振動監(jiān)控應用中的 MEMS 技術

關鍵字：MEMS 慣性傳感器 MEMS 加速度計 陀螺儀

簡介

MEMS 慣性傳感器在當今的眾多個人電子設備中發(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、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用于許多不同的工業(yè)系統(tǒng)。 其中一些應用成為現(xiàn)有產(chǎn)品和服務的低成本替代品，而其他應用則開始率先集成慣性感測功能。 作為擁有兩類用戶的應用，振動監(jiān)控也正方興未艾。 出于維護和安全需求而用于監(jiān)控機械健康狀況的傳統(tǒng)儀器儀表通常采用壓電技術。 高速自動化設備對振動進行監(jiān)控，以觸發(fā)對潤滑、速度或皮帶張力的反饋控制，或者關閉設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 結果進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/失敗結果，存取數(shù)據(jù)和結果，然后返回休眠狀態(tài)。 振動檢測的新用戶們認為，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)控應用

利用振動觀察機器健康狀況旨在將可觀察到的振動與典型的磨損機制關聯(lián)起來，比如軸承、齒輪、鏈條、皮帶、刷子、軸、線圈和閥門。 在一臺典型機器中，至少有一種磨損機制需定期維護。 圖 1 展示了正常磨損機制振動與時間關系的三個例子。 盡管確定這種關系需要時間和經(jīng)驗，但關聯(lián)得當?shù)恼駝犹卣鞑皇槎讨芷诙ㄆ诰S護的低成本替代方案。 利用實際觀察結果，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器過早進行維護（藍色和綠色曲線）。

圖 1 同時還展示了機器維護周期的兩種報警設置（報警、關鍵）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器或技術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)存在嚴重受損的風險，從而給技術支持人員或環(huán)境帶來不安全因素。 顯然，機器操作員希望在這一水平時避免操作機器，并通常會停止使用機器。 當振動超過報警水平但低于臨界水平時，機器仍可以繼續(xù)工作，但應該提高觀察頻率，并可能需要進行額外的維護。

有時候，這三個操作區(qū)（正常、報警、臨界）可以對應于機器維護周期的三個階段： 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，利用便攜式設備進行振動監(jiān)控的機器，其重復成本將逐漸增加，與維護成本相比，可能高得讓人望而卻步。 雖然有必要對重要資產(chǎn)進行特殊關照，但許多其他儀器卻是無法承受這種重復成本。 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)的設備提供了更為經(jīng)濟高效的方法。