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“新基建”中所涉及的每個模塊都離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其中工業(yè)一直被認為是物聯(lián)網(wǎng)最大的應(yīng)用場景之一。目前最為典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要集中在高價值工業(yè)設(shè)備的遠程運維監(jiān)控及預(yù)測性維護等環(huán)節(jié)，運用物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)及人工智能等技術(shù)，對工業(yè)裝備進行健康管理，實現(xiàn)了設(shè)備故障的診斷、預(yù)測性報警及分析，達到降低設(shè)備維護成本和提升用戶體驗的目的。那么如何為你的設(shè)備選擇最合適的預(yù)測性維護傳感器呢？ADI提出了有效的解決方案！

預(yù)測性維護(PdM)涉及使用基于狀態(tài)的監(jiān)控(CbM)、機器學(xué)習(xí)和分析等的技術(shù)組合來預(yù)測即將發(fā)生的機器或資產(chǎn)故障。在監(jiān)測機器的健康狀況時，需選擇最合適的傳感器，以確保能夠檢測、診斷甚至預(yù)測故障，這點至關(guān)重要。目前有許多傳感器被用于檢測旋轉(zhuǎn)機器及其負載中的故障，從而避免意外停機。由于許多旋轉(zhuǎn)機器（電機、齒輪、泵和渦輪機）以及非旋轉(zhuǎn)機器（閥門、斷路器和電纜）監(jiān)控都用到了PdM技術(shù)，所以很難對每個傳感器進行排序。

許多工業(yè)電機被設(shè)計為可以在連續(xù)生產(chǎn)應(yīng)用中運行20年，例如化學(xué)/食品加工廠和發(fā)電設(shè)施，但有些電機無法達到預(yù)期的使用壽命。1這可能是由于電機運行量不足、維護程序的數(shù)量不足、缺乏對PdM系統(tǒng)的投資，或者根本沒有PdM系統(tǒng)。PdM使維護團隊能夠安排維修時間，避免造成意外停機。通過PdM提早預(yù)測機器故障也可以幫助維護工程師確認和修復(fù)運行效率低下的電機，從而提高性能、生產(chǎn)力、資產(chǎn)可用性和使用壽命。

最佳的PdM策略是：有效利用盡可能多的技術(shù)和傳感器來提早檢測故障，且檢測結(jié)果高度可信，如此則無需使用一刀切式的傳感器解決方案。本文嘗試闡明為什么預(yù)測性維護傳感器對于提早檢測PdM應(yīng)用中的故障至關(guān)重要，以及它們有哪些優(yōu)缺點。

系統(tǒng)故障時間線

圖1顯示了從安裝新電機到電機發(fā)生故障期間發(fā)生的事件的時間表，以及推薦使用的預(yù)測性維護傳感器類型。安裝新電機時，電機提供保修。幾年后，保修期將滿，此時會更加頻繁地執(zhí)行手動檢查。

圖1. 機器健康狀況與時間。

如果故障發(fā)生在兩次定期維護檢查之間，則很可能導(dǎo)致意外停機。在這種情況下，至關(guān)重要的是使用合適的預(yù)測性維護傳感器來盡可能提早檢測潛在故障，所以，本文將著重介紹振動和聲學(xué)傳感器。振動分析通常被認為是使用PdM的最佳起點。

預(yù)測性維護傳感器

有些傳感器能夠比其他傳感器更早地檢測某些故障，例如軸承損壞，如圖1所示。在這一節(jié)中，我們將討論常用于盡可能提早檢測故障的傳感器，一般是加速度計和麥克風(fēng)。表1顯示傳感器規(guī)格列表，以及它們可以檢測到的一些故障。大多數(shù)PdM系統(tǒng)只使用其中一些傳感器，因此必須確保除了使用合適的傳感器來檢測這些潛在的關(guān)鍵故障之外，還要深入了解這些故障。

表1. 常用于實施CbM的傳感器

傳感器和系統(tǒng)故障注意事項

工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中超過90%的旋轉(zhuǎn)機器都使用滾動軸承。電機的故障部件分布如圖2所示，從中可以清楚看到，在選擇PdM傳感器時，需要特別關(guān)注軸承監(jiān)測。為了檢測、診斷和預(yù)測潛在故障，振動傳感器必須具有低噪聲和寬帶寬。

圖2. 電機部件出現(xiàn)故障的百分率。

表2顯示與旋轉(zhuǎn)機器相關(guān)的部分常見故障，以及一些用于PdM應(yīng)用的相應(yīng)振動傳感器要求。為了盡早發(fā)現(xiàn)故障，PdM系統(tǒng)通常需要使用高性能傳感器。資產(chǎn)中使用的預(yù)測性維護傳感器的性能水平與在整個流程中持續(xù)可靠運行的資產(chǎn)的重要性相關(guān)，而不是與資產(chǎn)本身的成本相關(guān)。

表2. 機器故障和振動傳感器注意事項概述

根據(jù)電機振動或移動（峰值、峰峰值和rms）期間的能量，我們可以確定機器是否不平衡或未對準等。有些故障（例如軸承或齒輪缺陷）不是很明顯，特別是在早期，不能單單通過增加振動頻率來識別或預(yù)測。解決這些故障通常需要將具備低噪聲(<100 μg/√Hz)和寬帶寬(>5kHz)的高性能預(yù)測性維護振動傳感器與高性能信號鏈、處理、收發(fā)器和后處理器配對。 用于PdM的振動、聲波和超聲波傳感器

微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)的PCB上包含一個MEMS元件，通常采用金屬外殼，頂部或底部端口中可以包含聲壓波。MEMS麥克風(fēng)提供低成本、小尺寸且有效的方法來檢測機器故障，例如軸承狀 況、齒輪嚙合、泵氣蝕、未對準和不平衡。這使得MEMS麥克風(fēng)成為電池供電應(yīng)用的理想選擇。它們可以放置在距離噪聲源較遠的位置，且不會侵入。當多個資產(chǎn)同時運行時，麥克風(fēng)的性能可能會受到來自其他機器的噪聲或環(huán)境因素（例如灰塵或濕度進入麥克風(fēng)的端口孔）的影響。大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)手冊仍然列出相對良性的應(yīng)用，例如移動終端、筆記本電腦、游戲設(shè)備和機等。有些MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)手冊將振動檢測或PdM列為潛在應(yīng)用，但它們也提到，易受機器沖擊和搬運不當影響的傳感器可能對產(chǎn)品造成永久損壞。其他MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)手冊表明，機械沖擊耐受力高達10,000 g。目前還不清楚這些傳感器是否適合在可能存在沖擊的嚴苛操作環(huán)境中運行。

MEMS超聲波麥克風(fēng)分析讓我們能夠在噪聲增大的情況下監(jiān)測復(fù)雜資產(chǎn)中的電機的健康狀況，這是因為它能聽到非音頻頻譜（20 kHz至100 kHz）內(nèi)的聲音，在這個頻譜下，噪聲要少得多。低頻聲音信號的波長一般約在1.7厘米到17米之間。高頻信號的波長約在0.3厘米到1.6厘米之間。當波長的頻率增加時，能量相應(yīng)增加，使得超聲波更具方向性。在試圖找出軸承或外殼中的故障時，這非常有用。

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)，主要用于渦輪機、泵、電機和齒輪箱等大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備中。表3和表4顯示在選擇高性能MEMS振動和聲學(xué)傳感器，以及典型壓電振動傳感器時需要考慮的一些關(guān)鍵規(guī)格。每一列中的數(shù)據(jù)代表該類別的最小/最大差異值，與相鄰列無關(guān)。

表3. 預(yù)測性維護傳感器的性能規(guī)格

?MEMS加速度計模塊的價格可能超過30美元，但它們是完整的系統(tǒng)解決方案，而提到的所有其他器件都只是傳感器。
? 重點：最差，中等，最好

表4. 預(yù)測性維護傳感器的機械規(guī)格

? MEMS模塊通常包含ADC、處理器和根據(jù)傳感器調(diào)諧的濾波，以優(yōu)化性能，并節(jié)省信號鏈對空間的需求
? 重點：最差，中等，最好

CbM行業(yè)有望在未來五年內(nèi)實現(xiàn)顯著增長，其中很大部分增長是受無線安裝推動。由于尺寸、缺乏集成功能和功耗等原因，壓電式加速度計不太適合無線CbM系統(tǒng)，但是存在典型功耗在0.2mA至0.5 mA的解決方案。MEMS加速度計和麥克風(fēng)非常適合電池供電的PdM系統(tǒng)，因為它們體積小、功耗低、性能高。

所有傳感器都具有合適的帶寬和低噪聲，但MEMS加速度計是唯一能夠提供直流響應(yīng)的傳感器，可以在非常低的轉(zhuǎn)速下檢測不平衡和傾斜。MEMS加速度計還具備自測功能，可以驗證傳感器 100%可用。這在安全關(guān)鍵型安裝中可能會很有用，因為在這些安裝中，可以通過驗證傳感器是否仍在工作來更簡單地達到系統(tǒng)標準。

可以完全密封采用陶瓷封裝的MEMS加速度計和采用機械封裝的壓電式加速度計，以在嚴苛、臟污的環(huán)境中使用。表4主要列出傳感器的物理、機械和環(huán)境性能。從中可以看出每個傳感器之間的關(guān)鍵差異，例如集成、惡劣環(huán)境耐受能力、機械性能，以及連接到旋轉(zhuǎn)機器或裝置的能力。

在三個軸上檢測振動數(shù)據(jù)可以提供更多診斷見解，實現(xiàn)更精準的故障檢測。雖然并非所有PdM安裝都需要如此，但這是壓電和MEMS加速度計在數(shù)據(jù)質(zhì)量、布線和空間節(jié)省方面的明顯優(yōu)勢。

當長時間暴露在濕度增加的環(huán)境下時，MEMS麥克風(fēng)顯示出高達8dB的失真。雖然這不是一個明顯缺點，但如果您是在高濕度嚴苛環(huán)境下使用PdM應(yīng)用，則值得考慮。在這種情況下，駐極體電容麥克風(fēng)(ECM)比MEMS麥克風(fēng)更具優(yōu)勢。其他影響麥克風(fēng)性能的環(huán)境因素還有：風(fēng)、氣壓、電磁場和機械震動。

在良好的環(huán)境中，MEMS麥克風(fēng)在PdM應(yīng)用中提供出色性能。目前，還缺乏將MEMS麥克風(fēng)安裝到存在高振動、臟污或高濕度的嚴苛操作環(huán)境中的相關(guān)信息。振動會影響MEMS麥克風(fēng)的性能，這是一個需要考慮的問題；但是，它們的振動靈敏度低于ECM。如果無線PdM解決方案將使用MEMS麥克風(fēng)，安裝盒上需要有一個孔或端口，以便聲音信號到達傳感器，這進一步增加了設(shè)計的復(fù)雜性，且讓其他電子元件更易臟污或受潮。

電容式MEMS加速度計技術(shù)的最新進展使得小型、低成本、低功耗無線CbM解決方案可以用在不太重要的資產(chǎn)中，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更深入地診斷洞察，以便實施管理和保持關(guān)鍵系統(tǒng)正常運行。這些進展也使得MEMS加速度計在用于更加傳統(tǒng)的有線CbM系統(tǒng)中時，性能更接近壓電式加速度計。壓電式加速度計具有如此低的噪聲和寬帶寬，加上與工業(yè)標準連接（ICP和IEPE）耦合，幾十年來一直是實施振動測量的典型傳感器。MEMS加速度計已經(jīng)調(diào)整為可以和IEPE標準模塊連接，如圖3所示。該電路是基于一種特殊的PCB進行設(shè)計，這種PCB可以在寬頻帶上工作，以在后期設(shè)計成一個機械模塊。

圖3. MEMS加速度計、IEPE參考、PCB設(shè)計允許在IEPE機械模塊中改進ADXL100x系列CbM加速度計。注：ADI不生產(chǎn)IEPE機械模塊。

圖4所示的設(shè)備包含三個單軸MEMS加速度計、三個ADC、一個處理器、內(nèi)存和算法，這些都集成在一個機械模塊中，共振超過50 kHz。這突出顯示了MEMS加速度計在傳感器節(jié)點上集成智能的能力，確保傳感器與相應(yīng)的信號鏈和處理功能配對，以實現(xiàn)出色性能。此模塊可以執(zhí)行FFT，觸發(fā)各種時域或頻域報警，并生成域靜力，這對算法或機器學(xué)習(xí)工具能否預(yù)測故障至關(guān)重要。

圖4. 三軸MEMS CbM模塊，集成了ADC、處理器、FFT、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及機械封裝，諧振頻率超過50 kHz。

在為PdM解決方案選擇合適的振動傳感器時，真正的挑戰(zhàn)在于配對傳感器，以匹配資產(chǎn)最可能出現(xiàn)的故障模式。目前還未能證實MEMS麥克風(fēng)足夠堅固，能夠在惡劣環(huán)境中可靠地檢測所有基于振動的故障模式，而振動檢測和加速計的行業(yè)標準已經(jīng)成功實施并可靠地執(zhí)行了幾十年。已經(jīng)證明MEMS超聲波麥克風(fēng)能夠比加速度計更早地檢測軸承故障，這種潛在的共生關(guān)系可以為您提供理想的PdM解決方案，以滿足您未來對資產(chǎn)實施振動分析的需求。

雖然難以推薦在PdM系統(tǒng)中使用哪種振動傳感器比較好，但是可以使用已經(jīng)成功應(yīng)用并不斷改進的加速度計。ADI提供一系列MEMS加速度計，從通用、低功耗、低噪聲、高穩(wěn)定性和高g，一直到智能終端節(jié)點模塊，如圖4所示。ADcmXL3021是一個專用PdM模塊解決方案示例。ADI率先推出了支持PdM的MEMS加速度計系列（20 kHz+帶寬、 25 μg/√Hz噪聲密度），且仍是少數(shù)能夠提供如此高性能的MEMS加速度計的提供商之一。ADI繼續(xù)在傳感器、信號鏈解決方案、機械模塊、平臺、機器學(xué)習(xí)算法、人工智能軟件平臺和整體系統(tǒng)解決方案等領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，支持在挑戰(zhàn)性環(huán)境中對工業(yè)旋轉(zhuǎn)機器實施預(yù)測性維護。