MEMS振動(dòng)監控：從加速度到速度

簡(jiǎn)介

MEMS加速度計終于達到了能夠測量廣泛機器平臺振動(dòng)的階段。其最近的能力進(jìn)步，加上MEMS加速度計已有的相對于傳統振動(dòng)傳感器的諸多優(yōu)勢（尺寸、重量、成本、抗沖擊性、易用性），促使一類(lèi)新興的狀態(tài)監控(CBM)系統開(kāi)始使用MEMS加速度計。結果，許多CBM系統架構師、開(kāi)發(fā)者甚至其客戶(hù)首次考慮使用此類(lèi)傳感器。他們面臨的問(wèn)題常常是如何快速了解評估MEMS加速度計功能的方法，以便在其機器平臺上測量最重要的振動(dòng)特性。這初看起來(lái)似乎很困難，因為MEMS加速度計數據手冊表述最重要性能特性的方式常常不是開(kāi)發(fā)人員所熟悉的。例如，許多人熟悉用線(xiàn)速度(mm/s)來(lái)量化振動(dòng)，但大多數MEMS加速度計數據手冊是用基于重力的加速度(g)來(lái)表達其性能指標。幸運的是，有一些簡(jiǎn)單的技術(shù)可用來(lái)將加速度轉換為速度，以及估計加速度計關(guān)鍵特性（頻率響應、測量范圍、噪聲密度）對重要系統級標準（帶寬、平坦度、峰值振動(dòng)、分辨率）的影響。

基本振動(dòng)特性

先從慣性運動(dòng)角度考察線(xiàn)性振動(dòng)。在此背景下，振動(dòng)是平均位移為零的機械振蕩。對于那些不希望其機器穿越整個(gè)車(chē)間的人來(lái)說(shuō)，零平均位移非常重要！振動(dòng)檢測節點(diǎn)中核心傳感器的價(jià)值與它反映機器振動(dòng)最重要特性的能力高低直接相關(guān)。要評估特定MEMS加速度計在這方面的能力，首先必須從慣性運動(dòng)角度對振動(dòng)有一個(gè)基本了解。圖1是振動(dòng)情況的物理示意圖，灰色部分表示中點(diǎn)，藍色部分表示一個(gè)方向的峰值位移，紅色部分表示另一方向的峰值位移。等式1提供了一個(gè)描述矩形物體瞬時(shí)加速度的數學(xué)模型，其振動(dòng)頻率為(fV)，幅度為Arms。

圖1.簡(jiǎn)單線(xiàn)性振動(dòng)

在大部分CBM應用中，機器平臺的振動(dòng)常常有比等式1所示模型更復雜的頻譜特征，但此模型為學(xué)習發(fā)現之旅提供了一個(gè)很好的出發(fā)點(diǎn)，因為它給出了CBM系統常常會(huì )跟蹤的兩個(gè)常見(jiàn)振動(dòng)特性：幅度和頻率。此方法對關(guān)鍵特性到線(xiàn)性速度項的轉換也很有用（稍后將有更多說(shuō)明）。圖2提供了兩類(lèi)不同振動(dòng)模式的頻譜視圖。第一類(lèi)（參見(jiàn)圖2中的藍線(xiàn)）在其頻率范圍（f1到f6）內具有恒定幅度。第二類(lèi)（參見(jiàn)圖2中的紅線(xiàn)）在四個(gè)不同頻率處出現了峰值幅度：f2, f3, f4, 和 f5.

圖2.CM振動(dòng)模式示例

系統要求

測量范圍、頻率范圍（帶寬）和分辨率是用來(lái)量化振動(dòng)檢測節點(diǎn)能力的三個(gè)常見(jiàn)特性。圖2通過(guò)虛線(xiàn)矩形框顯示了這些特性，其邊界分別對應最低頻率(fMIN)、最高頻率(fMAX)、最小幅度(AMIN)和最大幅度(AMAX)。當考慮將MEMS加速度計用作振動(dòng)檢測節點(diǎn)中的核心傳感器時(shí)，系統架構師很可能想在設計早期分析其頻率響應、測量范圍和噪聲行為。有一些簡(jiǎn)單的技術(shù)可用來(lái)評估加速度計的各種特性，進(jìn)而預判其是否滿(mǎn)足指定的一組要求。很顯然，系統架構師最終必須通過(guò)實(shí)際驗證和鑒定來(lái)核驗上述估計，但由對加速度計能力的早期分析和預測所得來(lái)的期望對這些工作是有價(jià)值的。...............

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