與人體會(huì)生老病死一樣，世間萬物都有其運(yùn)行規(guī)律。在工業(yè)領(lǐng)域，設(shè)備一樣面臨“生老病死”的命運(yùn)，其運(yùn)行規(guī)律和健康狀況與工業(yè)效率與安全息息相關(guān)，生產(chǎn)設(shè)備的健康必須得到有效的監(jiān)測和維護(hù)，而過去的設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測需要依靠工作人員通過對設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)、聲音和產(chǎn)品質(zhì)量的觀察進(jìn)行判斷。與中醫(yī)對脈象的判斷通常需要幾十年的經(jīng)驗(yàn)積累類似，這在以前是只有少數(shù)具備數(shù)十年機(jī)器振動(dòng)、聲音觀察分析經(jīng)驗(yàn)的一線專業(yè)人員才能駕馭的檢測工作。

 

 

任何深諳設(shè)備維護(hù)必要性的人都知道，設(shè)備發(fā)出的聲音和振動(dòng)有多重要。通過聲音和振動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)備健康監(jiān)測，可以將維護(hù)成本降低一半，使用壽命大大延長。很明顯，這類監(jiān)測方法需要進(jìn)行狀態(tài)信息的傳感拾取、以及微弱傳感信號(hào)的變換和數(shù)字化采集，以及數(shù)字化信息的分析解讀，因此這對于擅長模擬信號(hào)信號(hào)鏈和數(shù)字化采集分析的ADI公司來說，是一個(gè)必須抓住也必然可以抓住的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，ADI團(tuán)隊(duì)在過去20年里一直致力于理解人類是如何解讀聲音和振動(dòng)的，其目標(biāo)是建立一個(gè)系統(tǒng)，能夠?qū)W習(xí)來自設(shè)備的聲音和振動(dòng)，破譯它們的含義，以檢測異常行為并進(jìn)行診斷。

 

設(shè)備是否健康？“把脈”一下就知道

 

中醫(yī)的把脈又稱為切脈，是中醫(yī)師用手按病人的動(dòng)脈，根據(jù)脈象，以了解疾病內(nèi)在變化的診斷方法。把脈是由動(dòng)脈搏動(dòng)的顯現(xiàn)部位（深、淺）、速率（快、慢）、強(qiáng)度（有力、無力）、節(jié)律（整齊與否、有無歇止）和形態(tài)等方面組成的。脈象是中醫(yī)辨證的一個(gè)重要依據(jù)，對分辨疾病的原因、推斷疾病的變化、識(shí)別病情的真假，以及判斷疾病的預(yù)后等，都具有重要的臨床意義。

 

在早期的機(jī)械加工生產(chǎn)中，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員往往憑直觀感覺來判斷刀具是否已經(jīng)磨鈍：當(dāng)工件加工表面粗糙度開始增大，切屑的形狀和顏色發(fā)生變化，工件表面出現(xiàn)擠亮的帶，切削過程產(chǎn)生振動(dòng)或刺耳噪聲等，都標(biāo)志著刀具已經(jīng)磨鈍。

 

后來，陸續(xù)出現(xiàn)手持式振動(dòng)檢查設(shè)備，不需要操作者具備豐富經(jīng)驗(yàn)即可對設(shè)備的振動(dòng)進(jìn)行分析判斷。然而，此類設(shè)備的一個(gè)主要局限是測量結(jié)果不可重復(fù)，探頭位置或角度稍有改變，就會(huì)產(chǎn)生不一致的振動(dòng)剖面，從而難以進(jìn)行精確的時(shí)間比較。因此，維護(hù)技術(shù)人員首先需要弄清所觀察到的振動(dòng)偏移是由機(jī)器內(nèi)部的實(shí)際變化所致，還是僅僅因?yàn)闇y量技術(shù)的變化所致。

 

理想情況下，這樣的監(jiān)測傳感器應(yīng)當(dāng)結(jié)構(gòu)緊湊并且充分集成，能夠直接永久性地嵌入目標(biāo)設(shè)備內(nèi)部，從而消除測量位置偏移問題，并且可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行監(jiān)測。例如具有先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)功能并可用于嵌入式應(yīng)用的ADXL100x系列加速度計(jì)，以及具備低噪聲等級(jí)特性（噪聲低至20 μg/√Hz，帶寬為1500 Hz）、在更嚴(yán)格的帶寬范圍內(nèi)觀察發(fā)現(xiàn)的ADXL35x系列產(chǎn)品。

 

ADXL100x系列具有寬帶寬和低噪聲特點(diǎn)。但是，它們采用單軸，需要配備相關(guān)的處理電子設(shè)備。為了簡化設(shè)計(jì)，ADI公司提供了一套完整的解決方案，采用 ADcmXL3021型號(hào)實(shí)施三軸測量。這款產(chǎn)品包括三個(gè)基于ADXL1002的測量鏈、一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)處理器和一個(gè)FIFO。整個(gè)裝置封裝在一個(gè)鋁殼 (23.7 mm × 26.7 mm × 12mm) 內(nèi)，可以即時(shí)安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)器上，具有僅 25 μg/√Hz的極 低噪聲水平和10 kHz帶寬，這些特點(diǎn)使其能夠在大量應(yīng)用中捕捉振動(dòng)特征。

 

 

這類監(jiān)測模塊除了為預(yù)測性維護(hù)構(gòu)建模型之外，與人工智能和云訪問結(jié)合還開啟了通向諸多可能性的大門。例如，將振動(dòng)測量數(shù)據(jù)與來自其他傳感器的數(shù)據(jù)（壓力、溫度、旋轉(zhuǎn)、功率等）相關(guān)聯(lián)，可以推斷出關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)的許多信息，不僅可用于檢測機(jī)械故障，還能夠處理諸如空輸送帶、內(nèi)部沒有流液的泵、不含膏體的攪拌器等。

 

設(shè)備健康監(jiān)測創(chuàng)新，對設(shè)備健康“聽診”分析

 

人類對聲音具有天然的敏感性，通過了解設(shè)備發(fā)出的正常聲音，當(dāng)聲音出現(xiàn)變化時(shí)，就可以確認(rèn)出現(xiàn)異常。傳統(tǒng)上，我們依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的技工人員和工程師帶來人工成本和獨(dú)特人才資源的壓力。聲音拾取和智能分析能力與技術(shù)日漸成熟的今天，通過電子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)已經(jīng)變得可行。ADI的OtoSense的體系結(jié)構(gòu)就是這樣一種設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過對設(shè)備運(yùn)行中的噪聲采集、處理和分析，支持基于計(jì)算機(jī)聽覺理解設(shè)備行為，實(shí)現(xiàn)無接觸的性能檢測和分析。

 

 

OtoSense的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念就從人類神經(jīng)學(xué)中獲得靈感，它是一名研究失聰兒童和患有精神疾病兒童的語言病理學(xué)家（上圖為OtoSense系統(tǒng)的創(chuàng)建者、ADI公司OtoSense產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Sebastien Christian）的杰作，并在2019年被ADI成功并購。傳感解譯技術(shù)依賴于傳感數(shù)據(jù)，而ADI在這方面顯然更勝一籌。傳感模式經(jīng)信號(hào)鏈轉(zhuǎn)換為數(shù)字模式以及數(shù)字處理能力，與先進(jìn)的ADI模擬信號(hào)鏈和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)整合，這樣一來OtoSense的優(yōu)勢不僅僅是算法，還在于能夠通過信號(hào)鏈接收高度準(zhǔn)確可靠的信號(hào)。

 

OtoSense系統(tǒng)是一種致力于傳感解譯的人工智能，它能夠使用數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并與人類交互，以實(shí)現(xiàn)在邊緣、實(shí)時(shí)、離線檢測異常事件。其可用于機(jī)器監(jiān)控、簡化專業(yè)維護(hù)人員的工作，以及避免人們接近即將出現(xiàn)重大故障的機(jī)器，大大降低了工業(yè)環(huán)境運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

 

本文總結(jié)

 

中醫(yī)將人體作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，認(rèn)為各種疾病能在脈象、舌苔等身體特征中表現(xiàn)出不同的差異，對于工業(yè)設(shè)備的安全監(jiān)測應(yīng)用來說何嘗不是呢？設(shè)備的機(jī)械特征變化也會(huì)在振動(dòng)、噪聲特征中必然有反應(yīng)。有意思的是，ADI的OtoSense技術(shù)就已在醫(yī)療保健應(yīng)用中進(jìn)行了成功測試，實(shí)現(xiàn)對慢性阻塞性肺病患者的咳嗽監(jiān)測、睡眠呼吸暫停檢測、胸聲監(jiān)測、老年人身體監(jiān)測，等等。OtoSense高級(jí)預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)、基于MEMS的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)將越來越多的應(yīng)用到工業(yè)設(shè)備預(yù)測維護(hù)中，以及在汽車、樓宇監(jiān)測等更多領(lǐng)域獲得廣泛拓展。

 

 

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