的振動傳感器水平，這取決于以下標準。

故障檢測

為了簡單地檢測振動是否超過閾值或警告水平，可以使用低性能MEMS加速度計。此方法通常用于較低關(guān)鍵性的資產(chǎn)。

故障診斷

為了檢測和識別故障的潛在來源，需要更高水平的MEMS加速度計以及算法。

故障預(yù)測

這需要最高水平的MEMS加速度計性能，以便盡早檢測問題，并允許算法識別故障源。這還需要對資產(chǎn)有很好的領(lǐng)域知識。

故障預(yù)后

這是最高水平的PdM，需要最好的MEMS加速度計以及算法、機器學(xué)習(xí)等，以及資產(chǎn)的專家領(lǐng)域知識。故障預(yù)測的目的是讓 PdM 系統(tǒng)提出建議，以延長資產(chǎn)的使用壽命，甚至優(yōu)化資產(chǎn)的性能。

請記住，資產(chǎn)上使用的預(yù)測性維護傳感器的性能水平與該資產(chǎn)保持在線的重要性或關(guān)鍵性相關(guān)聯(lián)，而不是以犧牲資產(chǎn)本身為代價。

表4顯示了最適合CbM的MEMS加速度計的可用帶寬范圍，由于其機械性質(zhì)，各種移動硅元件和集成的調(diào)節(jié)電子元件，制造寬帶寬MEMS加速度計并不容易，尤其是低噪聲。通常，機械諧振距離目標帶寬幾kHz。最近，一些MEMS加速度計已經(jīng)設(shè)法通過增強的濾波方法將可用帶寬移近機械諧振。然而，一些制造商仍然選擇不說明其振動傳感器的共振頻率，這表明它要么非常接近可用帶寬，要么揭示有關(guān)其零件工作原理的敏感信息。

噪聲密度

MEMS加速度計噪聲來自多個固有源，如閃爍噪聲、布朗噪聲或電子噪聲。它通常以μg/√Hz表示。MEMS加速度計的噪聲輸出取決于表5所示的輸出濾波器設(shè)置。一些數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了均方根噪聲，但要小心，因為這通常會超過非常小的帶寬。

MEMS加速度計的輸出均方根噪聲可通過以下公式確定：

了解傳感器噪聲后，請務(wù)必將最合適的傳感器與機器類型相匹配，同時牢記一些重要問題，例如：傳感器的噪聲是否會阻止其測量重要的振動，傳感器的g范圍是否能夠承受潛在的故障振動水平？幸運的是，有一些標準可以幫助解決這個問題，例如ISO 10816。

ISO 10816規(guī)定了測量和評估資產(chǎn)和機器振動的條件和程序。它定義了振動嚴重性標準，其中已安裝機器外殼的均方根速度（10 Hz至1 kHz）用作狀態(tài)指示器，如表6所示。測量的機器振動根據(jù)機器尺寸、安裝策略和機器類別（I = 小型，II = 中型，III = 大型，小基礎(chǔ)，IV = 大，剛性基礎(chǔ)）。

請注意，加速度計通常以g為單位輸出加速度，而ISO 10816使用以mm/s或in/s為單位的速度。等式2可以幫助我們將加速度（g）轉(zhuǎn)換為速度（mm/s）。它確定，在最小振動頻率為 10 Hz 時，加速度測量中的噪聲必須小于 7.18 mg，以檢測 2 類機器的良好范圍 （A） 內(nèi)的振動嚴重程度，符合 ISO 10816-1 （V最低= 1.12 mm/s），如表 6 所示。4

公式3以通用形式提供此內(nèi)容√μ，并舉例說明，當加速度計與截止頻率為1000 Hz（fC= 1000 Hz）。在3.17 mg時，加速度計似乎滿足公式2中的邊界條件：

表7顯示了每類機器從已知良好狀態(tài)到危險故障水平振動的規(guī)定振動水平，以及MEMS加速度計檢測A區(qū)域已知良好振動所需的相應(yīng)最小噪聲（I類為4.5 mg，II類為7.2 mg，III類為11.5 m g，IV類為17.9 mg）。

這些數(shù)據(jù)表明，MEMS C2、MEMS C1、MEMS B和ADXL317（z軸）不適合在噪聲水平低于0.71 mm/s或4.5 mgis才能檢測已知良好振動水平（A）的機器上使用。MEMS B、MEMS C2 和 MEMS C1 不適合在噪聲低于 1.12 mm/s 或 7.2 mg 的機器上使用。MEMS C2 沒有足夠的噪聲性能，無法在所示的任何類別的機器上使用，以檢測已知良好的振動嚴重性級別 （A）。

請注意，表7中報告的所有傳感器噪聲值均適用于全帶寬測量，即使ISO 10816僅涉及高達1 kHz的帶寬。假設(shè)如果振動傳感器具有更寬的帶寬，則通常不僅用于檢測振動嚴重程度，還用于診斷更高頻率下的任何潛在故障。由于帶寬限制為1 kHz，MEMS C1無法達到I類噪聲水平，而MEMS C2僅通過IV類噪聲水平。

g-范圍

這告訴我們傳感器在保證數(shù)據(jù)手冊性能的同時可以可靠地檢測到的可接受的加速度范圍。任何曾經(jīng)測試過 ±2 g 傳感器的人都可以在握手中的傳感器時產(chǎn)生超過 2 g 的熱量。大多數(shù)MEMS加速度計，特別是模擬輸出，由于機械元件和信號調(diào)理電子元件，具有一定的裕量。對于CbM，對于較小的資產(chǎn)（ISO 10816-7泵），典型的g范圍要求從±16 g開始，但有些部件一直高達±500 g，用于工業(yè)齒輪箱，壓縮機，中高壓感應(yīng)電機等。

測量振動時，了解加速度、速度和位移之間的關(guān)系非常重要。如果在一軸上測量的振動在以 1 kHz 振動時導(dǎo)致 250 nm 的位移，則生成的峰值加速度將為 APK（250 nm， 1 kHz） = 1 g.對于 10 kHz 時的相同位移，峰值加速度現(xiàn)在將為 APK（250 nm， 10 kHz） = 100 g.

圖3.加速度、速度、位移和 g 范圍之間的關(guān)系。5

在選擇振動傳感器之前，了解資產(chǎn)中可能發(fā)生的潛在振動至關(guān)重要。一些電機制造商會提供此類信息。還有一些標準（如ISO 10816）可以幫助解決這個問題，如“噪聲密度”部分所述。

在選擇與ISO 10816涵蓋的機器一起使用的MEMS加速度計時，我們可以按照一些簡單的步驟來確定g范圍是否可以接受使用。公式4給出了一個具體示例，該示例確定根據(jù)ISO 10816-1（V.MAX= 28 毫米/秒），頻率為 1000 Hz （f.MAX） 的測量范圍至少為 ±25.3 g。4

應(yīng)該注意的是，這些故障等級沒有考慮MEMS傳感器承受基本負載振動的能力。通常，g量程或滿量程范圍的傳感器對其機械元件的磨損抵抗力較差。此外，滿量程范圍越小，感興趣的振動更容易被基線振動掩蓋。

表 8 顯示了每類資產(chǎn)的 ISO 10816 振動嚴重性圖表，以 mm/s 和 g 為單位。比較了一系列適用于CbM應(yīng)用的MEMS加速度計?！?6 g 的 g 范圍不足以用于 III 類和 IV 類資產(chǎn)，但對于 I 類和 II 類資產(chǎn)是可以接受的。僅有的兩個具有足夠g范圍的傳感器是ADXL1002和MEMS C2。

根據(jù) ISO 10816，用于 CbM （<±16 g） 的低 g 范圍 MEMS 加速度計僅限于在 I 類和 II 類機器上使用，因為 III 類和 IV 類機器的最大振動嚴重性超過 ±16 g。這意味著用于CbM的低g范圍MEMS加速度計的噪聲性能變得更加重要，以確保它們可以在I類和II類機器上使用，如“噪聲密度”部分所述。

在選擇用于CbM應(yīng)用的MEMS加速度計時，您必須參考資產(chǎn)制造商的規(guī)格，以查找潛在的故障振動嚴重性信息，執(zhí)行您自己的測試和/或參考ISO 10816等標準。通過結(jié)合表7和表8中的信息，可以清楚地看出，市場上的大多數(shù)CbM MEMS加速度計在噪聲性能方面都不符合ISO 10816中概述的標準，無法測量已知良好的振動嚴重程度水平和g范圍以檢測每類電機的潛在故障。唯一具有足夠噪聲性能和g范圍的傳感器是ADXL1002，它是ADI公司專為CbM應(yīng)用設(shè)計的傳感器系列之一。很明顯，用于CbM的MEMS加速度計的當前技術(shù)水平需要根據(jù)這一證據(jù)進行分類，如表9所示。噪聲和帶寬被認為是最重要的，因此權(quán)重。其次是G范圍，其次是溫度范圍和跨軸靈敏度。

ADXL1002在性能方面是顯而易見的領(lǐng)導(dǎo)者，因此被歸類為CbM應(yīng)用中性能最高的MEMS加速度計。所有其他傳感器雖然仍提供出色的性能，但由于性能差距，被歸類為中等性能CbM加速度計。

溫度

在MEMS加速度計的溫度性能方面，需要考慮幾種規(guī)格。表10顯示了關(guān)鍵溫度相關(guān)數(shù)據(jù)手冊規(guī)格之間的一些非常有趣的比較。顯然，就數(shù)字而言，這是一個很大的范圍，但這在性能方面意味著什么？對 CbM（石油和天然氣、金屬加工、食品和飲料以及發(fā)電）最常見應(yīng)用的回顧表明，由于各種因素，資產(chǎn)的潛在溫度很容易超過 105°C，例如負載能力過驅(qū)動，導(dǎo)致過電流被消耗、污染（灰塵、碎屑）升高電機內(nèi)部溫度并阻止其冷卻， 甚至產(chǎn)生振動，產(chǎn)生多余的熱量。外部因素，如潛在的氣體或蒸汽泄漏，也會在選擇傳感器時發(fā)揮作用。壓電制造商似乎傾向于大多數(shù)通用振動傳感器的最大溫度范圍為120°C，某些特定應(yīng)用的傳感器具有150°C的最高工作溫度。對高頻傳感器（高達10 kHz及更高）的調(diào)查顯示，74%的傳感器的最大工作溫度范圍低于125°C，24%低于或等于80°C。 有一些專用的壓電傳感器可以承受200°C或更高的溫度，就像有專用的MEMS加速度計可以工作到175°C一樣，但本文不關(guān)注用于非常特定應(yīng)用的傳感器。

靈敏度定義每單位加速度的輸出變化量。靈敏度隨溫度的變化定義了傳感器的靈敏度如何隨溫度變化。壓電加速度計在整個溫度范圍內(nèi)的比例因子誤差高達20%，這可能導(dǎo)致明顯的漂移，盡管5%更為典型。此類誤差需要在生產(chǎn)過程中進行校準。MEMS加速度計在整個溫度范圍內(nèi)的比例因子或靈敏度誤差非常出色，因為在生產(chǎn)過程中進行了電氣調(diào)整，因此傳感器不會隨溫度漂移。例如，如果ADXL1002暴露在25°C至85°C的溫度變化中，靈敏度（40 mV/g）將在60 = 1.8%×變化0.03%/°C，這意味著60°C范圍內(nèi)的靈敏度變化在39.28 mV/g至40.72 mV/g之間。這表明MEMS加速度計的靈敏度相對于溫度變化相當穩(wěn)定。對于大多數(shù)應(yīng)用，不需要對靈敏度進行溫度補償。

零g偏移是加速度計在未施加加速度時的輸出。理想情況下，這應(yīng)該是零，但由于MEMS傳感器內(nèi)部固有的缺陷，我們看到直流偏移。在大多數(shù)情況下，維護專業(yè)人員主要關(guān)注動態(tài)數(shù)據(jù)（加速度計的交流輸出），例如與基線的偏差或偏離操作正常的趨勢。因此，當將MEMS加速度計用于CbM時，零g偏移不是主要問題，零g偏移可以很容易地從測量中校準出來，大多數(shù)高性能數(shù)字傳感器將提供寄存器來輕松執(zhí)行此操作。在對直流或傾斜檢測感興趣的情況下，也可以校準溫度范圍內(nèi)的零g偏移。工作溫度范圍越小，就越容易做到這一點。

軸數(shù)

MEMS加速度計提供單軸、雙軸和三軸版本。與壓電加速度計不同，單軸和三軸MEMS加速度計之間沒有實際尺寸差異。更小的尺寸是MEM Sover壓電的主要優(yōu)勢之一，同時功耗更低，集成度更高。3軸壓電加速度計存在一些明顯的缺點，例如成本，與三軸MEMS加速度計相比，成本可能高出三個數(shù)量級，尺寸和精度，但使用三軸壓電加速度計的主要驅(qū)動因素之一是更容易地為便攜式振動讀取器收集數(shù)據(jù)。一個三軸傳感器可以單獨完成這項工作，而不必準備三個站點（單軸傳感器）然后獲取三個單獨的讀數(shù)。對于訪問受限的資產(chǎn)，這可能是一個主要優(yōu)勢。此外，在測量多個方向的振動時，保持軸之間的相位關(guān)系非常重要，三軸裝置將確保這一點。對于復(fù)雜的振動分析，重要的是要看到所有軸上的事件，沒有相位不匹配，因為這可能導(dǎo)致對事件的誤解。

使用三軸壓電傳感器測量x、y和z方向的振動，可以測量旋轉(zhuǎn)軸的切向運動/振動。旋轉(zhuǎn)機器產(chǎn)生的許多機械力（例如軟基礎(chǔ)）會產(chǎn)生外殼的切向運動。這是用單軸壓電傳感器無法檢測到的。使用單軸MEMS加速度計，可以檢測到此類事件，因為測量信號的直流成分對應(yīng)于傾斜，假設(shè)資產(chǎn)的搖擺發(fā)生在敏感軸上。

振動激勵通常是定向的，具體取決于故障，例如外軸承座圈上的剝落、機械松動、不對中或齒輪齒不良。故障振動的方向并不總是可預(yù)測的，因此無法知道振動將傳播哪個方向（軸向、徑向或切向）。也可能有多個故障導(dǎo)致異常振動。一項研究的重點是證明使用三軸壓電傳感器與單軸徑向和軸向傳感器相比，提高診斷能力的潛力。6研究表明，如果傳感器僅徑向或切向放置，單軸加速度計可能會錯過前面概述的近50%的機械故障診斷，如圖4所示。鑒于故障振動的方向是問題所在，在同一軸上添加更多傳感器并不能解決這個問題。添加軸向加速度計將故障檢測提高到近70%。再增加一個軸向傳感器，檢測率提高到80%。這表明來自不同軸的額外診斷信息可以帶來更好的故障檢測，但這并不是說必須使用三軸傳感器來完成。這項研究發(fā)現(xiàn)，在許多情況下，擁有所有三個軸的數(shù)據(jù)是多余的，但如果可能的話，仍然建議在三個軸上進行測量。

圖4.電機振動軸。

雖然擁有更多數(shù)據(jù)總是有益的，但并不總是需要的，特別是在無線系統(tǒng)中，測量或傳輸冗余數(shù)據(jù)會縮短電池壽命。正確放置傳感器，無論是單軸、雙軸還是三軸傳感器都至關(guān)重要，但根據(jù)上述研究，基于有線壓電傳感器，應(yīng)盡可能使用三軸傳感器。

對于MEMS加速度計，與壓電傳感器相比，任何現(xiàn)有的三軸傳感器的性能都會降低，因此它們可能無法檢測到盡可能多的故障。此外，如表11所示，大多數(shù)三軸MEMS加速度計中的z軸在噪聲、帶寬或兩者兼而有之方面的性能較低，可能會削弱基于三軸壓電加速度計的研究報告的額外軸的潛在附加值。在某些情況下，所有軸在噪聲和/或帶寬方面具有不同的性能，這是CbM的兩個最重要的規(guī)格。

這種不匹配在噪聲和/或帶寬性能方面的影響首先似乎在某種程度上否定了在資產(chǎn)的一個位置具有額外軸（y，z）的優(yōu)勢。熟悉MEMS傳感器的設(shè)計人員對此非常了解，但需要考慮一些事項。MEMS三軸加速度計的成本可以降低幾個數(shù)量級，性能與壓電加速度計相當，而且體積要小得多，因此即使在不太重要的資產(chǎn)上的無線安裝中，也可以放置更多的傳感器。這為資產(chǎn)的一般操作提供了更多診斷見解。

跨軸靈敏度

跨軸靈敏度 （CAS） 是指當加速度施加到另一個軸上時，在一個軸上看到多少輸出，通常以百分比表示。對于主要是單軸的壓電加速度計，這將作為橫向靈敏度給出，它描述了對與其設(shè)計測量的軸不同的任何運動的靈敏度。對于僅在其 y 軸上經(jīng)歷加速度的三軸加速度計，由于 CAS 的原因，將在 x 軸和 z 軸上測量一些加速度。圖 5 顯示了 1% 的 CAS 在 y（或 z） 軸經(jīng)歷 1.5 g 的加速度時;在 X 軸上也觀察到 15 M g 或 1.5g 的 1%。這種現(xiàn)象也會影響單軸MEMS加速度計。此百分比越低，可以測量并用于檢測故障、異常和漂移趨勢線的振動數(shù)據(jù)就越準確和可靠。

圖5.在 3 軸加速度計的 x 軸上觀察到的交叉軸靈敏度在 y 軸或 z 軸上加速。

如表12所示，一些MEMS制造商將CAS等關(guān)鍵信息排除在數(shù)據(jù)手冊之外，但對于CbM和PdM，這是一個至關(guān)重要的規(guī)范，在嘗試及早檢測可能接近傳感器本底噪聲的故障時，必須了解該規(guī)范。ADXL1002列出的1%可以被認為是保守的，因為測試顯示性能略好。

圖6a顯示了MEMS加速度計上的CAS測試。振動僅在 z 軸上施加。圖6a顯示z軸測得的加速度約為1.1 g峰值，而圖6b中的x軸測量的峰值加速度約為0.05 g，y軸在0.0425 g處略小。

圖6.（a） MEMS B 交叉軸靈敏度約為 2.5%，（b） 縮放 x 軸。

表 13 顯示了 x 軸上 2.6% 和 y 軸上 2.2% 的最壞情況 CAS。測試設(shè)置中可能存在錯位，因此CAS的可能性至少為2%，但低于2.6%。雖然可以校準CAS，但最好將該值接近1%，這是MEMS CbM加速度計的行業(yè)領(lǐng)先值。壓電CAS通常約為5%，但在某些情況下，據(jù)報道高達15%。7一些壓電供應(yīng)商可應(yīng)要求提供低于5%的橫向靈敏度值，但需額外付費。

將MEMS傳感器機械連接到機器的解決方案

壓電加速度計是當今最常用的振動傳感器。它們具有 IEPE 和 4 mA 至 20 mA 等標準接口，以及螺柱、磁鐵和粘合劑等各種安裝方法。為了使MEMS加速度計與振動傳感的長期黃金標準競爭，不僅要匹配其性能，而且要使MEMS傳感器易于連接到資產(chǎn)。一段時間以來，這一直是MEMS加速度計客戶的痛點。任何振動測量設(shè)置中都會存在多個共振，因此將其對測量的影響降至最低非常重要。在 1 kHz 帶寬以上，安裝變得至關(guān)重要，因為諧振會顯著影響測量。

對于壓電加速度計，有無數(shù)的安裝策略，螺柱安裝提供最寬的頻率響應(yīng)，一直到具有最低頻率響應(yīng)范圍的手持式探頭尖端。MEMS加速度計對磁體沒有敏感性，可以并且已經(jīng)成功地與磁性安裝策略一起使用。

為了便于將MEMS傳感器安裝到資產(chǎn)上，ADI公司創(chuàng)建了一個安裝立方體，如圖7所示。直徑為 0.2 英寸的中央安裝孔和 0.38 英寸（深 0.3 英寸）的周圍唇口允許使用 #10 機器螺釘將安裝塊固定到資產(chǎn)上。適用于多個加速度計系列（EVAL-ADXL100XZ、EVAL-ADXL35XZ 和 EVAL-ADXL37XZ）的分線板與此機械安裝座兼容。通過使用這個安裝塊并將其牢固地固定在機械源上，可以在受控環(huán)境中評估加速度計的頻率響應(yīng)。

圖7.用于加速度計分線板 （EVAL-XLMOUNT1） 的機械優(yōu)化安裝塊。

在捕獲高頻事件時，加速度計的安裝保真度至關(guān)重要。這在振動臺上得到了驗證，如圖8所示，所得頻率響應(yīng)如圖9所示。

圖8.振動測量測試設(shè)置板使用鋁塊連接到振動臺上。

圖9.帶IEPE接口的ADXL1002的頻率響應(yīng)。

傳感器PCB設(shè)計得稍厚（3 mm），并使用特定的焊膏來幫助保留MEMSsensor在安裝到資產(chǎn)時的數(shù)據(jù)手冊頻率響應(yīng)。

圖8所示的參考設(shè)計PCB將MEMS加速度計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IEPE格式。它從現(xiàn)有的IEPE設(shè)置為MEMS加速度計供電，并以IEPE格式輸出數(shù)據(jù)，允許將MEMS加速度計無縫簡單地集成到新的或現(xiàn)有的IEPE基礎(chǔ)設(shè)施中。

ADI公司在將業(yè)界領(lǐng)先的傳感器、信號調(diào)理和處理集成到模塊中方面有著悠久的歷史。最新的CbM模塊是基于ADcmXL1021和ADcmXL3021的單軸或三軸（1×或3×ADXL1002）加速度計的SPI輸出解決方案，能夠直接安裝到資產(chǎn)上。它們的機械封裝共振頻率高于 50 kHz，遠高于 10 kHz 的目標帶寬。安裝孔采用 M2.5 螺釘將模塊固定到位。ADcmXL3021數(shù)據(jù)手冊中顯示的許多特性曲線都使用扭矩約為25英寸磅的不銹鋼螺釘。在某些情況下，當可以選擇永久安裝時，除了安裝螺釘外，還可以使用工業(yè)環(huán)氧樹脂或粘合劑（例如氰基丙烯酸酯粘合劑）來增強機械耦合。

圖 10.ADcmXL3021 寬帶寬、低噪聲、三軸振動傳感器。

我們已經(jīng)看到，ADXL100x MEMS加速度計具有與壓電加速度計相似的性能水平，具有幾個明顯的優(yōu)勢，現(xiàn)在使CbM和PdM能夠應(yīng)用于不太重要的資產(chǎn)。同時，ADXL100x系列MEMS加速度計（如表14所示）正安裝在高度關(guān)鍵的資產(chǎn)上，這對于MEMS加速度計來說是前所未有的。在ADI公司，我們簡化了將CbM傳感器連接到資產(chǎn)（XLMOUNT1、ADcmXL3021）的過程。由于我們的轉(zhuǎn)換參考設(shè)計（MEMS到IEPE或4 mA到20 mA），用MEMS替換壓電傳感器也非常容易。

我們的CbM參考設(shè)計、評估系統(tǒng)、開發(fā)平臺和系統(tǒng)解決方案都旨在使我們的客戶能夠開發(fā)最佳的CbM和PdM系統(tǒng)，以保持資產(chǎn)和工廠的運行。我們已經(jīng)解決并解決了CbM設(shè)計人員不僅使用MEMS，還使用壓電加速度計所經(jīng)歷的大部分痛點，我們將繼續(xù)投資于行業(yè)領(lǐng)先的CbM解決方案。下一節(jié)將討論一個高保真、高速數(shù)據(jù)采集管道的示例，該管道使CbM系統(tǒng)開發(fā)人員能夠檢測重要的振動數(shù)據(jù)并將其保存到其機器學(xué)習(xí)開發(fā)環(huán)境（Python，TensorFlow，MathWorks等）中。

煤層氣開發(fā)平臺

CN-0549 CbM開發(fā)平臺（如圖11所示）匯集了上述所有MEMS設(shè)計考慮因素，為CbM提供了性能最高的MEMS加速度計，可輕松安裝到資產(chǎn)上，同時保持數(shù)據(jù)手冊的性能。該數(shù)據(jù)采集板提供高速、24位分辨率信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集硬件解決方案，可與IEPE壓電和MEMS加速度計配合使用。還提供了開箱即用的所有必要固件和評估軟件。

圖 11.CN-0549框圖和圖像。

CbM開發(fā)平臺旨在使CbM設(shè)計人員能夠收集大量高質(zhì)量的振動數(shù)據(jù)，以了解其資產(chǎn)的運行行為。一旦理解了這一點，就可以對故障進行種子設(shè)定或模擬，以便開發(fā)趨勢信息，使機器學(xué)習(xí)算法能夠識別和分析潛在的故障。必須以最高的保真度捕獲此故障數(shù)據(jù)，并將其流式傳輸?shù)綑C器學(xué)習(xí)環(huán)境，以開發(fā)模型以更好地了解資產(chǎn)的行為。

CbM開發(fā)平臺支持將高性能IEPE振動傳感器數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)綑C器學(xué)習(xí)環(huán)境，如TensorFlow，開箱即用。多種IEPE壓電傳感器（請注意，這些傳感器不需要安裝立方體即可連接到資產(chǎn)）或ADXL1002 IEPE解決方案CN-0532可與CbM開發(fā)平臺一起使用。DAQ板CN-0540是另一個為IEPE傳感器提供最高精度數(shù)據(jù)采集信號鏈的參考設(shè)計，它為FPGA提供了一個全帶寬數(shù)據(jù)管道，系統(tǒng)可以在其中監(jiān)控機器的數(shù)據(jù)配置文件。在FPGA上運行的示波器應(yīng)用，只需通過HDMI連接到監(jiān)視器，即可提供頻譜信息，并允許用戶快速可視化其機器的健康狀況或通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)皆啤ython 和 MATLAB 綁定使設(shè)計人員能夠?qū)C器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)直接連接到這些流行的工具中。然后，設(shè)計人員可以獲取他們的機器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，并開始為他們的設(shè)備創(chuàng)建算法，以改進維護策略，并預(yù)測故障和潛在的工廠停機時間。??

結(jié)論

本文討論了在CbM系統(tǒng)中使用MEMS加速度計時要考慮的最重要標準。結(jié)果表明，少量MEMS加速度計可以提供壓電加速度計的可行替代方案;然而，MEMS加速度計在性能方面存在顯著差距，概述了對這些傳感器進行分類的要求。這些與現(xiàn)有的ISO 10816振動標準進行了討論和比較，進一步確定了用于CbM的MEMS傳感器的性能差異。 MEMS傳感器根據(jù)最重要的規(guī)格進行分類，例如噪聲，帶寬，g范圍等。由于其寬帶寬、超低噪聲和高g范圍，ADXL100x系列傳感器顯然是唯一能夠與壓電加速度計競爭的傳感器，并且與MEMS競爭產(chǎn)品進行了廣泛比較，可以被認為是目前可用于CbM和PdM應(yīng)用的唯一高性能MEMS傳感器。在所有其他MEMS CbM傳感器所在的中等性能類別中，ADI公司提供各種三軸數(shù)字傳感器，如ADXL317，這是噪聲最低、寬帶寬數(shù)字MEMS加速度計之一，能夠及早檢測振動，幫助保持資產(chǎn)甚至工廠運行。