慣性MEMS傳感器在當今個人電子設備的大規模擴展中發揮著重要作用。它們體積小、功耗低、易于集成、功能水平高和性能卓越，鼓勵并實現了智能手機、游戲控制器、活動跟蹤器和數碼相框等小工具的創新。此外，慣性MEMS傳感器大大提高了汽車安全系統的可靠性并降低了成本，使其能夠部署在大多數汽車中。
功能集成和性能的不斷進步也幫助MEMS加速度計和陀螺儀進入許多不同的工業系統。其中一些應用為現有產品和服務提供了低成本的替代方案，而其他應用則首次集成了慣性傳感。振動監測正在成為一種同時擁有這兩種用戶的應用程序。監控機器健康狀況以進行維護和安全的傳統儀器通常使用壓電技術。高速自動化設備監控振動，以觸發對潤滑、速度或皮帶張力的反饋控制，或關閉設備以便維護人員快速關注。
盡管壓電器件擁有成熟的用戶群，但MEMS加速度計為新興的新用戶群提供了易于集成和更低的成本。此外，其先進的功能集成使ADIS16229數字MEMS振動傳感器等器件能夠提供包括信號處理和通信在內的完整解決方案。這種類型的可編程設備可以定期喚醒自身，捕獲時域振動數據，對數據記錄執行快速傅里葉變換（FFT），對FFT結果應用用戶可配置的頻譜分析，通過高效的無線傳輸提供簡單的通過/失敗結果，提供對數據和結果的訪問，然后返回睡眠狀態。振動傳感的新采用者發現，快速部署和合理的擁有成本是評估完全集成的MEMS器件的充分理由。
振動監測應用
使用振動觀察機器健康狀況時，目標是將可觀察到的振動與典型的磨損機制相關聯，例如軸承、齒輪、鏈條、皮帶、刷子、軸、線圈和閥門。在典型的機器中，至少有一個這樣的機制需要定期維護。圖1顯示了正常磨損機制的振動與時間關系的三個示例。雖然發展這種類型的關系需要時間和經驗，但相關性良好的振動特征可以成為周期短的定期維護的節省成本的替代方案。使用實際觀察結果（例如振動）提供了在檢測到警告條件時快速采取行動的機會（紅色曲線），同時避免對剩余壽命更長的機器進行過早維護（藍色和綠色曲線）。
圖 1 還顯示了兩個警報設置（警告、嚴重）和機器維護周期的三個階段（早期、中期、結束）。警告級別定義了正常運行期間的最大振動，其中觀察到的振動不包含對機器或支持人員的潛在危險的指示。當在正常范圍內時，某些儀器可以支持不頻繁的振動測量。臨界級別表示資產面臨嚴重損壞的風險，為支持人員或環境創造不安全的條件。顯然，機器操作員希望避免在此級別操作，并且通常會使機器離線。當振動高于警告水平但低于臨界水平時，機器仍然可以執行其任務，但應更頻繁地觀察，并且可能需要額外的維護。
有時，這三個操作區域（正常、警告、嚴重）可能與機器維護周期的三個階段相關：早期壽命、中期和壽命結束，在這種情況下，它們可能會影響振動監測策略。例如，在早期生命期間，儀器可能只需要每天、每周或每月觀察關鍵振動屬性。當它進入中年時，這可能會變為每小時觀察一次，并且隨著它接近使用壽命，振動監測可能會更頻繁地發生，尤其是在人員或資產面臨風險的情況下。在此階段，使用便攜式設備監測振動的機器將累積經常性成本，與維護成本相比，這些成本可能會變得令人望而卻步。雖然主要資產可以證明有理由給予特別關注，但許多其他工具無法承擔經常性成本。為了補充手動測量，基于MEMS的嵌入式傳感器為需要實時振動數據的設備提供了一種更具成本效益的方法。
圖1.振動與時間的關系示例
振動的性質
振動是一種重復的機械運動。許多屬性對于開發振動傳感儀器非常重要。首先，擺動運動通常同時具有線性和旋轉分量。大多數振動檢測關系往往側重于振蕩的大小，而不是絕對位置跟蹤，因此MEMS加速度計等線性傳感器足以捕獲運動信息。當運動大多是線性的時，了解方向可能很重要，尤其是在使用單軸傳感器時。相反，3軸傳感器可以提供更大的安裝靈活性，因為無論振動方向如何，正交方向都可以在一個或多個軸上拾取。
由于振動是周期性的，頻譜分析提供了一種表征振動曲線（振動幅度和頻率之間的關系）的便捷方法。圖2所示的輪廓具有寬帶和窄帶分量，初級振動為~1350 Hz，四個諧波和一些低電平寬帶成分。每個移動設備都有自己的振動曲線，窄帶響應通常代表設備的固有頻率。
圖2.振動曲線示例，固有頻率 ~1350 Hz
信號處理
傳感器的選擇和信號處理架構取決于應用的目標。例如，圖3所示的信號鏈持續監控特定頻段，在附近的控制面板上提供警告和關鍵指示燈。制造商對機械設計的深入了解有助于帶通濾波器設計，特別是啟動頻率、停止頻率和通帶滾降率。轉速、機械結構的固有頻率和特定故障的振動行為都會影響帶通濾波器。雖然這種方法很簡單，但振動監測要求可能會隨著特定機器的歷史數據的可用而改變。監測要求的變化可能導致過濾器結構的變化，這可能會帶來經常性的工程成本。開發人員可以通過數字化傳感器響應、實現濾波器、均方根計算和電平檢測器等關鍵信號處理功能，以及利用輔助 I/O 輸出來控制指示燈或提供數字輸出，從而犧牲復雜性和靈活性。
圖3.時域振動信號鏈示例
圖4顯示了ADIS16228的信號鏈，該信號鏈使用具有FFT分析和存儲功能的數字三軸振動傳感器來監控設備振動的頻譜內容。
圖4.用于頻譜振動分析的ADIS16228信號鏈
核心傳感器
這兩種方法的核心傳感器都可以是MEMS加速度計。選擇核心傳感器的最重要屬性是軸數、封裝/組件要求、電氣接口（模擬/數字）、頻率響應（帶寬）、測量范圍、噪聲和線性度。雖然許多三軸MEMS加速度計支持與大多數嵌入式處理器直接連接，但要獲得最佳性能水平，可能需要具有模擬輸出的單軸或雙軸解決方案。例如，高性能寬帶iMEMS加速度計ADXL001利用其22 kHz諧振提供最寬的可用帶寬之一，但它僅作為單軸模擬輸出器件提供。模擬輸出可以在具有可用模數通道的系統中實現快速接口，但目前的發展趨勢似乎有利于那些具有數字接口的傳感器。?
核心傳感器的頻率響應和測量范圍決定了在輸出飽和之前它可以支持的最大振動頻率和幅度。飽和會降低頻譜響應，產生可能導致誤報的雜散內容，即使飽和頻率不會干擾目標頻率也是如此。測量范圍和頻率響應由
其中 D 是物理位移，ω 是振動頻率，A 是加速度。
雖然頻率響應和測量范圍限制了傳感器響應的上限，但其噪聲和線性度限制了分辨率。噪聲將確定振動的下限，這將在輸出中引起響應，而線性度將決定振動信號產生多少虛假諧波成分。
模擬濾波器
模擬濾波器將信號內容限制在一個奈奎斯特區，占示例系統中采樣速率的一半。即使濾波器截止頻率在奈奎斯特區以內，也不可能對高頻分量進行無限抑制，這些分量仍然可以折回通帶。對于僅監測第一奈奎斯特區的系統，這種折返行為可能會產生假故障，并扭曲特定頻率下的振動內容視圖。
窗口
時間相干采樣在振動檢測應用中通常不切實際，因為時間記錄開始和結束時的非零采樣值會導致較大的頻譜泄漏，從而降低FFT分辨率。在計算FFT之前應用窗口函數有助于管理頻譜泄漏。最佳窗口函數取決于實際信號，但通常，權衡因素包括過程損耗、頻譜泄漏、波瓣位置和波瓣電平。
快速傅里葉變換 （FFT）
FFT是一種用于分析離散時間數據的有效算法。該過程將時間記錄轉換為離散頻譜記錄，其中每個樣本代表奈奎斯特區的一個離散頻率段。輸出樣本的總數等于原始時間記錄中的樣本數，在大多數情況下，它表示二項式序列 （1， 2， 4， 8 … ） 中的數字。光譜數據具有幅度和相位信息，可以用矩形或極性形式表示。當呈矩形形式時，FFT箱的一半包含幅度信息，而另一半包含相位信息。當呈極性形式時，FFT箱的一半包含實結果，而另一半包含虛結果。
在某些情況下，幅度和相位信息都是有幫助的，但幅度/頻率關系通常包含足夠的信息來檢測關鍵變化。對于僅提供幅度結果的器件，FFT 箱的數量等于原始時域記錄中樣本的一半。FFT 箱寬度等于采樣率除以記錄總數。在某種程度上，每個FFT箱就像時域中的一個單獨的帶通濾波器。圖5提供了一個實際MEMS振動傳感器的示例，該傳感器以每秒20480個樣本（SPS）采樣，并以512點記錄開始。在這種情況下，傳感器僅提供量級信息，因此箱總數為 256，箱寬度等于 40 Hz （20480/512）。
圖5.ADIS16228 FFT輸出
箱寬很重要，因為它在頻率從一個箱移動到相鄰箱時建立頻率分辨率，并且因為它決定了箱將包含的總噪聲。總噪聲 （rms） 等于噪聲密度 （~240 μg/√Hz） 與箱寬平方根 （√40 Hz） 的乘積，即 ~1.5 mg rms。對于噪聲往往對振動分辨率影響最大的低頻應用，FFT過程之前的抽取濾波器有助于提高頻率和幅度分辨率，而無需改變ADC的采樣頻率。將20480 SPS采樣率抽取256倍可將頻率分辨率提高256倍，同時將噪聲降低16倍。
頻譜報警
使用FFT的主要優點之一是它可以簡單地應用頻譜報警。圖6提供了一個示例，其中包括五個獨立的頻譜報警，用于監控機器中的固有頻率，其諧波（#2，#3和#4）以及寬帶內容。警告和臨界水平對應于機器健康振動與時間曲線中的水平。開始和停止頻率完成了由此關系表示的過程變量定義。使用嵌入式處理器時，頻譜報警定義變量（啟動/停止頻率、警告/臨界報警級別）可以位于使用數字代碼進行配置的可配置寄存器位置。使用相同的比例因子和條柱編號方案可以大大簡化此過程。
圖6.帶有頻譜報警的示例 FFT
記錄管理
與過程變量關系相關的關鍵功能之一是記錄管理。存儲每臺機器生命周期不同階段的FFT記錄可以分析可能導致磨損曲線的各種行為，從而有助于維護和安全規劃。除了編譯歷史振動數據外，有些人還會發現捕獲與電源、溫度、日期、時間、采樣率、報警設置和濾波等參數相關的條件數據的價值。
接口
接口取決于特定工廠中的現有基礎設施。在某些情況下，以太網或RS-485等工業電纜就緒通信標準隨時可用，因此智能傳感器和通信系統之間的接口可能是嵌入式處理器。在其他情況下，相同的嵌入式處理器可用于將智能傳感器與現有無線協議（如Wi-Fi，ZigBee或系統特定標準）連接。一些智能傳感器，如用于遠程傳感器的ADIS16000無線網關節點和ADIS16229，帶有可隨時部署的無線接口，可通過SPI或I等常見嵌入式接口獲得。
結論
慣性MEMS技術正在開創振動監測的新時代，并為此類儀器提供更廣泛的用戶群。性能、封裝和熟悉度可能有助于繼續使用壓電技術，但振動監測顯然正在增長和發展。通過功能集成和易于采用，MEMS器件在新的振動監測應用中越來越受到關注。通過傳感點的高級信號處理，在大多數情況下，將監控負擔降低到簡單狀態（正常、警告、嚴重）。此外，通過便捷的通信渠道進行遠程數據訪問正在為振動監測儀器創造新的應用。未來在關鍵性能指標（噪聲、帶寬和動態范圍）方面的進步以及高水平的功能集成將有助于在不久的將來繼續這一趨勢。
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