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使用MEMS傳感器進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)

發(fā)布時(shí)間:2022-04-29 來(lái)源:Digi-Key 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】振動(dòng)監(jiān)測(cè) (VM) 已經(jīng)問世很長(zhǎng)一段時(shí)間,并且已被用于監(jiān)測(cè)機(jī)器、設(shè)備或結(jié)構(gòu)的健康狀況。在機(jī)器運(yùn)行過程中,可以利用專用傳感器收集其振動(dòng)數(shù)據(jù)以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。


振動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要目標(biāo)是降低致命性損壞的風(fēng)險(xiǎn)并減少潛在的生產(chǎn)線停產(chǎn)狀況,從而最終控制并降低運(yùn)營(yíng)成本。


來(lái)自振動(dòng)傳感器的振動(dòng)數(shù)據(jù)可以作為輸入數(shù)據(jù)獨(dú)立使用,也可以根據(jù)操作需求與其他傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合使用。例如,在工廠自動(dòng)化應(yīng)用中,振動(dòng)數(shù)據(jù)可以與以下數(shù)據(jù)結(jié)合使用:


1. 溫度

2. 煙霧

3. 濕度

4. 壓力

5. 聲音


這種組合可以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng),從而提供更穩(wěn)固、更可靠的解決方案。


在其他一些用例中(例如結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)),可以將振動(dòng)數(shù)據(jù)與傾角儀收集的傾斜位置數(shù)據(jù)相結(jié)合,來(lái)確定結(jié)構(gòu)的健康狀況。


這些收集到的數(shù)據(jù)輸入至專用算法,例如新興的人工智能 (AI) 算法,可建立能夠預(yù)測(cè)未來(lái)潛在故障的模型。然后,模型預(yù)測(cè)信息可用于構(gòu)建知識(shí),以便決定是否需要立即采取措施來(lái)避免生產(chǎn)力損失。


工廠自動(dòng)化的一個(gè)新趨勢(shì)是人工智能算法的興起,這種算法可以根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,預(yù)測(cè)應(yīng)執(zhí)行的任務(wù)。這就減輕了各操作員的負(fù)擔(dān),讓他們不必像以前一樣做出極其困難而費(fèi)時(shí)的決定。自主自動(dòng)化工廠可以承擔(dān)各操作員的責(zé)任,并根據(jù)工況變化自動(dòng)作出反應(yīng)。


振動(dòng)傳感器


在振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中,振動(dòng)傳感器是一個(gè)關(guān)鍵部件。最新的振動(dòng)傳感器基于 MEMS 技術(shù),使用與加速度計(jì)中的加速度檢測(cè)相同的概念。它們的主要區(qū)別在于傳感器的帶寬。MEMS 加速度計(jì)的典型帶寬為 3 kHz,而振動(dòng)傳感器則能夠以明顯更高的帶寬檢測(cè)振動(dòng)。振動(dòng)傳感器能夠捕獲高頻信號(hào),因此可以對(duì)振動(dòng)進(jìn)行更為精確的頻率分析。最新的 MEMS 振動(dòng)傳感器可以提供超過 6 kHz 的帶寬,這一點(diǎn)我們將在后面討論。


MEMS 振動(dòng)傳感器有許多用例,圖 1 列出了一些主要應(yīng)用。電機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)是成功實(shí)施工廠自動(dòng)化的重要一環(huán)。鐵路振動(dòng)監(jiān)測(cè)有助于避免發(fā)生災(zāi)難性的火車事故。自 MEMS 傳感器開始應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用起,洗衣機(jī)等家用電器就已經(jīng)配備了振動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。而結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)應(yīng)用則在 MEMS 傳感器的成本變得更加合理之后獲得了蓬勃發(fā)展。例如,市政當(dāng)局有責(zé)任監(jiān)測(cè)橋梁的振動(dòng),以確保結(jié)構(gòu)處于良好的健康狀況。橋梁振動(dòng)數(shù)據(jù),尤其是在交通高峰時(shí)段的振動(dòng)數(shù)據(jù),可以針對(duì)任何可能導(dǎo)致橋梁倒塌的異常情況提供有價(jià)值的信息。


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圖 1:部分 MEMS 傳感器和振動(dòng)傳感器應(yīng)用。(圖片來(lái)源:STMicroelectronics)


若要確保振動(dòng)傳感器符合目標(biāo)應(yīng)用的需求,我們需要仔細(xì)分析傳感器的技術(shù)規(guī)格。表 1 列出了 STMicroelectronics 提供的其中一款最新振動(dòng)傳感器的主要參數(shù)。此器件可以捕捉到三維空間(X、Y、Z)的振動(dòng)。其所提供的三個(gè)自由度,可用于靈活地在安裝方向上調(diào)整位置。


每個(gè)軸的加速度滿量程高達(dá) 16 g,足以覆蓋監(jiān)測(cè)機(jī)器健康狀況通常所需的振動(dòng)幅度范圍。


此器件可以提供超寬帶寬,平坦頻率響應(yīng)高達(dá) 6.3 kHz,并具有消除頻率混疊的嵌入式濾波功能。


這款傳感器的另一個(gè)主要特點(diǎn)是頻譜噪聲密度非常低。當(dāng)需要捕捉低頻振動(dòng)時(shí),這是一個(gè)非常重要的優(yōu)勢(shì)。


與現(xiàn)有的振動(dòng)傳感器相比,其工作溫度范圍擴(kuò)大至 +105°C,可以滿足苛刻的工作環(huán)境要求。


此器件可以在三軸模式或單軸模式下運(yùn)行,模式選擇通過專用寄存器來(lái)完成。在三軸模式下,所有三個(gè)軸(X、Y、Z)會(huì)同時(shí)啟用。在單軸模式下,只有一個(gè)軸處于活動(dòng)狀態(tài)。在單軸模式下,活動(dòng)軸的分辨率(噪聲密度)會(huì)顯著提高。


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表 1:STMicroelectronics 提供的最新振動(dòng)傳感器的主要參數(shù)。


振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用


振動(dòng)監(jiān)測(cè)通常是指對(duì)機(jī)器、設(shè)備或電器的振動(dòng)進(jìn)行分析,這是所謂狀態(tài)監(jiān)測(cè) (CM) 或基于狀態(tài)監(jiān)測(cè) (CbM) 的綜合應(yīng)用的一部分。振動(dòng)分析在監(jiān)測(cè)機(jī)器的長(zhǎng)期健康狀況方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。但是,除了收集振動(dòng)數(shù)據(jù)之外,完整的狀態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案通常還包含多個(gè)傳感器,用以收集包括溫度、噪音、壓力、煙霧和濕度在內(nèi)的其他重要設(shè)備參數(shù)。在這些傳感器中,每一種傳感器都可提供關(guān)于機(jī)器特定狀況的寶貴信息。通過對(duì)這些傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、處理和分析,人們可以了解機(jī)器整體狀況,從而做出關(guān)鍵的機(jī)器維護(hù)決策。


圖 2 列舉了振動(dòng)監(jiān)測(cè)在不同市場(chǎng)的一些主要應(yīng)用。圖中的分類凸顯出數(shù)據(jù)收集和分析對(duì)于狀態(tài)檢測(cè)綜合解決方案的重要性。其他傳感器可用來(lái)收集數(shù)據(jù),再將這些數(shù)據(jù)融合在一起以獲得可靠而有效的結(jié)果。在業(yè)界提供的最新解決方案中,使用智能算法處理傳感器數(shù)據(jù),可以將此類解決方案的能力和有效性提升至全新水平。這些功能強(qiáng)大的創(chuàng)新解決方案有助于顯著減少與設(shè)備停機(jī)相關(guān)的成本和低效問題,原本這些情況不可避免。


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圖 2:各種振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。(圖片來(lái)源:STMicroelectronics)


云計(jì)算已經(jīng)成為一個(gè)廣泛解決方案的關(guān)鍵組成部分之一,該解決方案涉及從企業(yè)多個(gè)地點(diǎn)收集傳感器數(shù)據(jù)以確保任何位置都不會(huì)出現(xiàn)任何程度的中斷。云端的中央處理器用于對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行合并與分析,并對(duì)涉及的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),確保它們平穩(wěn)地不間斷運(yùn)行。


圖 3 列出了振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本組成部分。根據(jù)系統(tǒng)的需求,可以在必須監(jiān)測(cè)的設(shè)備上安裝各種傳感器。這些傳感器包括:


●   振動(dòng)

●   慣性傳感器模塊

●   溫度

●   濕度

●   壓力

●   環(huán)境光傳感器

●   傾角儀


分析收集的數(shù)據(jù)需要使用處理單元。根據(jù)數(shù)據(jù)量、隱私性、數(shù)據(jù)安全性、延遲和功耗要求,分析可以由本地處理單元完成,也可以傳輸?shù)皆铺幚碇行?,由其收集和分析?lái)自多臺(tái)設(shè)備的所有數(shù)據(jù)。


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圖3:振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成部分。(圖片來(lái)源:STMicroelectronics)


在機(jī)器安裝后和運(yùn)行期間,機(jī)器的狀況會(huì)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始發(fā)生變化。因此,務(wù)必要安裝所有需要的傳感器,以收集有關(guān)超聲和噪音、振動(dòng)、功耗、溫度和任何潛在煙霧的數(shù)據(jù)。隨著時(shí)間的推移,收集機(jī)器參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)的必要性愈發(fā)凸顯,這對(duì)于監(jiān)測(cè)機(jī)器的健康狀況變得至關(guān)重要。


圖 4 描繪了受監(jiān)測(cè)機(jī)器的典型安裝和故障點(diǎn) (IPF) 曲線。從機(jī)器狀況變化到最終發(fā)生故障可能歷時(shí)很久,或許要幾個(gè)月甚至幾年才會(huì)開始出現(xiàn)故障癥狀。對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行早期分析,可以了解機(jī)器的健康狀況,而使用傳感器數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行訓(xùn)練的人工智能算法,則可以預(yù)測(cè)故障并開始采取必要的措施。


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圖 4:IPF 曲線。(圖片來(lái)源:STMicroelectronics)


圖 5 提供了電動(dòng)泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)的示例。失衡、松動(dòng)、輸出軸和泵的齒輪箱等各種不同的狀況,都可以使用振動(dòng)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)。然后,振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)被傳送出去,以進(jìn)一步進(jìn)行各種分析,包括對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換 (FFT),從而確定這些狀況的各個(gè)頻率特征。


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圖 5:不同狀況下的電動(dòng)泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)。(圖片來(lái)源:STMicroelectronics)


電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了電動(dòng)機(jī)之外,還可以包含幾個(gè)組件。該解決方案可以包含多個(gè)傳感器,例如振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器以及其他傳感器,具體取決于操作環(huán)境的要求。泵與處理單元之間可以選擇有線或無(wú)線的連接方式,并使用專門的通信協(xié)議。處理和分析單元可以提供泵的診斷和可視化工具,幫助操作人員主動(dòng)識(shí)別和解決諸如泵異常等問題,這些問題可能會(huì)導(dǎo)致操作停機(jī)和中斷。通過這種主動(dòng)介入,可以降低工廠的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本,提高公司的利潤(rùn)。


結(jié)語(yǔ)


為了實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)綜合解決方案,需要部署許多傳感器。最新的 MEMS 振動(dòng)傳感器為工廠自動(dòng)化、電力設(shè)施、家用電器以及結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)測(cè)和監(jiān)管提供了高效和經(jīng)濟(jì)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)解決方案。振動(dòng)監(jiān)測(cè)既可以作為獨(dú)立解決方案進(jìn)行部署,也可以作為基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的組成部分,后者已逐漸成為通過實(shí)時(shí)收集和分析數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)各種機(jī)器的綜合解決方案不可或缺的部分。這一解決方案使21世紀(jì)的工廠有能力主動(dòng)監(jiān)測(cè)和解決因機(jī)器生產(chǎn)力中斷和停工而產(chǎn)生的問題。在任何工廠自動(dòng)化綜合解決方案中,振動(dòng)監(jiān)測(cè)都是重要組成部分。


參考文獻(xiàn)


1. 用于工業(yè)應(yīng)用的超寬帶寬低噪聲3軸數(shù)字加速度計(jì):https://www.st.com/zh/mems-and-sensors/iis3dwb.html

2. Analog bottom port microphone with frequency response up to 80 kHz for Ultrasound analysis and Predictive Maintenance applications.https://www.st.com/zh/mems-and-sensors/imp23absu.html

3. Low-voltage, ultra-low-power, 0.5 °C accuracy I2C/SMBus 3.0 temperature sensor.https://www.st.com/zh/mems-and-sensors/stts22h.html

4. https://www.st.com/zh/applications/factory-automation/condition-monitoring-predictive-maintenance.html#overview

5. https://www.st.com/zh/applications/factory-automation.html



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