如何構建基于MEMS的解決方案用于狀態(tài)監測中的振動(dòng)檢測

狀態(tài)監測是當今使用機械設施和技術(shù)系統（例如使用電機、發(fā)電機和齒輪）的核心挑戰之一。計劃維護對于最大限度地降低生產(chǎn)停機風(fēng)險變得越來(lái)越重要，不僅在工業(yè)領(lǐng)域，而且在使用機器的任何地方。除此之外，還分析了機器的振動(dòng)模式。

狀態(tài)監測是當今使用機械設施和技術(shù)系統（例如使用電機、發(fā)電機和齒輪）的核心挑戰之一。計劃維護對于最大限度地降低生產(chǎn)停機風(fēng)險變得越來(lái)越重要，不僅在工業(yè)領(lǐng)域，而且在使用機器的任何地方。除此之外，還分析了機器的振動(dòng)模式。齒輪箱引起的振動(dòng)通常在頻域中被感知為軸速度的倍數。不同頻率的不規則性表明零件磨損、不平衡或松動(dòng)?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/MEMS">MEMS（微機電系統）的加速度計通常用于測量頻率。與壓電傳感器相比，它們具有更高的分辨率、出色的漂移和靈敏度特性以及更好的信噪比（SNR）。它們還可以檢測接近直流范圍的低頻振動(dòng)。

本文展示了一種基于A(yíng)DXL1002 MEMS加速度計的高線(xiàn)性、低噪聲、寬帶振動(dòng)測量解決方案。該解決方案可用于軸承分析或發(fā)動(dòng)機監控，以及需要高達 ±50 g 的大動(dòng)態(tài)范圍和從直流到 11 kHz 的頻率響應的所有應用。

圖1所示為示例電路。來(lái)自ADXL1002的模擬輸出信號通過(guò)2極點(diǎn)RC濾波器饋送到逐次逼近寄存器（SAR）模數轉換器（ADC）AD4000，后者將模擬信號轉換為數字值以進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理。

圖1.ADXL1002的示例電路

ADXL1002是一款高頻、單軸MEMS加速度計，可提供超出傳感器諧振頻率范圍的輸出信號通帶。這是需要的，以便也可以觀(guān)察到3 dB帶寬之外的頻率。為此，ADXL1002的輸出放大器支持70 kHz的小信號帶寬。ADXL100的輸出放大器也可以直接驅動(dòng)高達1002 pF的容性負載。對于大于100 pF的負載，應使用8 kΩ≥串聯(lián)電阻。

ADXL1002輸出端需要外部濾波器來(lái)消除輸出放大器和ADXL1002其他內部噪聲組件的混疊噪聲，例如，通過(guò)內部200 kHz時(shí)鐘信號耦合產(chǎn)生的混疊噪聲。因此，應相應地實(shí)現濾波器帶寬。使用圖1所示的尺寸（R1 = 16 kΩ，C1 = 300 pF，R2 = 32 kΩ和C2 = 300 pF），在84 kHz時(shí)衰減約200 dB。此外，所選ADC采樣速率應高于放大器帶寬（例如32 kHz）。

對于A(yíng)DC，應選擇ADXL1002電源電壓作為基準電壓源，因為輸出放大器與電源電壓成比例關(guān)系。在這種情況下，電源電壓容差和電壓溫度系數（通常連接到外部穩壓器）在加速度計和ADC之間運行，從而抵消與電源和基準電壓相關(guān)的隱式誤差。

頻率響應

加速度計的頻率響應是系統最重要的特性，如圖2所示。增益在高于約2 kHz至3 kHz的頻率時(shí)增加。對于諧振頻率（11 kHz），輸出電壓增益峰值約為12 dB（系數為4）。

圖2.ADXL1002的頻率響應

為了顯示測量范圍過(guò)沖（overrange），ADXL1002具有相應的輸出（OR引腳）。集成監視器在發(fā)生重大超量程事件時(shí)發(fā)出警告。

關(guān)于安裝的機械注意事項

應特別注意正確放置加速度計。它應該安裝在靠近電路板上的剛性安裝點(diǎn)附近，以避免電路板本身的任何振動(dòng)，從而避免由于未阻尼電路板振動(dòng)而導致的測量誤差.該位置可確保加速度計上的每個(gè)電路板振動(dòng)都高于機械傳感器諧振頻率，因此加速度計幾乎不可見(jiàn)?？拷鼈鞲衅鞯亩鄠€(gè)安裝點(diǎn)和較厚的電路板也有助于降低系統諧振對傳感器性能的影響。

結論

利用圖1所示電路，可以相對容易地構建基于MEMS的解決方案，用于檢測從直流范圍到11 kHz的振動(dòng)，這是旋轉機器狀態(tài)監測中經(jīng)常需要的。（作者：Thomas Brand）