ruguoguzhangfashengzailiangcidingqiweihujianzhazhijian，zehenkenengdaozhiyiwaitingji。zaizhezhongqingkuangxia，zhiguanzhongyaodeshishiyongheshideyucexingweihuchuanganqilaijinkenengtizaojianceqianzaiguzhang
，suoyi，benwenjiangzhezhongjieshaozhendongheshengxuechuanganqi。zhendongfenxitongchangbeirenweishishiyongPdM的最佳起點。

 

預測性維護傳感器

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。在這一節中，我們將討論常用於盡可能提早檢測故障的傳感器，一般是加速度計和麥克風。表1顯示傳感器規格列表，以及它們可以檢測到的一些故障。大多數PdM係統隻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鍵故障之外，還要深入了解這些故障。

 

表1. 常用於實施CbM的傳感器

 

傳感器和係統故障注意事項

工業和商業應用中超過90%的旋轉機器都使用滾動軸承。電機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
，需要特別關注軸承監測。為了檢測、診斷和預測潛在故障，振動傳感器必須具有低噪聲和寬帶寬。

 

圖2. 電機部件出現故障的百分率。

 

表2顯示與旋轉機器相關的部分常見故障，以及一些用於PdM應用的相應振動傳感器要求。為了盡早發現故障，PdM係(xi)統(tong)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)高(gao)性(xing)能(neng)傳(chuan)感(gan)器(qi)。資(zi)產(chan)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)預(yu)測(ce)性(xing)維(wei)護(hu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)水(shui)平(ping)與(yu)在(zai)整(zheng)個(ge)流(liu)程(cheng)中(zhong)持(chi)續(xu)可(ke)靠(kao)運(yun)行(xing)的(de)資(zi)產(chan)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)相(xiang)關(guan)，而(er)不(bu)是(shi)與(yu)資(zi)產(chan)本(ben)身(shen)的(de)成(cheng)本(ben)相(xiang)關(guan)。

 

表2. 機器故障和振動傳感器注意事項概述

 

根據電機振動或移動（峰值、峰峰值和rms）期間的能量，我們可以確定機器是否不平衡或未對準等。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頻率來識別或預測。解決這些故障通常需要將具備低噪聲(<100 µg/√Hz)和寬帶寬(>5kHz)的高性能預測性維護振動傳感器與高性能信號鏈、處理、收發器和後處理器配對。

 

用於PdM的振動、聲波和超聲波傳感器

微機電係統(MEMS)麥克風的PCB上包含一個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麥克風提供低成本
、小尺寸且有效的方法來檢測機器故障
，例如軸承狀 況
、齒輪齧合、泵氣蝕、未對準和不平衡。這使得MEMS麥mai克ke風feng成cheng為wei電dian池chi供gong電dian應ying用yong的de理li想xiang選xuan擇ze。它ta們men可ke以yi放fang置zhi在zai距ju離li噪zao聲sheng源yuan較jiao遠yuan的de位wei置zhi，且qie不bu會hui侵qin入ru。當dang多duo個ge資zi產chan同tong時shi運yun行xing時shi，麥mai克ke風feng的de性xing能neng可ke能neng會hui受shou到dao來lai自zi其qi他ta機ji器qi的de噪zao聲sheng或huo環huan境jing因yin素su（例如灰塵或濕度進入麥克風的端口孔）的影響。大多數MEMS麥克風數據手冊仍然列出相對良性的應用，例如移動終端
、筆記本電腦
、遊戲設備和機等。有些MEMS麥克風數據手冊將振動檢測或PdM列為潛在應用，但它們也提到，易受機器衝擊和搬運不當影響的傳感器可能對產品造成永久損壞。其他MEMS麥克風數據手冊表明，機械衝擊耐受力高達10,000 g。目前還不清楚這些傳感器是否適合在可能存在衝擊的嚴苛操作環境中運行。

 

MEMS超聲波麥克風分析讓我們能夠在噪聲增大的情況下監測複雜資產中的電機的健康狀況，這是因為它能聽到非音頻頻譜（20 kHz至100 kHz）內的聲音，在這個頻譜下，噪聲要少得多。低頻聲音信號的波長一般約在1.7厘米到17米之間。高頻信號的波長約在0.3厘米到1.6厘米之間。當波長的頻率增加時，能量相應增加
，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

，這非常有用。

 

加速度計是最常用的振動傳感器，振動分析是最常用的PdM技術，主要用於渦輪機、泵、電機和齒輪箱等大型旋轉設備中。表3和表4顯示在選擇高性能MEMS振動和聲學傳感器，以及典型壓電振動傳感器時需要考慮的一些關鍵規格。每一列中的數據代表該類別的最小/最大差異值，與相鄰列無關。

 

表3. 預測性維護傳感器的性能規格

➛ MEMS加速度計模塊的價格可能超過30美元，但它們是完整的係統解決方案
，而提到的所有其他器件都隻是傳感器。

➛ 重點：最差，中等，最好

 

表4. 預測性維護傳感器的機械規格

➛ MEMS模塊通常包含ADC、處理器和根據傳感器調諧的濾波
，以優化性能
，並節省信號鏈對空間的需求

➛ 重點：最差，中等
，最好

 

CbM行業有望在未來五年內實現顯著增長，其中很大部分增長是受無線安裝推動。由於尺寸、缺乏集成功能和功耗等原因
，壓電式加速度計不太適合無線CbM係統，但是存在典型功耗在0.2mA至0.5 mA的解決方案。MEMS加速度計和麥克風非常適合電池供電的PdM係統
，因為它們體積小
、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加速度計是唯一能夠提供直流響應的傳感器，可以在非常低的轉速下檢測不平衡和傾斜。MEMS加速度計還具備自測功能，可以驗證傳感器 100%可用。這在安全關鍵型安裝中可能會很有用，因為在這些安裝中
，可以通過驗證傳感器是否仍在工作來更簡單地達到係統標準。

 

可以完全密封采用陶瓷封裝的MEMS加速度計和采用機械封裝的壓電式加速度計，以在嚴苛、髒汙的環境中使用。表4主要列出傳感器的物理、機械和環境性能。從中可以看出每個傳感器之間的關鍵差異，例如集成
、惡劣環境耐受能力、機械性能，以及連接到旋轉機器或裝置的能力。

 

在三個軸上檢測振動數據可以提供更多診斷見解


，實現更精準的故障檢測。雖然並非所有PdM安裝都需要如此
，但這是壓電和MEMS加速度計在數據質量、布線和空間節省方麵的明顯優勢。

 

當長時間暴露在濕度增加的環境下時，MEMS麥克風顯示出高達8dB的失真。雖然這不是一個明顯缺點，但如果您是在高濕度嚴苛環境下使用PdM應用，則值得考慮。在這種情況下
，駐極體電容麥克風(ECM)比MEMS麥克風更具優勢。其他影響麥克風性能的環境因素還有：風、氣壓
、電磁場和機械震動。

 

在良好的環境中，MEMS麥克風在PdM應用中提供出色性能。目前，還缺乏將MEMS麥克風安裝到存在高振動、髒汙或高濕度的嚴苛操作環境中的相關信息。振動會影響MEMS麥克風的性能，這是一個需要考慮的問題；但是，它們的振動靈敏度低於ECM。如果無線PdM解決方案將使用MEMS麥(mai)克(ke)風(feng)，安(an)裝(zhuang)盒(he)上(shang)需(xu)要(yao)有(you)一(yi)個(ge)孔(kong)或(huo)端(duan)口(kou)，以(yi)便(bian)聲(sheng)音(yin)信(xin)號(hao)到(dao)達(da)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，這(zhe)進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)加(jia)了(le)設(she)計(ji)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)，且(qie)讓(rang)其(qi)他(ta)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)更(geng)易(yi)髒(zang)汙(wu)或(huo)受(shou)潮(chao)。

 

電容式MEMS加速度計技術的最新進展使得小型
、低成本
、低功耗無線CbM解決方案可以用在不太重要的資產中，因此能夠實現更深入地診斷洞察，以便實施管理和保持關鍵係統正常運行。這些進展也使得MEMS加速度計在用於更加傳統的有線CbM係統中時，性能更接近壓電式加速度計。壓電式加速度計具有如此低的噪聲和寬帶寬，加上與工業標準連接（ICP和IEPE）耦合
，幾十年來一直是實施振動測量的典型傳感器。MEMS加速度計已經調整為可以和IEPE標準模塊連接，如圖3所示。該電路是基於一種特殊的PCB進行設計，這種PCB可以在寬頻帶上工作，以在後期設計成一個機械模塊。

 

圖3. MEMS加速度計、IEPE參考、PCB設計允許在IEPE機械模塊中改進ADXL100x係列CbM加速度計。注：ADI不生產IEPE機械模塊。

 

圖4所示的設備包含三個單軸MEMS加速度計、三個ADC、一個處理器
、內存和算法，這些都集成在一個機械模塊中，共振超過50 kHz。這突出顯示了MEMS加速度計在傳感器節點上集成智能的能力，確保傳感器與相應的信號鏈和處理功能配對，以實現出色性能。此模塊可以執行FFT，觸發各種時域或頻域報警
，並生成域靜力，這對算法或機器學習工具能否預測故障至關重要。

 

圖4. 三軸MEMS CbM模塊
，集成了ADC、處理器
、FFT、統計數據
，以及機械封裝，諧振頻率超過50 kHz。

 

在為PdM解決方案選擇合適的振動傳感器時，真正的挑戰在於配對傳感器，以匹配資產最可能出現的故障模式。目前還未能證實MEMS麥(mai)克(ke)風(feng)足(zu)夠(gou)堅(jian)固(gu)，能(neng)夠(gou)在(zai)惡(e)劣(lie)環(huan)境(jing)中(zhong)可(ke)靠(kao)地(di)檢(jian)測(ce)所(suo)有(you)基(ji)於(yu)振(zhen)動(dong)的(de)故(gu)障(zhang)模(mo)式(shi)，而(er)振(zhen)動(dong)檢(jian)測(ce)和(he)加(jia)速(su)計(ji)的(de)行(xing)業(ye)標(biao)準(zhun)已(yi)經(jing)成(cheng)功(gong)實(shi)施(shi)並(bing)可(ke)靠(kao)地(di)執(zhi)行(xing)了(le)幾(ji)十(shi)年(nian)。已(yi)經(jing)證(zheng)明(ming)MEMS超聲波麥克風能夠比加速度計更早地檢測軸承故障，這種潛在的共生關係可以為您提供理想的PdM解決方案，以滿足您未來對資產實施振動分析的需求。

 

雖然難以推薦在PdM係統中使用哪種振動傳感器比較好
，但是可以使用已經成功應用並不斷改進的加速度計。ADI提供一係列MEMS加速度計，從通用、低功耗、低噪聲、高穩定性和高g，一直到智能終端節點模塊
，如圖4所示。ADcmXL3021是一個專用PdM模塊解決方案示例。ADI率先推出了支持PdM的MEMS加速度計係列（20 kHz+帶寬、 25 μg/√Hz噪聲密度），且仍是少數能夠提供如此高性能的MEMS加速度計的提供商之一。ADI繼續在傳感器、信號鏈解決方案、機械模塊、平台、機器學習算法、人工智能軟件平台和整體係統解決方案等領域處於領先地位，支持在挑戰性環境中對工業旋轉機器實施預測性維護。
（來源：亞德諾半導體）