振動(dòng)監(jiān)控應(yīng)用中的MEMS技術(shù)
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功能集成度和性能的不斷發(fā)展也有助于將MEMS加速度計(jì)和陀螺儀應(yīng)用于許多不同的工業(yè)系統(tǒng)。 其中一些應(yīng)用成為現(xiàn)有產(chǎn)品和服務(wù)的低成本替代品，而其他應(yīng)用則開始率先集成慣性感測功能。 作為擁有兩類用戶的應(yīng)用，振動(dòng)監(jiān)控也正方興未艾。 出于維護(hù)和安全需求而用于監(jiān)控機(jī)械健康狀況的傳統(tǒng)儀器儀表通常采用壓電技術(shù)。 高速自動(dòng)化設(shè)備對振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，以觸發(fā)對潤滑、速度或皮帶張力的反饋控制，或者關(guān)閉設(shè)備以便于維修人員快速檢查。
盡管壓電器件擁有成熟的用戶群，但MEMS加速度計(jì)為新興的用戶群提供了輕松集成、降低成本等優(yōu)勢。 另外，MEMS加速度計(jì)先進(jìn)的功能集成允許在ADIS16229數(shù)字MEMS振動(dòng)傳感器等器件中集成嵌入式RF收發(fā)器，從而實(shí)現(xiàn)一種集信號處理和通信功能于一體的完整解決方案。 此類可編程器件可以定期自動(dòng)喚醒，捕獲時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)記錄執(zhí)行快速傅里葉變換(FFT)，對FFT結(jié)果進(jìn)行用戶可配置的頻譜分析，通過高效的無線傳輸線路提供簡單的通過/失敗結(jié)果，存取數(shù)據(jù)和結(jié)果，然后返回休眠狀態(tài)。 振動(dòng)檢測的新用戶們認(rèn)為，快速部署以及合理的擁有成本是選用完全集成式MEMS器件的重要原因。
振動(dòng)監(jiān)控應(yīng)用
利用振動(dòng)觀察機(jī)器健康狀況旨在將可觀察到的振動(dòng)與典型的磨損機(jī)制關(guān)聯(lián)起來，比如軸承、齒輪、鏈條、皮帶、刷子、軸、線圈和閥門。 在一臺(tái)典型機(jī)器中，至少有一種磨損機(jī)制需定期維護(hù)。 圖1展示了正常磨損機(jī)制振動(dòng)與時(shí)間關(guān)系的三個(gè)例子。 盡管確定這種關(guān)系需要時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)，但關(guān)聯(lián)得當(dāng)?shù)恼駝?dòng)特征不失為短周期定期維護(hù)的低成本替代方案。 利用實(shí)際觀察結(jié)果，比如振動(dòng)，可在檢測到報(bào)警條件（紅色曲線）時(shí)快速采取行動(dòng)，同時(shí)還能避免對使用壽命未到期的機(jī)器過早進(jìn)行維護(hù)（藍(lán)色和綠色曲線）。
圖1同時(shí)還展示了機(jī)器維護(hù)周期的兩種報(bào)警設(shè)置（報(bào)警、關(guān)鍵）以及三個(gè)階段（早期、中期、末期）。 報(bào)警水平規(guī)定了正常運(yùn)行期間的最大振動(dòng)頻率，其中，觀察到的振動(dòng)不含對機(jī)器或技術(shù)支持人員的潛在危險(xiǎn)。 在正常范圍時(shí)，可以使用一些儀表測量偶爾出現(xiàn)的振動(dòng)。 臨界水平表示，資產(chǎn)存在嚴(yán)重受損的風(fēng)險(xiǎn)，從而給技術(shù)支持人員或環(huán)境帶來不安全因素。 顯然，機(jī)器操作員希望在這一水平時(shí)避免操作機(jī)器，并通常會(huì)停止使用機(jī)器。 當(dāng)振動(dòng)超過報(bào)警水平但低于臨界水平時(shí)，機(jī)器仍可以繼續(xù)工作，但應(yīng)該提高觀察頻率，并可能需要進(jìn)行額外的維護(hù)。
有時(shí)候，這三個(gè)操作區(qū)（正常、報(bào)警、臨界）可以對應(yīng)于機(jī)器維護(hù)周期的三個(gè)階段： 早期、中期、末期，每個(gè)階段的振動(dòng)監(jiān)控策略可能會(huì)有所不同。 例如，在早期，可能只需要每天、每周或每月觀察儀器的主要振動(dòng)屬性。 進(jìn)入中期時(shí)，可能需要每小時(shí)觀察一次，而在接近末期時(shí)，振動(dòng)監(jiān)控的頻率可能還要更高，尤其是在人員或資產(chǎn)處于危險(xiǎn)的情況下。 在該階段，利用便攜式設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)控的機(jī)器，其重復(fù)成本將逐漸增加，與維護(hù)成本相比，可能高得讓人望而卻步。 雖然有必要對重要資產(chǎn)進(jìn)行特殊關(guān)照，但許多其他儀器卻是無法承受這種重復(fù)成本。 作為人工測量的補(bǔ)充，嵌入式MEMS傳感器為要求實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)的設(shè)備提供了更為經(jīng)濟(jì)高效的方法。
圖1. 振動(dòng)與時(shí)間關(guān)系示例
振動(dòng)是一種重復(fù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 在開發(fā)振動(dòng)檢測儀器時(shí)，需考慮多個(gè)重要屬性。 首先，振蕩運(yùn)動(dòng)往往同時(shí)具有線性和旋轉(zhuǎn)元件。 大多數(shù)振動(dòng)檢測關(guān)系都傾向于關(guān)注振蕩幅度，而非絕對位置跟蹤，因此，線性傳感器（如MEMS加速度計(jì)）對于捕獲運(yùn)動(dòng)信息而言足夠了。 當(dāng)主要為線性運(yùn)動(dòng)時(shí)，了解運(yùn)動(dòng)方向就顯得極為重要，尤其是在使用單軸傳感器時(shí)。 相反，3軸傳感器具有更高的安裝靈活性，因?yàn)檎环较蚩梢栽谝粋€(gè)或更多軸上拾取，而不受振動(dòng)方向的影響。
由于振動(dòng)具有周期性，因此，頻譜分析是確定振動(dòng)曲線特性（振動(dòng)幅度與頻率關(guān)系）的一種簡便辦法。 圖2所示曲線同時(shí)有寬帶和窄帶成分，主體振動(dòng)頻率約為1350 Hz，還有4個(gè)諧波和一些低電平寬帶成分。 每一件活動(dòng)設(shè)備都有其自己的振動(dòng)曲線，而窄帶響應(yīng)一般表示設(shè)備的自然頻率。
圖2. 振動(dòng)曲線示例（自然頻率：約1350 Hz）
傳感器選擇和信號處理架構(gòu)取決于應(yīng)用目標(biāo)。 舉例來說，圖3所示信號鏈持續(xù)監(jiān)控特定頻帶，通過附近的控制面板提供報(bào)警燈和關(guān)鍵燈信號。 制造商在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)有助于帶通濾波器的設(shè)計(jì)，尤其是在啟動(dòng)頻率、停機(jī)頻率和帶通滾降速率方面。 旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)械結(jié)構(gòu)的自然頻率、因故障而異的振動(dòng)都可能影響帶通濾波器。 盡管這種方法非常簡單，但當(dāng)有特定機(jī)器的歷史數(shù)據(jù)時(shí)，振動(dòng)監(jiān)控要求也可能發(fā)生變化。 監(jiān)控要求的變化可能導(dǎo)致濾波器結(jié)構(gòu)的變化，從而可能造成重復(fù)的工程成本。 開發(fā)人員可以通過數(shù)字化傳感器響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信號處理功能（如濾波、rms計(jì)算和電平檢測器），利用輔助I/O輸出控制指示器燈的方式，以復(fù)雜性換取靈活性，或提供數(shù)字輸出。
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