任何一臺(tái)工業(yè)機(jī)械最終都會(huì)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(dòng)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(huì)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(huì)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(hào)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(hào)鏈。
振動(dòng)分析
作為基礎(chǔ) CBM 方法，振動(dòng)分析已成為評(píng)估機(jī)械及其可動(dòng)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(dòng)測量結(jié)果，識(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)、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(hào)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(dòng)會(huì)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(huì)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)特征信號(hào)，信號(hào)頻率稱為滾珠旋轉(zhuǎn)頻率 (BSF)，信號(hào)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(huì)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(dòng)（圖 2）。
圖 2：與機(jī)械故障相關(guān)的振動(dòng)特征既有很容易辨識(shí)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(hào)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(dòng)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(dòng)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(dòng)化轉(zhuǎn)變以及更加依賴自動(dòng)化機(jī)械，手動(dòng)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(dòng)測量器件來提供連續(xù)監(jiān)測。
振動(dòng)測量要求
與任何傳感器信號(hào)采集應(yīng)用一樣，CBM 的振動(dòng)測量設(shè)備依賴于熟悉的信號(hào)鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)級(jí)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和處理器（圖 3）。
圖 3：振動(dòng)檢測系統(tǒng)使用熟悉的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，集信號(hào)鏈、處理器和支持器件于一體，信號(hào)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(dòng)信號(hào)鏈的規(guī)格通常與消費(fèi)電子設(shè)備中運(yùn)動(dòng)檢測所用的信號(hào)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(dòng)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(tái)以 1,000 rpm 運(yùn)行的機(jī)器要求振動(dòng)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(hào)，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(hào)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(dòng)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(hào)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(dòng)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(dòng)板組成，可動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)傳感器所經(jīng)歷的加速度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)（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(dòng)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(dòng)的 CBM 應(yīng)用的嚴(yán)格要求，而且可簡化底層振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)傳感器的所有成員都是集 MEMS 傳感器與全面的傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)級(jí)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(dòng)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(dòng)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(huì)設(shè)置 OR 輸出信號(hào)以警告主機(jī)處理器。此外，它會(huì)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(huì)每 500 μs 重新觸發(fā)輸出信號(hào)和關(guān)斷周期。
構(gòu)建信號(hào)鏈
ADXL100x 的集成輸出放大器可以驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào)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(dòng)，而不會(huì)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(dòng)測量信號(hào)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hào)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(chǔ)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(dòng) FFT 模式 (MFFT)，響應(yīng)外部信號(hào)或軟件命令的觸發(fā)而生成頻域數(shù)據(jù)
自動(dòng) FFT 模式 (AFFT)，使用內(nèi)部定時(shí)器自動(dòng)觸發(fā)頻域數(shù)據(jù)捕獲
手動(dòng)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(hào)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(huì)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(jí)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(jí)別的信號(hào)、指示不適當(dāng)操作的警告信號(hào)以及指示不安全操作的報(bào)警信號(hào)。
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(huì)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(shí)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(dòng)傳感器模塊，使用基于振動(dòng)幅度和振動(dòng)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(dòng)評(píng)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(píng)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(píng)估軟件應(yīng)用程序查看 ADcmXL3021 振動(dòng)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(dòng)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(dòng)檢測傳感系統(tǒng)不同，工業(yè)振動(dòng)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(dòng)測量系統(tǒng)，滿足復(fù)雜工業(yè) CBM 應(yīng)用的要求。
