任何一臺工業(yè)機(jī)械最終都會失效，要么因?yàn)橹圃烊毕荻^早失效，要么因?yàn)樗樾挤e聚、內(nèi)部零件劣化或單純磨損而較晚失效。隨著自動化工業(yè)生產(chǎn)線的發(fā)展，工廠操作人員面臨著似乎無休無止的維護(hù)和修理周期，這可能會讓生產(chǎn)線停止運(yùn)行，特別是當(dāng)機(jī)器中未檢測到的故障變成災(zāi)難性故障時(shí)。
工廠操作人員與其應(yīng)對意外的設(shè)備故障或忍受不必要停機(jī)時(shí)間來執(zhí)行不合理的維護(hù)，不如使用基于狀態(tài)的監(jiān)測 (CBM) 指標(biāo)，以便在設(shè)備進(jìn)入臨界運(yùn)行狀態(tài)之前早做準(zhǔn)備，更有效地安排維護(hù)和修理。在工業(yè)環(huán)境中，監(jiān)測機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的能力可以轉(zhuǎn)化為顯著節(jié)省成本。通過檢測設(shè)備故障之前通常會出現(xiàn)的狀態(tài)，工業(yè)工程師可以在故障發(fā)生之前修復(fù)機(jī)器。
然而，當(dāng)實(shí)施 CBM 時(shí)，需要監(jiān)測的狀態(tài)性質(zhì)可能各不相同，因而要求開發(fā)人員構(gòu)建符合特定要求的精確傳感器信號鏈。
本文討論對工業(yè)設(shè)備實(shí)施 CBM 的要求，并介紹開發(fā)人員如何使用 Analog Devices 的器件組合來構(gòu)建一個(gè)能夠滿足這些要求的信號鏈。
振動分析
作為基礎(chǔ) CBM 方法，振動分析已成為評估機(jī)械及其可動部件運(yùn)行狀態(tài)的主要技術(shù)。在這種方法中，工業(yè)工程師分析振動測量結(jié)果，識別出表明轉(zhuǎn)子、齒輪、軸承、機(jī)器部件之間任何其他機(jī)械接口出現(xiàn)不平衡、未對準(zhǔn)或受損的模式。例如，重復(fù)出現(xiàn)的大幅度振動模式可能反映由于離合器、齒輪、軸承、軸承座圈或其他接觸機(jī)器表面受損或磨壞而引起的機(jī)械沖擊事件。
不過，除了這種時(shí)域振動測量之外，使用快速傅里葉變換 (FFT) 分析的頻域測量可以提供關(guān)于機(jī)械狀態(tài)的更多細(xì)節(jié)。雖然用于生成這種頻域分析的 FFT 計(jì)算需要更多的計(jì)算能力，但其效果非常好，值得付出努力。借助這種方法，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師已經(jīng)找到了若干可靠的反映不平衡、未對準(zhǔn)、松動、軸承缺陷等故障的頻率相關(guān)指標(biāo)（圖 1）。
圖 1：通過測量頻域峰值的絕對和相對幅度，工業(yè)工程師可以推斷出各種各樣的當(dāng)前和潛在機(jī)械問題——從機(jī)器部件不平衡到軸承失效。（圖片來源：Analog Devices）
在這些指標(biāo)中，基頻（也稱為 1x 分量）相對于其諧波和之前基線 1x 測量的變化可以表示機(jī)器中的某種不平衡，反映在信號中即是其幅度與旋轉(zhuǎn)速率的平方成比例，其頻率與機(jī)器的旋轉(zhuǎn)或諧振頻率匹配。相比之下，機(jī)器部件之間的未對準(zhǔn)或松動會導(dǎo)致一次諧波（也稱為 2x 分量）的特征性增加，甚至在高達(dá) 10x 的頻率分量中也是如此。類似地，齒輪等內(nèi)部零件的不平衡、未對準(zhǔn)或損壞會導(dǎo)致與其自身旋轉(zhuǎn)速率和齒數(shù)相關(guān)的頻率處峰值更高。
故障指標(biāo)可能相當(dāng)復(fù)雜，尤其是對于埋在機(jī)器內(nèi)座圈中的軸承。當(dāng)軸承穿過座圈時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)特征信號，信號頻率稱為滾珠旋轉(zhuǎn)頻率 (BSF)，信號包絡(luò)與軸承座圈的保持架故障頻率（FTF，即軸承保持架繞軸承旋轉(zhuǎn)的速率）相關(guān)。有缺陷的軸承或座圈會在 BSF 處產(chǎn)生相對較高幅度事件，從而形成一系列由 FTF 調(diào)制的低幅度振動（圖 2）。
圖 2：與機(jī)械故障相關(guān)的振動特征既有很容易辨識的基頻和若干諧波處的峰值，也有很復(fù)雜的軸承故障特征——在滾珠旋轉(zhuǎn)頻率 (BSF) 下調(diào)制脈沖，并且包絡(luò)信號與軸承座圈保持架故障頻率 (FTF) 相關(guān)。（圖片來源：Analog Devices）
由此產(chǎn)生的軸承故障頻域特征可能非常復(fù)雜，表現(xiàn)為擴(kuò)展到很寬的高頻帶上低幅度分量廣泛增加（見圖 1 右側(cè)）。
盡管頻域特征顯得很復(fù)雜，但工業(yè)工程師已經(jīng)開發(fā)了大量分析方法和詳細(xì)指標(biāo)，用于診斷從不平衡和未對準(zhǔn)到更微妙的軸承相關(guān)問題的各類故障。
由于需求越來越大以及更高效解決方案的出現(xiàn)，分析和振動測量方法的復(fù)雜性在不斷提高。過去，工程師通常使用手持式振動監(jiān)視器和便攜式數(shù)據(jù)記錄儀來記錄模式，以供日后離線分析。
隨著世界向工業(yè) 4.0 自動化轉(zhuǎn)變以及更加依賴自動化機(jī)械，手動方法已不那么實(shí)用。更先進(jìn)半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，使得 CBM 應(yīng)用越來越多地基于直接與關(guān)鍵機(jī)械相連的振動測量器件來提供連續(xù)監(jiān)測。
振動測量要求
與任何傳感器信號采集應(yīng)用一樣，CBM 的振動測量設(shè)備依賴于熟悉的信號鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括傳感器、信號調(diào)節(jié)級、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和處理器（圖 3）。
圖 3：振動檢測系統(tǒng)使用熟悉的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，集信號鏈、處理器和支持器件于一體，信號鏈由傳感器、低通濾波器 (LPF)、運(yùn)算放大器和 ADC 組成。（圖片來源：Analog Devices）
為了支持前面提到的頻域分析，這種振動信號鏈的規(guī)格通常與消費(fèi)電子設(shè)備中運(yùn)動檢測所用的信號鏈大不相同。
工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用最重要的區(qū)別之一在于其振動傳感器帶寬要求。如上所述，機(jī)器中的故障指標(biāo)可能出現(xiàn)在 5 倍于甚至 10 倍于基頻的諧波中，或廣泛存在于更高的頻帶上。工業(yè)機(jī)器通常以每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)甚至數(shù)千轉(zhuǎn) (rpm) 的速度運(yùn)行，一臺以 1,000 rpm 運(yùn)行的機(jī)器要求振動傳感器帶寬為 5 千赫茲 (kHz) 或更大，如此才能捕獲與軸承故障或復(fù)雜錯(cuò)位相關(guān)聯(lián)的頻率處尖峰。類似地，要捕獲與在較高 BSF 范圍運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承相關(guān)聯(lián)的信號，也需要寬帶寬。
僅憑寬帶寬性能還不足以捕獲與細(xì)微不平衡、未對準(zhǔn)或軸承座圈/軸承本身問題相關(guān)聯(lián)的更微妙故障特征。雖然幅度很小，但這些信號源可以反映苗頭性問題；對于軸承問題，它甚至能反映即將發(fā)生的故障。因此，CBM 振動測量裝置還必須有低本底噪聲和足夠高的分辨率，以將與此類故障相關(guān)聯(lián)的低幅度信號分離出來。
微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 傳感器
雖然過去工業(yè)應(yīng)用經(jīng)常使用壓電加速計(jì)，但微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 傳感器最近已成為一種有效的解決方案。這種多晶硅結(jié)構(gòu)是在硅基底上制造，其基本單元由兩片固定板及其間的一片可動板組成（圖 4）。
圖 4：微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 傳感器采用常規(guī)半導(dǎo)體工藝技術(shù)制造，其基本單元由固定板和可動板組成，可動板響應(yīng)加速度而偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致單元電容發(fā)生變化。（圖片來源：Analog Devices）
當(dāng)加速度導(dǎo)致可動板相對于固定板偏轉(zhuǎn)時(shí)，差分電容發(fā)生變化，產(chǎn)生與加速度成比例的傳感器輸出。
即使偏轉(zhuǎn)很小，先進(jìn)的 MEMS 振動傳感器也能支持跟蹤工業(yè)機(jī)械相關(guān)加速度所需的高性能范圍。
根據(jù)簡諧運(yùn)動的等式，加速度與頻率有如下關(guān)系：
a = -(2pf)2x （等式 1）
其中：
a = 加速度
f = 頻率
x = 相對中心位置的位移幅度（對于 MEMS 振動傳感器而言，通常在 1 微米 (μm) 左右）
因此，用于工業(yè)機(jī)械的 MEMS 傳感器所經(jīng)歷的加速度可能達(dá)到數(shù)百 gs，比消費(fèi)電子產(chǎn)品中常用的 MEMS 振動傳感器所經(jīng)歷的加速度高出幾個(gè)數(shù)量級（圖 5）。
圖 5：對于工業(yè)機(jī)械的典型轉(zhuǎn)速范圍，MEMS 傳感器可能經(jīng)歷非常高的加速度。（圖片來源：Digi-Key 依據(jù) Analog Devices 數(shù)據(jù)制作）
由于 MEMS 制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，開發(fā)人員現(xiàn)在可以找到實(shí)用的 MEMS 振動傳感器，例如 Analog Devices 的 ADXL100x 系列 MEMS 加速計(jì)中的傳感器，其不僅能滿足基于振動的 CBM 應(yīng)用的嚴(yán)格要求，而且可簡化底層振動檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
集成 MEMS 傳感器
Analog Devices 的 ADXL100x 系列 MEMS 單軸振動傳感器包括 ADXL1001、ADXL1002、ADXL1003、ADXL1004 和 ADXL1005，為開發(fā)人員提供了一系列能夠滿足加速度范圍、帶寬、分辨率和噪聲等方面工業(yè)要求的器件（表 1）。
| 器件測量范圍 (g)帶寬 (kHz)噪聲密度 (μ/√Hz)靈敏度 (mV/g)ADXL1001100113020ADXL100250112540ADXL1003200154510ADXL1004500241254ADXL1005100237520 |
表 1：Analog Devices 的 ADXL100x 振動傳感器性能規(guī)格（表格來源：Analog Devices）
MEMS 傳感器采用常規(guī)半導(dǎo)體工藝技術(shù)制造，因此可以輕松地與其他電路集成，以便提供各種模擬和數(shù)字功能。ADXL100x 系列的每個(gè)成員都使用相同的功能架構(gòu)，集 MEMS 傳感器、傳感器放大器、解調(diào)器、輸出放大器和其他特性于一體（圖 6）。
圖 6：Analog Devices 的 ADXL100x 系列振動傳感器的所有成員都是集 MEMS 傳感器與全面的傳感器信號調(diào)節(jié)級以及其他功能于一體。（圖片來源：Analog Devices）
在這些特性中，超范圍 (OR) 檢測功能有助于保護(hù)傳感器元件，應(yīng)對加速度超過器件額定加速度范圍大約兩倍的情況。這種事件在正常運(yùn)行的機(jī)器中并不罕見，尤其是當(dāng)機(jī)器首次啟動或在之后改變速度時(shí)。在它穩(wěn)定于基頻之前，哪怕是最堅(jiān)固的振動傳感器，部件加速時(shí)產(chǎn)生的諧振頻率組合也有可能使其發(fā)生過飽和。
發(fā)生超范圍情況時(shí)，ADXL100x OR 子系統(tǒng)會設(shè)置 OR 輸出信號以警告主機(jī)處理器。此外，它會禁用內(nèi)部時(shí)鐘 200 微秒 (μs)，防止損壞 MEMS 結(jié)構(gòu)。經(jīng)過 200 μs 后，如果超范圍情況繼續(xù)存在，OR 子系統(tǒng)就會每 500 μs 重新觸發(fā)輸出信號和關(guān)斷周期。
構(gòu)建信號鏈
ADXL100x 的集成輸出放大器可以驅(qū)動最高 2 毫安 (mA) 拉電流的電阻負(fù)載，以及最大 100 皮法 (pF) 的負(fù)載電容。因此，開發(fā)人員原則上可以將 ADXL100x 直接連接到 Analog Devices 的 AD4000 16 位精度逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。
實(shí)際上，使用這種直接連接配置需要至少 220 kHz 的采樣率。之所以有此采樣率要求，是因?yàn)樾枰云骷?3 分貝 (dB) 頻率響應(yīng)帶寬的兩倍進(jìn)行采樣，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 MEMS 傳感器的頻率響應(yīng)帶寬（見表 1）。實(shí)際上，集成輸出放大器設(shè)計(jì)有 70 kHz 的 3 dB 頻率響應(yīng)帶寬，以便在接近傳感器諧振頻率的頻率下進(jìn)行測量，此頻率可能遠(yuǎn)高于規(guī)范中提供的 3 dB 頻率（圖 7）。
圖 7：Analog Devices 的 ADXL100x 系列振動傳感器提供的寬帶寬頻率響應(yīng)類似于此處針對 ADXL1002 所示的曲線，其額定 3 dB 帶寬為 11 kHz，并在明顯更高的頻段呈現(xiàn)出特征化諧振頻率峰值。（圖片來源：Analog Devices）
同任何轉(zhuǎn)換信號鏈一樣，采樣率必須至少是等效噪聲帶寬 (ENBW) 的兩倍，以免將噪聲混疊到目標(biāo)頻帶中。由于 ENBW = π/2 x ω3dB（其中 ω3dB 為 70 kHz），ADXL100x 器件的 ENBW 為 110 kHz。因此，所需采樣率至少須為 220 kHz。
開發(fā)人員只需增加一個(gè)單極點(diǎn)低通濾波器，便可輕松降低此采樣要求。實(shí)際上，Analog Devices 建議在傳感器和 ADC 之間使用一個(gè)雙極點(diǎn)電阻-電容 (RC) 濾波器，例如前面提到的 Analog Devices AD4000（圖 8）。
圖 8：在 Analog Devices 的 ADXL100x MEMS 傳感器和 Analog Devices AD4000 ADC 之間使用一個(gè)簡單的雙極點(diǎn)低通濾波器，開發(fā)人員便可降低所需的傳感器采樣率。（圖片來源：Analog Devices）
例如，使用 16 千歐 (kΩ) R1 電阻、300 pF C1 電容、32 kΩ R2 電阻和 300 pF C2 電容，在 ADXL1001/ADXL1002 的 200 kHz 內(nèi)部時(shí)鐘頻率下，可提供約 84 dB 的衰減。在這種情況下，32 kHz 的 ADC 采樣率即足以測量 0 到 10 kHz 的振動，而不會有混疊偽像。
若將 ADXL100x 傳感器與 AD4000 ADC 和少數(shù)無源元件配合使用，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)完整的振動測量信號鏈。加上穩(wěn)壓器（如 Analog Devices 的 ADP7104 低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器）、基準(zhǔn)電壓源（如 Analog Devices 的 ADR4550）和處理器（如 Analog Devices 的 ADUCM4050 微控制器），便可快速完成振動傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分。
若將很少的這些器件與 ADXL100x 系列的不同成員配合使用，開發(fā)人員便可滿足特定性能要求，例如獨(dú)特 CBM 應(yīng)用需要的更大加速度范圍或更高帶寬。
三軸測量
對于更復(fù)雜的 CBM 應(yīng)用，ADXL100x 系列的單軸測量功能可能不足。雖然開發(fā)人員可以針對每個(gè)需要的測量軸輕松復(fù)制基本設(shè)計(jì)，但 Analog Devices 的 ADcmXL3021 三軸振動傳感器模塊提供了一種更簡單的方法。
Analog Devices 的 ADcmXL3021 模塊采用 23.7 毫米 (mm) x 27.0 mm x 12.4 mm 鋁制外殼封裝，帶有安裝法蘭，支持使用三個(gè) ADXL1002 MEMS 加速計(jì)（沿相互正交的檢測軸放置）進(jìn)行三軸測量（圖 9）。
圖 9：Analog Devices 的 ADcmXL3021 模塊采用 23.7 mm x 27.0 mm x 12.4 mm 鋁制外殼（左），提供完整的三軸振動測量系統(tǒng)（右），能夠滿足工業(yè)性能要求。（圖片來源：Analog Devices）
在每個(gè) MEMS 傳感器的信號鏈中，一個(gè)專用 ADC 以每秒 220 千樣本 (kSPS) 的速率采樣，結(jié)果存儲在模塊的內(nèi)置先進(jìn)先出 (FIFO) 緩沖器中。該模塊的集成處理器支持四種不同工作模式下的時(shí)域和頻域測量：
實(shí)時(shí)流傳輸 (RTS)，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)
手動 FFT 模式 (MFFT)，響應(yīng)外部信號或軟件命令的觸發(fā)而生成頻域數(shù)據(jù)
自動 FFT 模式 (AFFT)，使用內(nèi)部定時(shí)器自動觸發(fā)頻域數(shù)據(jù)捕獲
手動時(shí)間捕獲 (MTC) 模式，捕獲 4,096 個(gè)連續(xù)時(shí)域樣本，支持使用信號處理功能，包括濾波和平均化
憑借集成的 MCU，ADcmXL3021 還提供除這四種采樣模式之外的其他功能。其中一種功能支持 ISO 10816 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)機(jī)器進(jìn)入不適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行狀態(tài)時(shí)會發(fā)出警告，當(dāng)機(jī)器進(jìn)入臨界狀態(tài)時(shí)發(fā)出報(bào)警。
在 MTC 模式下，ADcmXL3021 針對時(shí)域數(shù)據(jù)提供三種不同可配置級別的報(bào)警（正常、警告和嚴(yán)重）。為了支持 ISO 10816 通知，開發(fā)人員可以設(shè)置指示正常級別的信號、指示不適當(dāng)操作的警告信號以及指示不安全操作的報(bào)警信號。
對于 MFFT 或 AFFT 模式下的頻域測量，ADcmXL3021 提供更復(fù)雜的報(bào)警功能。此時(shí)，開發(fā)人員可以配置六個(gè)報(bào)警帶，每種配置都會指定頻率范圍和幅度的上下限。借助此功能，開發(fā)人員可以配置 ADcmXL3021 來識別與已知警告或報(bào)警條件相關(guān)的特定頻率和幅度特征（圖 10）。
圖 10：開發(fā)人員可以配置 Analog Devices 的 ADcmXL3021 振動傳感器模塊，使用基于振動幅度和振動頻帶的指標(biāo)組合發(fā)出警告或報(bào)警。（圖片來源：Analog Devices）
為了簡化 ADcmXL3021 的開發(fā)，Analog Devices 提供了 ADCMXL_BRKOUT 分線板，通過其提供的排針更容易訪問 ADcmXL3021 柔性尾部連接器引腳。
Analog Devices 還提供基于 Windows 的 val/user-guides/inertial-mems/imu/vibration_evaluation_2_1_8.zip" target="_blank">ADCMXL 振動評估軟件應(yīng)用程序，其設(shè)計(jì)為與 Cypress Semiconductor 的 CYUSB3KIT-003 USB 3.0 SuperSpeed Explorer 套件配合使用。通過評估軟件界面，開發(fā)人員可以檢查每個(gè)軸的時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)，并修改 ADcmXL3021 寄存器以探索其他捕獲配置（圖 11）。
圖 11：開發(fā)人員可以使用 Analog Devices 的評估軟件應(yīng)用程序查看 ADcmXL3021 振動傳感器模塊的輸出，或以交互方式修改其寄存器以探索不同的捕獲配置。（圖片來源：Digi-Key/Analog Devices）
總結(jié)
CBM 是一種極具優(yōu)勢的技術(shù)，可避免因突發(fā)機(jī)器故障導(dǎo)致的不必要維護(hù)安排或意外停機(jī)。然而，對于 CBM 應(yīng)用開發(fā)人員而言，相匹配的振動測量系統(tǒng)的嚴(yán)格性能要求可能令人生畏。與消費(fèi)電子應(yīng)用中的運(yùn)動檢測傳感系統(tǒng)不同，工業(yè)振動系統(tǒng)需要高加速度范圍、寬帶寬、高分辨率和非常低的噪聲密度。利用 Analog Devices 的 MEMS 傳感器和相關(guān)器件，開發(fā)人員可以有信心地創(chuàng)建穩(wěn)健的振動測量系統(tǒng)，滿足復(fù)雜工業(yè) CBM 應(yīng)用的要求。
