用于工業(yè)振動(dòng)的加速度計及其模塊方案

工業(yè)4.0的浪潮正在興起。眾所周知，工業(yè)4.0有著(zhù)大量的承諾，其中就包括生產(chǎn)力和安全性的指數級改進(jìn)。如何實(shí)現生產(chǎn)力和安全性的大幅提升呢？這其中工業(yè)條件監測將發(fā)揮重要作用，而傳感器在其中將扮演關(guān)鍵角色。振動(dòng)是機器診斷的關(guān)鍵要素之一，已被可靠地運用于監控各種工業(yè)應用中的最關(guān)鍵設備。

1 高精度的振動(dòng)加速度計

    振動(dòng)測量可以使用放置在被監測元件附近的加速度計進(jìn)行。這種傳感器可以是壓電式，也可以是MEMS（微機電系統）類(lèi)型，后者更具優(yōu)勢，不僅可以在低頻率下提供更好的響應，而且體積小巧。

以滾珠軸承故障監測為例，每次滾珠碰觸到開(kāi)裂處或者觸碰到內環(huán)或外環(huán)的缺陷位置，就會(huì )發(fā)生撞擊，引起振動(dòng)，甚至導致旋轉軸輕微移位。撞擊發(fā)生的頻率由轉動(dòng)速度，以及滾珠的數量和直徑?jīng)Q定。一旦故障出現，前面提到的撞擊有時(shí)候會(huì )產(chǎn)生可以聽(tīng)見(jiàn)的聲音，即沖擊波，表現為低能量譜分量和相對較高的頻率，通常大于5 kHz，而且總是遠遠超過(guò)基本的旋轉頻率。只有低噪聲、高帶寬加速度計（例如ADI公司的ADXL100x）才能測量與首個(gè)故障信號相對應的頻譜線(xiàn)。

2 測量模塊的解決方案

盡管諸如ADXL100x系列加速度計具有寬帶寬和低噪聲特點(diǎn)。但是，它們采用單軸，需要配備相關(guān)的處理電子設備。為了簡(jiǎn)化設計，越來(lái)越多提供從組件到完整功能模塊產(chǎn)品。例如ADI公司提供了一套完整的解決方案，采用 ADcmXL3021型號實(shí)施三軸測量。這款3.3 V電源電壓產(chǎn)品包括3個(gè)基于A(yíng)DXL1002的測量鏈、1個(gè)溫度傳感器、1個(gè)處理器和1個(gè)FIFO（先入先出）。整個(gè)裝置封裝在一個(gè)鋁殼 (23.7 mm×26.7 mm×12 mm) 內，可以即時(shí)安裝在旋轉機器上。該產(chǎn)品的全尺寸為±50 g，具有僅25 μg/√Hz的極低噪聲水平和10 kHz帶寬，這些特點(diǎn)使其能夠在大量應用中捕捉振動(dòng)特征。

信號處理模塊不僅包括一個(gè)具有32個(gè)系數的可配置FIR（有限沖擊響應）濾波器，還包括一個(gè)每軸2 048個(gè)節點(diǎn)的FFT（快速傅里葉變換）函數，用于對振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析。再將用這種方法計算得出的頻譜的每個(gè)頻率級別與可配置的報警閾值（每軸6個(gè)）進(jìn)行對比。如果頻譜組件過(guò)于密集，就會(huì )生成警報。該產(chǎn)品還可以通過(guò)SPI（串行外設接口）與主機處理器進(jìn)行交互，提供訪(fǎng)問(wèn)內部寄存器以及一組用戶(hù)可配置的函數的權限，包括先進(jìn)的數學(xué)函數，例如計算平均值、標準偏差、最大值、波峰因素和峰度（四階動(dòng)力矩，支持測量振動(dòng)的銳度）。利用這些機器健康狀況的深入見(jiàn)解，可以提高生產(chǎn)力和效率，最大限度地延長(cháng)正常運行時(shí)間，加速實(shí)現工業(yè) 4.0。