振动监控应用中的MEMS技术

MEMS惯性传感器在当今的众多个人电子设备中发挥着重要作用。 小尺寸、低功耗、易集成、强大功能性和卓越性能，这些因素促使着智能手机、游戏控制器、活动跟踪器、数码相框等装置不断创新。 此外，MEMS惯性传感器用于汽车安全系统可显著提高系统可靠性，并降低系统成本，使汽车安全系统能够应用于大多数汽车。

功能集成度和性能的不断发展也有助于将MEMS加速度计和陀螺仪应用于许多不同的工业系统。 其中一些应用成为现有产品和服务的低成本替代品，而其他应用则开始率先集成惯性感测功能。 作为拥有两类用户的应用，振动监控也正方兴未艾。 出于维护和安全需求而用于监控机械健康状况的传统仪器仪表通常采用压电技术。 高速自动化设备对振动进行监控，以触发对润滑、速度或皮带张力的反馈控制，或者关闭设备以便于维修人员快速检查。

尽管压电器件拥有成熟的用户群，但MEMS加速度计为新兴的用户群提供了轻松集成、降低成本等优势。 另外，MEMS加速度计先进的功能集成允许在ADIS16229数字MEMS振动传感器等器件中集成嵌入式RF收发器，从而实现一种集信号处理和通信功能于一体的完整解决方案。 此类可编程器件可以定期自动唤醒，捕获时域振动数据，对数据记录执行快速傅里叶变换(FFT)，对FFT结果进行用户可配置的频谱分析，通过高效的无线传输线路提供简单的通过/失败结果，存取数据和结果，然后返回休眠状态。 振动检测的新用户们认为，快速部署以及合理的拥有成本是选用完全集成式MEMS器件的重要原因。

振动监控应用

利用振动观察机器健康状况旨在将可观察到的振动与典型的磨损机制关联起来，比如轴承、齿轮、链条、皮带、刷子、轴、线圈和阀门。 在一台典型机器中，至少有一种磨损机制需定期维护。 图1展示了正常磨损机制振动与时间关系的三个例子。 尽管确定这种关系需要时间和经验，但关联得当的振动特征不失为短周期定期维护的低成本替代方案。 利用实际观察结果，比如振动，可在检测到报警条件（红色曲线）时快速采取行动，同时还能避免对使用寿命未到期的机器过早进行维护（蓝色和绿色曲线）。

图1同时还展示了机器维护周期的两种报警设置（报警、关键）以及三个阶段（早期、中期、末期）。 报警水平规定了正常运行期间的最大振动频率，其中，观察到的振动不含对机器或技术支持人员的潜在危险。 在正常范围时，可以使用一些仪表测量偶尔出现的振动。 临界水平表示，资产存在严重受损的风险，从而给技术支持人员或环境带来不安全因素。 显然，机器操作员希望在这一水平时避免操作机器，并通常会停止使用机器。 当振动超过报警水平但低于临界水平时，机器仍可以继续工作，但应该提高观察频率，并可能需要进行额外的维护。

有时候，这三个操作区（正常、报警、临界）可以对应于机器维护周期的三个阶段： 早期、中期、末期，每个阶段的振动监控策略可能会有所不同。 例如，在早期，可能只需要每天、每周或每月观察仪器的主要振动属性。 进入中期时，可能需要每小时观察一次，而在接近末期时，振动监控的频率可能还要更高，尤其是在人员或资产处于危险的情况下。 在该阶段，利用便携式设备进行振动监控的机器，其重复成本将逐渐增加，与维护成本相比，可能高得让人望而却步。 虽然有必要对重要资产进行特殊关照，但许多其他仪器却是无法承受这种重复成本。 作为人工测量的补充，嵌入式MEMS传感器为要求实时振动数据的设备提供了更为经济高效的方法。

图1. 振动与时间关系示例

振动的性质

振动是一种重复的机械运动。 在开发振动检测仪器时，需考虑多个重要属性。 首先，振荡运动往往同时具有线性和旋转元件。 大多数振动检测关系都倾向于关注振荡幅度，而非绝对位置跟踪，因此，线性传感器（如MEMS加速度计）对于捕获运动信息而言足够了。 当主要为线性运动时，了解运动方向就显得极为重要，尤其是在使用单轴传感器时。 相反，3轴传感器具有更高的安装灵活性，因为正交方向可以在一个或更多轴上拾取，而不受振动方向的影响。

由于振动具有周期性，因此，频谱分析是确定振动曲线特性（振动幅度与频率关系）的一种简便办法。 图2所示曲线同时有宽带和窄带成分，主体振动频率约为1350 Hz，还有4个谐波和一些低电平宽带成分。 每一件活动设备都有其自己的振动曲线，而窄带响应一般表示设备的自然频率。

图2. 振动曲线示例（自然频率：约1350 Hz）

信号处理

传感器选择和信号处理架构取决于应用目标。 举例来说，图3所示信号链持续监控特定频带，通过附近的控制面板提供报警灯和关键灯信号。 制造商在机械设计方面的知识有助于带通滤波器的设计，尤其是在启动频率、停机频率和带通滚降速率方面。 旋转速度、机械结构的自然频率、因故障而异的振动都可能影响带通滤波器。 尽管这种方法非常简单，但当有特定机器的历史数据时，振动监控要求也可能发生变化。 监控要求的变化可能导致滤波器结构的变化，从而可能造成重复的工程成本。 开发人员可以通过数字化传感器响应，实现关键信号处理功能（如滤波、rms计算和电平检测器），利用辅助I/O输出控制指示器灯的方式，以复杂性换取灵活性，或提供数字输出。