【導讀】MEMS加速度計對于檢測故障情況、幫助防止意外斷電或避免發(fā)生其他代價高昂的事件至關(guān)重要。作為一名負責為狀態(tài)監(jiān)控(CbM)應用選擇和安裝合適傳感器的工程師，需要在做出選擇之前仔細考慮多個關(guān)鍵參數(shù)，然而這些參數(shù)常常被忽視。本文將討論您在做出選擇時應特別留意的一些關(guān)鍵標準。
問題:
為狀態(tài)監(jiān)控選擇MEMS加速度計時，有哪些關(guān)鍵但經(jīng)常被忽視的參數(shù)？
答案:
在MEMS加速度計的選擇過程中，經(jīng)常被低估或忽視的關(guān)鍵參數(shù)有傳感器的量程、帶寬和諧振頻率。如果這些參數(shù)太低或僅能勉強滿足需求，將會導致測量效果不理想。
簡介
MEMS加速度計對于檢測故障情況、幫助防止意外斷電或避免發(fā)生其他代價高昂的事件至關(guān)重要。作為一名負責為狀態(tài)監(jiān)控(CbM)應用選擇和安裝合適傳感器的工程師，需要在做出選擇之前仔細考慮多個關(guān)鍵參數(shù)，然而這些參數(shù)常常被忽視。本文將討論您在做出選擇時應特別留意的一些關(guān)鍵標準。
狀態(tài)監(jiān)控
CbM是利用傳感器監(jiān)測機械系統(tǒng)可能出現(xiàn)的潛在缺陷或損壞的過程。CbM用于監(jiān)測滾珠軸承、齒輪、泵和許多其他應用中的缺陷。通常的做法是采用多種不同類型原理的傳感器來確保實現(xiàn)出色監(jiān)控效果。使用此類傳感器可以盡早發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取預防措施以避免可能的損壞或事故。一種方法是預測性維護(PdM)，根據(jù)從傳感器讀數(shù)收集到的數(shù)據(jù)來預測系統(tǒng)內(nèi)的潛在故障。這有助于減少停機時間并提高運營效率。盡管在CbM應用中常常使用多種類型的傳感器，包括加速度計、溫度傳感器、磁力計和MEMS麥克風等，但本文將特別關(guān)注MEMS加速度計。
MEMS加速度計
MEMS加速度計用于將機械振動轉(zhuǎn)換為電壓或數(shù)字值。MEMS傳感器由活動和固定的硅元件組成，它們相互交叉形成電容，如圖1a所示。機械運動會使得活動元件向固定元件移動。該結(jié)構(gòu)在數(shù)學上可以描述為質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，其中的加速度可以根據(jù)測得的力來計算。在模擬MEMS傳感器中（圖1b），機械振動可以轉(zhuǎn)換為電壓。數(shù)字傳感器額外使用集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器來輸出數(shù)字值，如圖1c所示。ADI公司提供類型豐富的MEMS加速度計，例如低噪底、高帶寬和多軸傳感器。
圖1.(a) MEMS結(jié)構(gòu)，沿z軸運動；(b) MEMS模擬輸出；(c) MEMS數(shù)字輸出。
適用于CbM的MEMS加速度計的關(guān)鍵參數(shù)
量程
所選擇的MEMS傳感器的量程應涵蓋系統(tǒng)中出現(xiàn)的所有加速度。如果傳感器的量程太小，信號可能會被削波。這會導致測量結(jié)果出現(xiàn)不對稱信號/信號偏移，導致出現(xiàn)加速度解讀誤差。在此過程中，應在傳感器中記為1 g的重力加速度常被忽略。
帶寬
此外，還應結(jié)合帶寬考慮系統(tǒng)中出現(xiàn)的加速度所對應的頻率。缺陷的早期檢測，例如與滾珠軸承、泵等相關(guān)的缺陷，在CbM應用中至關(guān)重要。缺陷的最初跡象通常出現(xiàn)在高頻頻譜。如果選擇的帶寬太小，則這些缺陷甚至可能無法被檢測到。在此類應用中，加速度是頻率平方的函數(shù)。例如，在位移為250 nm且頻率為1 kHz時，實際加速度為1 g。如果此位移發(fā)生在10 kHz，則實際加速度為100 g，或者說比之前高出100倍。也就是說，為了能夠盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的缺陷，必須選擇帶寬和量程足夠大的傳感器。為了滿足高度關(guān)鍵應用的需求，ADI公司提供帶寬高達24 kHz和量程達到500 g的傳感器。
傳感器諧振頻率
選擇帶寬時要考慮的另一個因素是傳感器的諧振。當加速度發(fā)生在傳感器的諧振頻率上時，傳感器的靈敏度會增加，進而造成可用信號失真的糟糕情況，影響測量結(jié)果的準確性。為系統(tǒng)提供機械阻尼/濾波可以解決這個問題。除帶寬外，低本底噪聲對于實現(xiàn)故障或偏差的早期檢測也很重要。出色的MEMS加速度計的本底噪聲應小于100 μg/√Hz。
有關(guān)MEMS加速度計規(guī)格的完整概述，請參閱 加速度計規(guī)格——簡要定義。
結(jié)論
基于MEMS的加速度計現(xiàn)在可以很好地替代壓電傳感器。MEMS加速度計具有高達24 kHz的高帶寬和低本底噪聲，非常適合用于預測和檢測缺陷的早期跡象，從而降低系統(tǒng)故障率和相關(guān)成本。ADI公司為CbM應用提供廣泛的傳感器選擇，包括 ADXL100x 和 ADXL356/ADXL357 。有關(guān)可用MEMS加速度計的更多信息，請訪問 我們的加速度計頁面。
參考資料
Richard Anslow和Dara O'Sullivan。"選擇最佳的振動傳感器來進行風輪機狀態(tài)監(jiān)控"。《模擬對話》，第54卷第3期，2020年9月。
Chris Murphy。"為什么MEMS加速度計正在成為設計人員在CbM應用中的最佳選擇"。ADI公司，2021年2月。
Pete Sopcik和Dara O'Sullivan。"傳感器性能如何實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控解決方案"。《模擬對話》，第53卷第6期，2019年6月。
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