振動監(jiān)控應(yīng)用中的 MEMS 技術(shù)

關(guān)鍵字：MEMS 慣性傳感器 MEMS 加速度計 陀螺儀

簡介

MEMS 慣性傳感器在當(dāng)今的眾多個人電子設(shè)備中發(fā)揮著重要作用。 小尺寸、低功耗、易集成、強大功能性和卓越性能，這些因素促使著智能手機(jī)、游戲控制器、活動跟蹤器、數(shù)碼相框等裝置不斷創(chuàng)新。 此外，MEMS 慣性傳感器用于汽車安全系統(tǒng)可顯著提高系統(tǒng)可靠性，并降低系統(tǒng)成本，使汽車安全系統(tǒng)能夠應(yīng)用于大多數(shù)汽車。

功能集成度和性能的不斷發(fā)展也有助于將 MEMS 加速度計和陀螺儀應(yīng)用于許多不同的工業(yè)系統(tǒng)。 其中一些應(yīng)用成為現(xiàn)有產(chǎn)品和服務(wù)的低成本替代品，而其他應(yīng)用則開始率先集成慣性感測功能。 作為擁有兩類用戶的應(yīng)用，振動監(jiān)控也正方興未艾。 出于維護(hù)和安全需求而用于監(jiān)控機(jī)械健康狀況的傳統(tǒng)儀器儀表通常采用壓電技術(shù)。 高速自動化設(shè)備對振動進(jìn)行監(jiān)控，以觸發(fā)對潤滑、速度或皮帶張力的反饋控制，或者關(guān)閉設(shè)備以便于維修人員快速檢查。

盡管壓電器件擁有成熟的用戶群，但 MEMS 加速度計為新興的用戶群提供了輕松集成、降低成本等優(yōu)勢。 另外， MEMS 加速度計先進(jìn)的功能集成允許在 ADIS16229 數(shù)字 MEMS 振動傳感器等器件中集成嵌入式 RF 收發(fā)器，從而

實現(xiàn)一種集信號處理和通信功能于一體的完整解決方案。此類可編程器件可以定期自動喚醒，捕獲時域振動數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)記錄執(zhí)行快速傅里葉變換（FFT），對 FFT 結(jié)果進(jìn)行用戶可配置的頻譜分析，通過高效的無線傳輸線路提供簡單的通過/失敗結(jié)果，存取數(shù)據(jù)和結(jié)果，然后返回休眠狀態(tài)。 振動檢測的新用戶們認(rèn)為，快速部署以及合理的擁有成本是選用完全集成式 MEMS 器件的重要原因。

振動監(jiān)控應(yīng)用

利用振動觀察機(jī)器健康狀況旨在將可觀察到的振動與典型的磨損機(jī)制關(guān)聯(lián)起來，比如軸承、齒輪、鏈條、皮帶、刷子、軸、線圈和閥門。 在一臺典型機(jī)器中，至少有一種磨損機(jī)制需定期維護(hù)。 圖 1 展示了正常磨損機(jī)制振動與時間關(guān)系的三個例子。 盡管確定這種關(guān)系需要時間和經(jīng)驗，但關(guān)聯(lián)得當(dāng)?shù)恼駝犹卣鞑皇槎讨芷诙ㄆ诰S護(hù)的低成本替代方案。 利用實際觀察結(jié)果，比如振動，可在檢測到報警條件（紅色曲線）時快速采取行動，同時還能避免對使用壽命未到期的機(jī)器過早進(jìn)行維護(hù)（藍(lán)色和綠色曲線）。

圖 1 同時還展示了機(jī)器維護(hù)周期的兩種報警設(shè)置（報警、關(guān)鍵）以及三個階段（早期、中期、末期）。 報警水平規(guī)定了正常運行期間的最大振動頻率，其中，觀察到的振動不含對機(jī)器或技術(shù)支持人員的潛在危險。 在正常范圍時，可以使用一些儀表測量偶爾出現(xiàn)的振動。 臨界水平表示，資產(chǎn)存在嚴(yán)重受損的風(fēng)險，從而給技術(shù)支持人員或環(huán)境帶來不安全因素。 顯然，機(jī)器操作員希望在這一水平時避免操作機(jī)器，并通常會停止使用機(jī)器。 當(dāng)振動超過報警水平但低于臨界水平時，機(jī)器仍可以繼續(xù)工作，但應(yīng)該提高觀察頻率，并可能需要進(jìn)行額外的維護(hù)。

有時候，這三個操作區(qū)（正常、報警、臨界）可以對應(yīng)于機(jī)器維護(hù)周期的三個階段： 早期、中期、末期，每個階段的振動監(jiān)控策略可能會有所不同。 例如，在早期，可能只需要每天、每周或每月觀察儀器的主要振動屬性。 進(jìn)入中期時，可能需要每小時觀察一次，而在接近末期時，振動監(jiān)控的頻率可能還要更高，尤其是在人員或資產(chǎn)處于危險的情況下。 在該階段，利用便攜式設(shè)備進(jìn)行振動監(jiān)控的機(jī)器，其重復(fù)成本將逐漸增加，與維護(hù)成本相比，可能高得讓人望而卻步。 雖然有必要對重要資產(chǎn)進(jìn)行特殊關(guān)照，但許多其他儀器卻是無法承受這種重復(fù)成本。 作為人工測量的補充，嵌入式 MEMS 傳感器為要求實時振動數(shù)據(jù)的設(shè)備提供了更為經(jīng)濟(jì)高效的方法。