如果故障發(fā)生在兩次定期維護(hù)檢查之間，則很可能導(dǎo)致意外停機(jī)。在這種情況下，至關(guān)重要的是使用合適的預(yù)測性維護(hù)傳感器來盡可能提早檢測潛在故障，所以，本文將著重介紹振動(dòng)和聲學(xué)傳感器。振動(dòng)分析通常被認(rèn)為是使用PdM的最佳起點(diǎn)。

 

預(yù)測性維護(hù)傳感器

有些傳感器能夠比其他傳感器更早地檢測某些故障，例如軸承損壞，如圖1所示。在這一節(jié)中，我們將討論常用于盡可能提早檢測故障的傳感器，一般是加速度計(jì)和麥克風(fēng)。表1顯示傳感器規(guī)格列表，以及它們可以檢測到的一些故障。大多數(shù)PdM系統(tǒng)只使用其中一些傳感器，因此必須確保除了使用合適的傳感器來檢測這些潛在的關(guān)鍵故障之外，還要深入了解這些故障。

 

表1. 常用于實(shí)施CbM的傳感器

 

傳感器和系統(tǒng)故障注意事項(xiàng)

工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中超過90%的旋轉(zhuǎn)機(jī)器都使用滾動(dòng)軸承。電機(jī)的故障部件分布如圖2所示，從中可以清楚看到，在選擇PdM傳感器時(shí)，需要特別關(guān)注軸承監(jiān)測。為了檢測、診斷和預(yù)測潛在故障，振動(dòng)傳感器必須具有低噪聲和寬帶寬。

 

圖2. 電機(jī)部件出現(xiàn)故障的百分率。

 

表2顯示與旋轉(zhuǎn)機(jī)器相關(guān)的部分常見故障，以及一些用于PdM應(yīng)用的相應(yīng)振動(dòng)傳感器要求。為了盡早發(fā)現(xiàn)故障，PdM系統(tǒng)通常需要使用高性能傳感器。資產(chǎn)中使用的預(yù)測性維護(hù)傳感器的性能水平與在整個(gè)流程中持續(xù)可靠運(yùn)行的資產(chǎn)的重要性相關(guān)，而不是與資產(chǎn)本身的成本相關(guān)。

 

表2. 機(jī)器故障和振動(dòng)傳感器注意事項(xiàng)概述

 

根據(jù)電機(jī)振動(dòng)或移動(dòng)（峰值、峰峰值和rms）期間的能量，我們可以確定機(jī)器是否不平衡或未對準(zhǔn)等。有些故障（例如軸承或齒輪缺陷）不是很明顯，特別是在早期，不能單單通過增加振動(dòng)頻率來識(shí)別或預(yù)測。解決這些故障通常需要將具備低噪聲(<100 µg/√Hz)和寬帶寬(>5kHz)的高性能預(yù)測性維護(hù)振動(dòng)傳感器與高性能信號(hào)鏈、處理、收發(fā)器和后處理器配對。

 

用于PdM的振動(dòng)、聲波和超聲波傳感器

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)的PCB上包含一個(gè)MEMS元件，通常采用金屬外殼，頂部或底部端口中可以包含聲壓波。MEMS麥克風(fēng)提供低成本、小尺寸且有效的方法來檢測機(jī)器故障，例如軸承狀 況、齒輪嚙合、泵氣蝕、未對準(zhǔn)和不平衡。這使得MEMS麥克風(fēng)成為電池供電應(yīng)用的理想選擇。它們可以放置在距離噪聲源較遠(yuǎn)的位置，且不會(huì)侵入。當(dāng)多個(gè)資產(chǎn)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，麥克風(fēng)的性能可能會(huì)受到來自其他機(jī)器的噪聲或環(huán)境因素（例如灰塵或濕度進(jìn)入麥克風(fēng)的端口孔）的影響。大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)手冊仍然列出相對良性的應(yīng)用，例如移動(dòng)終端、筆記本電腦、游戲設(shè)備和機(jī)等。有些MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)手冊將振動(dòng)檢測或PdM列為潛在應(yīng)用，但它們也提到，易受機(jī)器沖擊和搬運(yùn)不當(dāng)影響的傳感器可能對產(chǎn)品造成永久損壞。其他MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)手冊表明，機(jī)械沖擊耐受力高達(dá)10,000 g。目前還不清楚這些傳感器是否適合在可能存在沖擊的嚴(yán)苛操作環(huán)境中運(yùn)行。

 

MEMS超聲波麥克風(fēng)分析讓我們能夠在噪聲增大的情況下監(jiān)測復(fù)雜資產(chǎn)中的電機(jī)的健康狀況，這是因?yàn)樗苈牭椒且纛l頻譜（20 kHz至100 kHz）內(nèi)的聲音，在這個(gè)頻譜下，噪聲要少得多。低頻聲音信號(hào)的波長一般約在1.7厘米到17米之間。高頻信號(hào)的波長約在0.3厘米到1.6厘米之間。當(dāng)波長的頻率增加時(shí)，能量相應(yīng)增加，使得超聲波更具方向性。在試圖找出軸承或外殼中的故障時(shí)，這非常有用。

 

加速度計(jì)是最常用的振動(dòng)傳感器，振動(dòng)分析是最常用的PdM技術(shù)，主要用于渦輪機(jī)、泵、電機(jī)和齒輪箱等大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備中。表3和表4顯示在選擇高性能MEMS振動(dòng)和聲學(xué)傳感器，以及典型壓電振動(dòng)傳感器時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵規(guī)格。每一列中的數(shù)據(jù)代表該類別的最小/最大差異值，與相鄰列無關(guān)。

 

表3. 預(yù)測性維護(hù)傳感器的性能規(guī)格

? MEMS加速度計(jì)模塊的價(jià)格可能超過30美元，但它們是完整的系統(tǒng)解決方案，而提到的所有其他器件都只是傳感器。

? 重點(diǎn)：最差，中等，最好

 

表4. 預(yù)測性維護(hù)傳感器的機(jī)械規(guī)格

? MEMS模塊通常包含ADC、處理器和根據(jù)傳感器調(diào)諧的濾波，以優(yōu)化性能，并節(jié)省信號(hào)鏈對空間的需求

? 重點(diǎn)：最差，中等，最好

 

CbM行業(yè)有望在未來五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)顯著增長，其中很大部分增長是受無線安裝推動(dòng)。由于尺寸、缺乏集成功能和功耗等原因，壓電式加速度計(jì)不太適合無線CbM系統(tǒng)，但是存在典型功耗在0.2mA至0.5 mA的解決方案。MEMS加速度計(jì)和麥克風(fēng)非常適合電池供電的PdM系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈凅w積小、功耗低、性能高。

 

所有傳感器都具有合適的帶寬和低噪聲，但MEMS加速度計(jì)是唯一能夠提供直流響應(yīng)的傳感器，可以在非常低的轉(zhuǎn)速下檢測不平衡和傾斜。MEMS加速度計(jì)還具備自測功能，可以驗(yàn)證傳感器 100%可用。這在安全關(guān)鍵型安裝中可能會(huì)很有用，因?yàn)樵谶@些安裝中，可以通過驗(yàn)證傳感器是否仍在工作來更簡單地達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

 

可以完全密封采用陶瓷封裝的MEMS加速度計(jì)和采用機(jī)械封裝的壓電式加速度計(jì)，以在嚴(yán)苛、臟污的環(huán)境中使用。表4主要列出傳感器的物理、機(jī)械和環(huán)境性能。從中可以看出每個(gè)傳感器之間的關(guān)鍵差異，例如集成、惡劣環(huán)境耐受能力、機(jī)械性能，以及連接到旋轉(zhuǎn)機(jī)器或裝置的能力。

 

在三個(gè)軸上檢測振動(dòng)數(shù)據(jù)可以提供更多診斷見解，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的故障檢測。雖然并非所有PdM安裝都需要如此，但這是壓電和MEMS加速度計(jì)在數(shù)據(jù)質(zhì)量、布線和空間節(jié)省方面的明顯優(yōu)勢。

 

當(dāng)長時(shí)間暴露在濕度增加的環(huán)境下時(shí)，MEMS麥克風(fēng)顯示出高達(dá)8dB的失真。雖然這不是一個(gè)明顯缺點(diǎn)，但如果您是在高濕度嚴(yán)苛環(huán)境下使用PdM應(yīng)用，則值得考慮。在這種情況下，駐極體電容麥克風(fēng)(ECM)比MEMS麥克風(fēng)更具優(yōu)勢。其他影響麥克風(fēng)性能的環(huán)境因素還有：風(fēng)、氣壓、電磁場和機(jī)械震動(dòng)。

 

在良好的環(huán)境中，MEMS麥克風(fēng)在PdM應(yīng)用中提供出色性能。目前，還缺乏將MEMS麥克風(fēng)安裝到存在高振動(dòng)、臟污或高濕度的嚴(yán)苛操作環(huán)境中的相關(guān)信息。振動(dòng)會(huì)影響MEMS麥克風(fēng)的性能，這是一個(gè)需要考慮的問題；但是，它們的振動(dòng)靈敏度低于ECM。如果無線PdM解決方案將使用MEMS麥克風(fēng)，安裝盒上需要有一個(gè)孔或端口，以便聲音信號(hào)到達(dá)傳感器，這進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，且讓其他電子元件更易臟污或受潮。

 

電容式MEMS加速度計(jì)技術(shù)的最新進(jìn)展使得小型、低成本、低功耗無線CbM解決方案可以用在不太重要的資產(chǎn)中，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更深入地診斷洞察，以便實(shí)施管理和保持關(guān)鍵系統(tǒng)正常運(yùn)行。這些進(jìn)展也使得MEMS加速度計(jì)在用于更加傳統(tǒng)的有線CbM系統(tǒng)中時(shí)，性能更接近壓電式加速度計(jì)。壓電式加速度計(jì)具有如此低的噪聲和寬帶寬，加上與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接（ICP和IEPE）耦合，幾十年來一直是實(shí)施振動(dòng)測量的典型傳感器。MEMS加速度計(jì)已經(jīng)調(diào)整為可以和IEPE標(biāo)準(zhǔn)模塊連接，如圖3所示。該電路是基于一種特殊的PCB進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種PCB可以在寬頻帶上工作，以在后期設(shè)計(jì)成一個(gè)機(jī)械模塊。

 

圖3. MEMS加速度計(jì)、IEPE參考、PCB設(shè)計(jì)允許在IEPE機(jī)械模塊中改進(jìn)ADXL100x系列CbM加速度計(jì)。注：ADI不生產(chǎn)IEPE機(jī)械模塊。

 

圖4所示的設(shè)備包含三個(gè)單軸MEMS加速度計(jì)、三個(gè)ADC、一個(gè)處理器、內(nèi)存和算法，這些都集成在一個(gè)機(jī)械模塊中，共振超過50 kHz。這突出顯示了MEMS加速度計(jì)在傳感器節(jié)點(diǎn)上集成智能的能力，確保傳感器與相應(yīng)的信號(hào)鏈和處理功能配對，以實(shí)現(xiàn)出色性能。此模塊可以執(zhí)行FFT，觸發(fā)各種時(shí)域或頻域報(bào)警，并生成域靜力，這對算法或機(jī)器學(xué)習(xí)工具能否預(yù)測故障至關(guān)重要。

 

圖4. 三軸MEMS CbM模塊，集成了ADC、處理器、FFT、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及機(jī)械封裝，諧振頻率超過50 kHz。

 

在為PdM解決方案選擇合適的振動(dòng)傳感器時(shí)，真正的挑戰(zhàn)在于配對傳感器，以匹配資產(chǎn)最可能出現(xiàn)的故障模式。目前還未能證實(shí)MEMS麥克風(fēng)足夠堅(jiān)固，能夠在惡劣環(huán)境中可靠地檢測所有基于振動(dòng)的故障模式，而振動(dòng)檢測和加速計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成功實(shí)施并可靠地執(zhí)行了幾十年。已經(jīng)證明MEMS超聲波麥克風(fēng)能夠比加速度計(jì)更早地檢測軸承故障，這種潛在的共生關(guān)系可以為您提供理想的PdM解決方案，以滿足您未來對資產(chǎn)實(shí)施振動(dòng)分析的需求。

 

雖然難以推薦在PdM系統(tǒng)中使用哪種振動(dòng)傳感器比較好，但是可以使用已經(jīng)成功應(yīng)用并不斷改進(jìn)的加速度計(jì)。ADI提供一系列MEMS加速度計(jì)，從通用、低功耗、低噪聲、高穩(wěn)定性和高g，一直到智能終端節(jié)點(diǎn)模塊，如圖4所示。ADcmXL3021是一個(gè)專用PdM模塊解決方案示例。ADI率先推出了支持PdM的MEMS加速度計(jì)系列（20 kHz+帶寬、 25 μg/√Hz噪聲密度），且仍是少數(shù)能夠提供如此高性能的MEMS加速度計(jì)的提供商之一。ADI繼續(xù)在傳感器、信號(hào)鏈解決方案、機(jī)械模塊、平臺(tái)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法、人工智能軟件平臺(tái)和整體系統(tǒng)解決方案等領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，支持在挑戰(zhàn)性環(huán)境中對工業(yè)旋轉(zhuǎn)機(jī)器實(shí)施預(yù)測性維護(hù)。
（來源：亞德諾半導(dǎo)體）