為狀態(tài)監(jiān)控選擇MEMS加速度計時，有這些關(guān)鍵但經(jīng)常被忽視的參數(shù)

MEMS加速度計對于檢測故障情況、幫助防止意外斷電或避免發(fā)生其他代價高昂的事件至關(guān)重要，但我們在選擇和安裝合適的MEMS傳感器之前，需要仔細(xì)考慮多個關(guān)鍵參數(shù)，然而這些參數(shù)常常被忽視。本文將討論您在做出選擇時應(yīng)特別留意的一些關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。

狀態(tài)監(jiān)控

CbM是利用傳感器監(jiān)測機械系統(tǒng)可能出現(xiàn)的潛在缺陷或損壞的過程。CbM用于監(jiān)測滾珠軸承、齒輪、泵和許多其他應(yīng)用中的缺陷。通常的做法是采用多種不同類型原理的傳感器來確保實現(xiàn)出色監(jiān)控效果。使用此類傳感器可以盡早發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取預(yù)防措施以避免可能的損壞或事故。一種方法是預(yù)測性維護(hù)(PdM)，根據(jù)從傳感器讀數(shù)收集到的數(shù)據(jù)來預(yù)測系統(tǒng)內(nèi)的潛在故障。這有助于減少停機時間并提高運營效率。盡管在CbM應(yīng)用中常常使用多種類型的傳感器，包括加速度計、溫度傳感器、磁力計和MEMS麥克風(fēng)等，但本文將特別關(guān)注MEMS加速度計。

MEMS加速度計

MEMS加速度計用于將機械振動轉(zhuǎn)換為電壓或數(shù)字值。MEMS傳感器由活動和固定的硅元件組成，它們相互交叉形成電容，如圖1a所示。機械運動會使得活動元件向固定元件移動。該結(jié)構(gòu)在數(shù)學(xué)上可以描述為質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，其中的加速度可以根據(jù)測得的力來計算。在模擬MEMS傳感器中（圖1b），機械振動可以轉(zhuǎn)換為電壓。數(shù)字傳感器額外使用集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器來輸出數(shù)字值，如圖1c所示。ADI公司提供類型豐富的MEMS加速度計，例如低噪底、高帶寬和多軸傳感器。

圖1.(a) MEMS結(jié)構(gòu)，沿z軸運動；(b) MEMS模擬輸出；(c) MEMS數(shù)字輸出。

適用于CbM的MEMS加速度計的關(guān)鍵參數(shù)

量程

所選擇的MEMS傳感器的量程應(yīng)涵蓋系統(tǒng)中出現(xiàn)的所有加速度。如果傳感器的量程太小，信號可能會被削波。這會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)不對稱信號/信號偏移，導(dǎo)致出現(xiàn)加速度解讀誤差。在此過程中，應(yīng)在傳感器中記為1 g的重力加速度常被忽略。

帶寬

此外，還應(yīng)結(jié)合帶寬考慮系統(tǒng)中出現(xiàn)的加速度所對應(yīng)的頻率。缺陷的早期檢測，例如與滾珠軸承、泵等相關(guān)的缺陷，在CbM應(yīng)用中至關(guān)重要。缺陷的最初跡象通常出現(xiàn)在高頻頻譜。如果選擇的帶寬太小，則這些缺陷甚至可能無法被檢測到。在此類應(yīng)用中，加速度是頻率平方的函數(shù)。例如，在位移為250 nm且頻率為1 kHz時，實際加速度為1 g。如果此位移發(fā)生在10 kHz，則實際加速度為100 g，或者說比之前高出100倍。也就是說，為了能夠盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的缺陷，必須選擇帶寬和量程足夠大的傳感器。為了滿足高度關(guān)鍵應(yīng)用的需求，ADI公司提供帶寬高達(dá)24 kHz和量程達(dá)到500 g的傳感器。

傳感器諧振頻率

選擇帶寬時要考慮的另一個因素是傳感器的諧振。當(dāng)加速度發(fā)生在傳感器的諧振頻率上時，傳感器的靈敏度會增加，進(jìn)而造成可用信號失真的糟糕情況，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為系統(tǒng)提供機械阻尼/濾波可以解決這個問題。除帶寬外，低本底噪聲對于實現(xiàn)故障或偏差的早期檢測也很重要。出色的MEMS加速度計的本底噪聲應(yīng)小于100 μg/√Hz。

結(jié)論

基于MEMS的加速度計現(xiàn)在可以很好地替代壓電傳感器。MEMS加速度計具有高達(dá)24 kHz的高帶寬和低本底噪聲，非常適合用于預(yù)測和檢測缺陷的早期跡象，從而降低系統(tǒng)故障率和相關(guān)成本。ADI公司為CbM應(yīng)用提供廣泛的傳感器選擇，包括ADXL100x和 ADXL356/ADXL357。