如何建立基于MEMS的解決方案，以在狀態(tài)監控期間實(shí)施振動(dòng)檢測

對于使用電機、發(fā)電機和齒輪等的機械設備和技術(shù)系統，狀態(tài)監控是當前的核心挑戰之一。在最大限度降低生產(chǎn)停機風(fēng)險這一方面，計劃性維護的重要性日益凸顯，不僅是在工業(yè)領(lǐng)域，在任何使用機械系統的地方均是如此。除此以外，本文還分析了機器的振動(dòng)模式。齒輪箱導致的振動(dòng)在頻域體現為軸速的倍數。不同頻率點(diǎn)的磨損、不平衡或松脫的部件等異常。我們通常使用基于MEMS（微機電系統）的加速度計來(lái)測量頻率。與壓電式傳感器相比，它們具有更高的分辨率、出色的漂移特性和靈敏度，以及更高的信噪比(SNR)，此外，還能檢測幾乎接近直流范圍的極低頻率振動(dòng)。

本文介紹一種基于 ADXL1002 MEMS加速度計的高線(xiàn)性、低噪聲、寬帶振動(dòng)測量解決方案。這種解決方案可用于實(shí)施軸承分析或發(fā)動(dòng)機監測，且適用于所有需要動(dòng)態(tài)范圍高達±50 g、頻率響應范圍為從直流至11 kHz的應用。

圖1顯示的是一個(gè)示例電路。來(lái)自ADXL1002的模擬輸出信號通過(guò)2階RC濾波器饋送至逐次逼近寄存器(SAR)模數轉換器(ADC)  AD4000 ，將模擬信號轉化為數字值，以進(jìn)一步處理信號。

ADXL1002是ADI公司一款高頻率的單軸MEMS加速度計，提供遠超過(guò)傳感器諧振頻率范圍的輸出信號通頻帶。采用此器件之后，也可以監測3 dB帶寬以外的頻率。為了實(shí)施這種監測，ADXL1002的輸出放大器需要支持70 kHz小信號帶寬。使用ADXL1002的輸出放大器也可以直接驅動(dòng)實(shí)現高達100 pF的容性負載。要實(shí)現高于100 pF的負載，需要使用不低于8 kΩ的串聯(lián)電阻。

ADXL1002的輸出端需要配備外部濾波器，以消除ADXL1002的輸出放大器和其他內部噪聲組件產(chǎn)生的混疊噪聲，例如，耦合內部200 kHz時(shí)鐘信號產(chǎn)生的噪聲。因此，需要相應采用濾波器帶寬。采用圖1所示的尺寸（R1 = 16 kΩ，C1 = 300 pF，R2 = 32 kΩ，C2 = 300 pF）時(shí)，在200 kHz時(shí)會(huì )實(shí)現約84 dB衰減。此外，選擇的ADC采樣速率應該高于放大器的帶寬（例如，32 kHz）。

對于A(yíng)DC，選擇ADXL1002的電源電壓作為其基準電壓源，這是因為輸出放大器與電源電壓成比率關(guān)系。在本例中，電源電壓的容差和電壓溫度系數（一般連接至外部穩壓器）介于加速度計和ADC之間，所以可以抵消與電源和基準電壓相關(guān)的隱含誤差。

圖1 ADXL1002的示例電路

頻率響應

加速度計的頻率響應是該系統最重要的特性，具體如圖2所示。在頻率高出約2 kHz至3 kHz時(shí)，增益增加。對于諧振頻率(11 kHz)，在輸出電壓下產(chǎn)生約12 dB（因子為4）的最大增益值。

為了顯示量程過(guò)沖（超量程），ADXL1002配備了一個(gè)對應的輸出（OR引腳）。發(fā)生明顯的超量程事件時(shí)，集成式監測器會(huì )發(fā)出警報。

圖2 ADXL1002的頻率響應

機械安裝注意事項

應特別注意將加速度計放置在正確的位置。加速度計應安裝在靠近板的剛性安置點(diǎn)的位置，避免電路板本身產(chǎn)生任何振動(dòng)，以及因為電路板振動(dòng)未受抑制而導致的測量誤差。這種放置可以確保加速度計每次受到的電路板振動(dòng)的頻率都高于機械傳感器的諧振頻率，因此實(shí)際上對加速度計是不可見(jiàn)的。多個(gè)安裝點(diǎn)時(shí)，接近傳感器和較厚的板也有助于降低系統諧振對傳感器性能的影響。

結論

采用圖1所示的電路時(shí)，可以相對容易地構建基于MEMS的解決方案，ADI公司該方案可以檢測直流范圍到11 kHz的振動(dòng)（旋轉機器的狀態(tài)監控通常要求采用這一范圍）。

作者簡(jiǎn)介

Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑A(yíng)DI公司，當時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場(chǎng)應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶(hù)提供支持，并專(zhuān)注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。

參考資料： 

 電路筆記CN-0303：帶頻率響應補償的MEMS振動(dòng)分析儀 。ADI公司，2016年9月。