【導(dǎo)讀】MEMS慣性傳感器在當(dāng)今的眾多個(gè)人電子設(shè)備中發(fā)揮著重要作用。 小尺寸、低功耗、易集成、強(qiáng)大功能性和卓越性能，這些因素促使著智能手機(jī)、游戲控制器、活動(dòng)跟蹤器、數(shù)碼相框等裝置不斷創(chuàng)新。 此外，MEMS慣性傳感器用于汽車(chē)安全系統(tǒng)可顯著提高系統(tǒng)可靠性，并降低系統(tǒng)成本，使汽車(chē)安全系統(tǒng)能夠應(yīng)用于大多數(shù)汽車(chē)。
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(kāi)始率先集成慣性感測(cè)功能。 作為擁有兩類(lèi)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(duì)振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，以觸發(fā)對(duì)潤(rùn)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(shì)。 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(hào)處理和通信功能于一體的完整解決方案。 此類(lèi)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(duì)數(shù)據(jù)記錄執(zhí)行快速傅里葉變換(FFT)，對(duì)FFT結(jié)果進(jìn)行用戶可配置的頻譜分析，通過(guò)高效的無(wú)線傳輸線路提供簡(jiǎn)單的通過(guò)/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(cè)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(lái)，比如軸承、齒輪、鏈條、皮帶、刷子、軸、線圈和閥門(mén)。 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(cè)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(duì)使用壽命未到期的機(jī)器過(guò)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(duì)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(cè)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(lái)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(guò)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(duì)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(duì)重要資產(chǎn)進(jìn)行特殊關(guān)照，但許多其他儀器卻是無(wú)法承受這種重復(fù)成本。 作為人工測(cè)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)的性質(zhì)
振動(dòng)是一種重復(fù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 在開(kāi)發(fā)振動(dòng)檢測(cè)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(cè)關(guān)系都傾向于關(guān)注振蕩幅度，而非絕對(duì)位置跟蹤，因此，線性傳感器（如MEMS加速度計(jì)）對(duì)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(jiǎn)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）
信號(hào)處理
傳感器選擇和信號(hào)處理架構(gòu)取決于應(yīng)用目標(biāo)。 舉例來(lái)說(shuō)，圖3所示信號(hào)鏈持續(xù)監(jiān)控特定頻帶，通過(guò)附近的控制面板提供報(bào)警燈和關(guān)鍵燈信號(hào)。 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(jiǎn)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(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)數(shù)字化傳感器響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信號(hào)處理功能（如濾波、rms計(jì)算和電平檢測(cè)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。
圖3. 時(shí)域振動(dòng)信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/div>
圖4所示為ADIS16228的信號(hào)鏈ADIS16228采用一個(gè)帶FFT分析和存儲(chǔ)功能的數(shù)字三軸振動(dòng)傳感器監(jiān)控設(shè)備振動(dòng)的頻譜成分。
圖4. 用于頻譜振動(dòng)分析的ADIS16228信號(hào)鏈
內(nèi)核傳感器
兩種方式的內(nèi)核傳感器都可以是MEMS加速度計(jì)。 選擇內(nèi)核傳感器時(shí)，最重要的屬性為軸數(shù)、封裝/裝配要求、電氣接口（模擬/數(shù)字）、頻率響應(yīng)（帶寬）、測(cè)量范圍、噪聲和線性度。 盡管許多三軸MEMS加速度計(jì)都支持直接連接多數(shù)嵌入式處理器，但要獲得最高性能則可能要求采用具有模擬輸出的單軸或雙軸解決方案。 例如，ADXL001高性能寬帶iMEMS®加速度計(jì)就利用22-kHz諧振提供最寬的帶寬，但它只是一款單軸模擬輸出器件。 在配有模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的系統(tǒng)中，模擬輸出可實(shí)現(xiàn)快速接口，但當(dāng)前的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)似乎更青睞于那些搭載了數(shù)字接口的傳感器。
內(nèi)核傳感器的頻率響應(yīng)和測(cè)量范圍決定其輸出飽和前可以支持的最大振動(dòng)頻率和幅度。 飽和會(huì)降低頻譜響應(yīng)，從而產(chǎn)生可能導(dǎo)致故障報(bào)警的雜散成分，即使飽和頻率不影響目標(biāo)頻率時(shí)也是如此。 測(cè)量范圍和頻率響應(yīng)的關(guān)系如下：
其中， D 為物理位移， ω 為振動(dòng)頻率，A 為加速度。
頻率響應(yīng)和測(cè)量范圍限制著傳感器的響應(yīng)，其噪聲和線性度則限制著分辨率。 噪聲決定將在輸出中響應(yīng)的振動(dòng)下限，而線性度則決定振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的故障諧波量。
模擬濾波器
模擬濾波器將信號(hào)成分限制在一個(gè)奈奎斯特區(qū)之內(nèi)，即為示例系統(tǒng)采樣速率的一半。 即使濾波器截止頻率處于奈奎斯特區(qū)之內(nèi)，也不可能無(wú)限制地抵制高頻組分，這些高頻組分仍可能折回通帶中。 對(duì)于只監(jiān)控第一奈奎斯特區(qū)的系統(tǒng)，這種折回行為可能產(chǎn)生假故障，并扭曲特定頻率下的振動(dòng)成分。
窗
在振動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用中，時(shí)間相干采樣往往并不實(shí)用，因?yàn)闀r(shí)間記錄起始和結(jié)束處的非零采樣值會(huì)導(dǎo)致較大的頻譜泄漏，從而可能降低FFT分辨率。 在計(jì)算FFT前應(yīng)用窗口函數(shù)有助于控制頻譜泄漏。 最佳窗口函數(shù)取決于實(shí)際信號(hào)，但通常需要衡量的因素包括過(guò)程損失、頻譜泄漏、旁瓣位置和旁瓣電平。
快速傅里葉變換(FFT)
FFT是分析離散時(shí)間數(shù)據(jù)的一種高效算法。 該過(guò)程將時(shí)間記錄轉(zhuǎn)換為離散頻譜記錄，其中，每個(gè)采樣代表奈奎斯特區(qū)的一個(gè)離散頻段。 輸出采樣的總數(shù)等于原始時(shí)間記錄中的采樣數(shù)，在大多數(shù)情況下，為二項(xiàng)級(jí)數(shù)中的一個(gè)數(shù)字(1、2、4、8……)。 頻譜數(shù)據(jù)同時(shí)包括幅度和相位信息，可采用矩形或極性格式表示。 采用矩形表示時(shí)，F(xiàn)FT倉(cāng)的一半含有模值信息，另一半則含有相位信息。 采用極性表示時(shí)，F(xiàn)FT倉(cāng)的一半含有實(shí)部結(jié)果，另一半則含有虛部結(jié)果。
在某些情況下，幅度和相位信息都有用，但幅度/頻率關(guān)系含有的信息往往足以檢測(cè)關(guān)鍵變化。 對(duì)于只提供幅度結(jié)果的器件，F(xiàn)FT譜線的數(shù)量等于原始時(shí)域記錄中采樣數(shù)的一半。 FFT頻譜寬度等于采樣速率除以記錄總數(shù)。 在一定程度上，每個(gè)FFT頻譜都像是時(shí)域中一個(gè)獨(dú)立的帶通濾波器。 圖5為MEMS振動(dòng)傳感器的一個(gè)實(shí)際示例，其中，采樣速率為20480 SPS，始于512點(diǎn)記錄。 在這種情況下，傳感器只提供幅度信息，因此，總數(shù)為256，頻譜寬度等于40 Hz (20480/512)。
圖5. ADIS16228 FFT輸出
頻譜寬度非常重要，因?yàn)楫?dāng)頻率從一個(gè)譜線轉(zhuǎn)換到一個(gè)鄰近譜線時(shí)，頻譜寬度決定頻率分辨率，同時(shí)還決定包含的總噪聲。 總噪聲(rms)等于噪聲密度(~240 μg/√Hz)與頻譜寬度平方根(√40 Hz)之積，約合1.5 mg rms。 對(duì)于噪聲對(duì)振動(dòng)分辨影響最大的低頻應(yīng)用，可在FFT過(guò)程之前采用一個(gè)抽取濾波器，這樣可以提高頻率和幅度分辨率，而無(wú)需更改ADC的采樣頻率。 以256對(duì)20480 SPS的采樣速率進(jìn)行抽取計(jì)算，可使頻率分辨率增強(qiáng)256倍，同時(shí)使噪聲降低16倍。
頻譜報(bào)警
使用FFT的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是可以簡(jiǎn)化頻譜報(bào)警的應(yīng)用。 圖6中的示例包括5個(gè)獨(dú)立的頻譜報(bào)警，分別負(fù)責(zé)監(jiān)控機(jī)器自然頻率(#1)、諧波（#2、#3和#4）以及寬帶成分(#5)。 報(bào)警和臨界電平對(duì)應(yīng)于機(jī)器健康振動(dòng)與時(shí)間關(guān)系曲線中的電平。 啟動(dòng)和停機(jī)頻率完善了這種關(guān)系所代表的過(guò)程變量定義。 在使用嵌入式處理器時(shí)，頻譜報(bào)警定義變量（啟動(dòng)/停機(jī)頻率、報(bào)警/臨界報(bào)警電平）可能處于采用數(shù)字碼配置的可配置寄存器中。 使用相同的比例因子和譜線編號(hào)方案可大大簡(jiǎn)化這一過(guò)程。
圖6. FFT示例（帶頻譜報(bào)警）
記錄管理
記錄管理是與過(guò)程變量關(guān)系關(guān)聯(lián)的一個(gè)關(guān)鍵功能。 存儲(chǔ)每臺(tái)機(jī)器壽命期內(nèi)不同階段的FFT記錄可對(duì)多種行為進(jìn)行分析，然后繪制出一幅磨損曲線圖，從而有助于維護(hù)和安全規(guī)劃。 除了匯集歷史振動(dòng)數(shù)據(jù)以外，捕獲與電源、溫度、日期、時(shí)間、采樣速率、報(bào)警設(shè)置和濾波相關(guān)的條件數(shù)據(jù)也具有較大價(jià)值。
接口
接口取決于特定廠房中的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。 在某些情況下，有多種工業(yè)電纜通信標(biāo)準(zhǔn)（如以太網(wǎng)、RS-485）可供選擇，因此，智能傳感器與通信系統(tǒng)之間的接口可能是一個(gè)嵌入式處理器。 在其他情況下，相同的嵌入式處理器可用來(lái)連接智能傳感器與現(xiàn)有無(wú)線協(xié)議，比如Wi-Fi、ZigBee或特定系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。 有些智能傳感器（如面向遠(yuǎn)程傳感器的ADIS16000無(wú)線網(wǎng)關(guān)和ADIS16229）配有開(kāi)箱即用的無(wú)線接口，通過(guò)常見(jiàn)的嵌入式接口（如SPI或I2C.）即可使用。
結(jié)論
MEMS慣性技術(shù)迎來(lái)了一個(gè)嶄新的振動(dòng)監(jiān)控時(shí)代，并為此類(lèi)儀器儀表贏得了更廣泛的用戶群體。 性能、封裝和熟悉度可能有利于壓電技術(shù)繼續(xù)發(fā)揮作用，但顯然振動(dòng)監(jiān)控正在發(fā)展和進(jìn)步。 通過(guò)先進(jìn)的功能集成和出色的適應(yīng)能力，MEMS器件在新型振動(dòng)監(jiān)控應(yīng)用中獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。 檢測(cè)點(diǎn)的高級(jí)信號(hào)處理技術(shù)帶來(lái)了巨大便利，使大多數(shù)情況下的監(jiān)控負(fù)擔(dān)簡(jiǎn)化為一種簡(jiǎn)單狀態(tài)（正常、報(bào)警、臨界）。 此外，通過(guò)便利的通信通道實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存取功能則為振動(dòng)監(jiān)控儀器創(chuàng)造了新的應(yīng)用機(jī)會(huì)。 放眼未來(lái)，關(guān)鍵性能指標(biāo)（噪聲、帶寬和動(dòng)態(tài)范圍）的發(fā)展，再加上高度的功能集成，必將促使這種趨勢(shì)繼續(xù)向前發(fā)展。
參考電路
電路筆記CN0303： 帶頻率響應(yīng)補(bǔ)償功能的MEMS振動(dòng)分析儀。
Bob Scannell MS-2507： 利用無(wú)線振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)連續(xù)、可靠的過(guò)程監(jiān)控。
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