慣性MEMS傳感器在當(dāng)今個(gè)人電子設(shè)備的大規(guī)模擴(kuò)展中發(fā)揮著重要作用。它們體積小、功耗低、易于集成、功能水平高和性能卓越，鼓勵(lì)并實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)、游戲控制器、活動(dòng)跟蹤器和數(shù)碼相框等小工具的創(chuàng)新。此外，慣性MEMS傳感器大大提高了汽車安全系統(tǒng)的可靠性并降低了成本，使其能夠部署在大多數(shù)汽車中。

　　功能集成和性能的不斷進(jìn)步也幫助MEMS加速度計(jì)和陀螺儀進(jìn)入許多不同的工業(yè)系統(tǒng)。其中一些應(yīng)用為現(xiàn)有產(chǎn)品和服務(wù)提供了低成本的替代方案，而其他應(yīng)用則首次集成了慣性傳感。振動(dòng)監(jiān)測正在成為一種同時(shí)擁有這兩種用戶的應(yīng)用程序。監(jiān)控機(jī)器健康狀況以進(jìn)行維護(hù)和安全的傳統(tǒng)儀器通常使用壓電技術(shù)。高速自動(dòng)化設(shè)備監(jiān)控振動(dòng)，以觸發(fā)對潤滑、速度或皮帶張力的反饋控制，或關(guān)閉設(shè)備以便維護(hù)人員快速關(guān)注。

　　盡管壓電器件擁有成熟的用戶群，但MEMS加速度計(jì)為新興的新用戶群提供了易于集成和更低的成本。此外，其先進(jìn)的功能集成使ADIS16229數(shù)字MEMS振動(dòng)傳感器等器件能夠提供包括信號(hào)處理和通信在內(nèi)的完整解決方案。這種類型的可編程設(shè)備可以定期喚醒自身，捕獲時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)記錄執(zhí)行快速傅里葉變換（FFT），對FFT結(jié)果應(yīng)用用戶可配置的頻譜分析，通過高效的無線傳輸提供簡單的通過/失敗結(jié)果，提供對數(shù)據(jù)和結(jié)果的訪問，然后返回睡眠狀態(tài)。振動(dòng)傳感的新采用者發(fā)現(xiàn)，快速部署和合理的擁有成本是評(píng)估完全集成的MEMS器件的充分理由。

　　振動(dòng)監(jiān)測應(yīng)用

　　使用振動(dòng)觀察機(jī)器健康狀況時(shí)，目標(biāo)是將可觀察到的振動(dòng)與典型的磨損機(jī)制相關(guān)聯(lián)，例如軸承、齒輪、鏈條、皮帶、刷子、軸、線圈和閥門。在典型的機(jī)器中，至少有一個(gè)這樣的機(jī)制需要定期維護(hù)。圖1顯示了正常磨損機(jī)制的振動(dòng)與時(shí)間關(guān)系的三個(gè)示例。雖然發(fā)展這種類型的關(guān)系需要時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)，但相關(guān)性良好的振動(dòng)特征可以成為周期短的定期維護(hù)的節(jié)省成本的替代方案。使用實(shí)際觀察結(jié)果（例如振動(dòng)）提供了在檢測到警告條件時(shí)快速采取行動(dòng)的機(jī)會(huì)（紅色曲線），同時(shí)避免對剩余壽命更長的機(jī)器進(jìn)行過早維護(hù)（藍(lán)色和綠色曲線）。

　　圖 1 還顯示了兩個(gè)警報(bào)設(shè)置（警告、嚴(yán)重）和機(jī)器維護(hù)周期的三個(gè)階段（早期、中期、結(jié)束）。警告級(jí)別定義了正常運(yùn)行期間的最大振動(dòng)，其中觀察到的振動(dòng)不包含對機(jī)器或支持人員的潛在危險(xiǎn)的指示。當(dāng)在正常范圍內(nèi)時(shí)，某些儀器可以支持不頻繁的振動(dòng)測量。臨界級(jí)別表示資產(chǎn)面臨嚴(yán)重?fù)p壞的風(fēng)險(xiǎn)，為支持人員或環(huán)境創(chuàng)造不安全的條件。顯然，機(jī)器操作員希望避免在此級(jí)別操作，并且通常會(huì)使機(jī)器離線。當(dāng)振動(dòng)高于警告水平但低于臨界水平時(shí)，機(jī)器仍然可以執(zhí)行其任務(wù)，但應(yīng)更頻繁地觀察，并且可能需要額外的維護(hù)。

　　有時(shí)，這三個(gè)操作區(qū)域（正常、警告、嚴(yán)重）可能與機(jī)器維護(hù)周期的三個(gè)階段相關(guān)：早期壽命、中期和壽命結(jié)束，在這種情況下，它們可能會(huì)影響振動(dòng)監(jiān)測策略。例如，在早期生命期間，儀器可能只需要每天、每周或每月觀察關(guān)鍵振動(dòng)屬性。當(dāng)它進(jìn)入中年時(shí)，這可能會(huì)變?yōu)槊啃r(shí)觀察一次，并且隨著它接近使用壽命，振動(dòng)監(jiān)測可能會(huì)更頻繁地發(fā)生，尤其是在人員或資產(chǎn)面臨風(fēng)險(xiǎn)的情況下。在此階段，使用便攜式設(shè)備監(jiān)測振動(dòng)的機(jī)器將累積經(jīng)常性成本，與維護(hù)成本相比，這些成本可能會(huì)變得令人望而卻步。雖然主要資產(chǎn)可以證明有理由給予特別關(guān)注，但許多其他工具無法承擔(dān)經(jīng)常性成本。為了補(bǔ)充手動(dòng)測量，基于MEMS的嵌入式傳感器為需要實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)的設(shè)備提供了一種更具成本效益的方法。

　　圖1.振動(dòng)與時(shí)間的關(guān)系示例

　　振動(dòng)的性質(zhì)

　　振動(dòng)是一種重復(fù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。許多屬性對于開發(fā)振動(dòng)傳感儀器非常重要。首先，擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)通常同時(shí)具有線性和旋轉(zhuǎn)分量。大多數(shù)振動(dòng)檢測關(guān)系往往側(cè)重于振蕩的大小，而不是絕對位置跟蹤，因此MEMS加速度計(jì)等線性傳感器足以捕獲運(yùn)動(dòng)信息。當(dāng)運(yùn)動(dòng)大多是線性的時(shí)，了解方向可能很重要，尤其是在使用單軸傳感器時(shí)。相反，3軸傳感器可以提供更大的安裝靈活性，因?yàn)闊o論振動(dòng)方向如何，正交方向都可以在一個(gè)或多個(gè)軸上拾取。

　　由于振動(dòng)是周期性的，頻譜分析提供了一種表征振動(dòng)曲線（振動(dòng)幅度和頻率之間的關(guān)系）的便捷方法。圖2所示的輪廓具有寬帶和窄帶分量，初級(jí)振動(dòng)為~1350 Hz，四個(gè)諧波和一些低電平寬帶成分。每個(gè)移動(dòng)設(shè)備都有自己的振動(dòng)曲線，窄帶響應(yīng)通常代表設(shè)備的固有頻率。

　　圖2.振動(dòng)曲線示例，固有頻率 ~1350 Hz

　　信號(hào)處理

　　傳感器的選擇和信號(hào)處理架構(gòu)取決于應(yīng)用的目標(biāo)。例如，圖3所示的信號(hào)鏈持續(xù)監(jiān)控特定頻段，在附近的控制面板上提供警告和關(guān)鍵指示燈。制造商對機(jī)械設(shè)計(jì)的深入了解有助于帶通濾波器設(shè)計(jì)，特別是啟動(dòng)頻率、停止頻率和通帶滾降率。轉(zhuǎn)速、機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和特定故障的振動(dòng)行為都會(huì)影響帶通濾波器。雖然這種方法很簡單，但振動(dòng)監(jiān)測要求可能會(huì)隨著特定機(jī)器的歷史數(shù)據(jù)的可用而改變。監(jiān)測要求的變化可能導(dǎo)致過濾器結(jié)構(gòu)的變化，這可能會(huì)帶來經(jīng)常性的工程成本。開發(fā)人員可以通過數(shù)字化傳感器響應(yīng)、實(shí)現(xiàn)濾波器、均方根計(jì)算和電平檢測器等關(guān)鍵信號(hào)處理功能，以及利用輔助 I/O 輸出來控制指示燈或提供數(shù)字輸出，從而犧牲復(fù)雜性和靈活性。

　　圖3.時(shí)域振動(dòng)信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/p>

　　圖4顯示了ADIS16228的信號(hào)鏈，該信號(hào)鏈?zhǔn)褂镁哂蠪FT分析和存儲(chǔ)功能的數(shù)字三軸振動(dòng)傳感器來監(jiān)控設(shè)備振動(dòng)的頻譜內(nèi)容。

　　圖4.用于頻譜振動(dòng)分析的ADIS16228信號(hào)鏈

　　核心傳感器

　　這兩種方法的核心傳感器都可以是MEMS加速度計(jì)。選擇核心傳感器的最重要屬性是軸數(shù)、封裝/組件要求、電氣接口（模擬/數(shù)字）、頻率響應(yīng)（帶寬）、測量范圍、噪聲和線性度。雖然許多三軸MEMS加速度計(jì)支持與大多數(shù)嵌入式處理器直接連接，但要獲得最佳性能水平，可能需要具有模擬輸出的單軸或雙軸解決方案。例如，高性能寬帶iMEMS加速度計(jì)ADXL001利用其22 kHz諧振提供最寬的可用帶寬之一，但它僅作為單軸模擬輸出器件提供。模擬輸出可以在具有可用模數(shù)通道的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)快速接口，但目前的發(fā)展趨勢似乎有利于那些具有數(shù)字接口的傳感器。?

　　核心傳感器的頻率響應(yīng)和測量范圍決定了在輸出飽和之前它可以支持的最大振動(dòng)頻率和幅度。飽和會(huì)降低頻譜響應(yīng)，產(chǎn)生可能導(dǎo)致誤報(bào)的雜散內(nèi)容，即使飽和頻率不會(huì)干擾目標(biāo)頻率也是如此。測量范圍和頻率響應(yīng)由

　　其中 D 是物理位移，ω 是振動(dòng)頻率，A 是加速度。

　　雖然頻率響應(yīng)和測量范圍限制了傳感器響應(yīng)的上限，但其噪聲和線性度限制了分辨率。噪聲將確定振動(dòng)的下限，這將在輸出中引起響應(yīng)，而線性度將決定振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生多少虛假諧波成分。

　　模擬濾波器

　　模擬濾波器將信號(hào)內(nèi)容限制在一個(gè)奈奎斯特區(qū)，占示例系統(tǒng)中采樣速率的一半。即使濾波器截止頻率在奈奎斯特區(qū)以內(nèi)，也不可能對高頻分量進(jìn)行無限抑制，這些分量仍然可以折回通帶。對于僅監(jiān)測第一奈奎斯特區(qū)的系統(tǒng)，這種折返行為可能會(huì)產(chǎn)生假故障，并扭曲特定頻率下的振動(dòng)內(nèi)容視圖。

　　窗口

　　時(shí)間相干采樣在振動(dòng)檢測應(yīng)用中通常不切實(shí)際，因?yàn)闀r(shí)間記錄開始和結(jié)束時(shí)的非零采樣值會(huì)導(dǎo)致較大的頻譜泄漏，從而降低FFT分辨率。在計(jì)算FFT之前應(yīng)用窗口函數(shù)有助于管理頻譜泄漏。最佳窗口函數(shù)取決于實(shí)際信號(hào)，但通常，權(quán)衡因素包括過程損耗、頻譜泄漏、波瓣位置和波瓣電平。

　　快速傅里葉變換 （FFT）

　　FFT是一種用于分析離散時(shí)間數(shù)據(jù)的有效算法。該過程將時(shí)間記錄轉(zhuǎn)換為離散頻譜記錄，其中每個(gè)樣本代表奈奎斯特區(qū)的一個(gè)離散頻率段。輸出樣本的總數(shù)等于原始時(shí)間記錄中的樣本數(shù)，在大多數(shù)情況下，它表示二項(xiàng)式序列 （1， 2， 4， 8 … ） 中的數(shù)字。光譜數(shù)據(jù)具有幅度和相位信息，可以用矩形或極性形式表示。當(dāng)呈矩形形式時(shí)，F(xiàn)FT箱的一半包含幅度信息，而另一半包含相位信息。當(dāng)呈極性形式時(shí)，F(xiàn)FT箱的一半包含實(shí)結(jié)果，而另一半包含虛結(jié)果。

　　在某些情況下，幅度和相位信息都是有幫助的，但幅度/頻率關(guān)系通常包含足夠的信息來檢測關(guān)鍵變化。對于僅提供幅度結(jié)果的器件，F(xiàn)FT 箱的數(shù)量等于原始時(shí)域記錄中樣本的一半。FFT 箱寬度等于采樣率除以記錄總數(shù)。在某種程度上，每個(gè)FFT箱就像時(shí)域中的一個(gè)單獨(dú)的帶通濾波器。圖5提供了一個(gè)實(shí)際MEMS振動(dòng)傳感器的示例，該傳感器以每秒20480個(gè)樣本（SPS）采樣，并以512點(diǎn)記錄開始。在這種情況下，傳感器僅提供量級(jí)信息，因此箱總數(shù)為 256，箱寬度等于 40 Hz （20480/512）。

　　圖5.ADIS16228 FFT輸出

　　箱寬很重要，因?yàn)樗陬l率從一個(gè)箱移動(dòng)到相鄰箱時(shí)建立頻率分辨率，并且因?yàn)樗鼪Q定了箱將包含的總噪聲?？傇肼?（rms） 等于噪聲密度 （~240 μg/√Hz） 與箱寬平方根 （√40 Hz） 的乘積，即 ~1.5 mg rms。對于噪聲往往對振動(dòng)分辨率影響最大的低頻應(yīng)用，F(xiàn)FT過程之前的抽取濾波器有助于提高頻率和幅度分辨率，而無需改變ADC的采樣頻率。將20480 SPS采樣率抽取256倍可將頻率分辨率提高256倍，同時(shí)將噪聲降低16倍。

　　頻譜報(bào)警

　　使用FFT的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它可以簡單地應(yīng)用頻譜報(bào)警。圖6提供了一個(gè)示例，其中包括五個(gè)獨(dú)立的頻譜報(bào)警，用于監(jiān)控機(jī)器中的固有頻率，其諧波（#2，#3和#4）以及寬帶內(nèi)容。警告和臨界水平對應(yīng)于機(jī)器健康振動(dòng)與時(shí)間曲線中的水平。開始和停止頻率完成了由此關(guān)系表示的過程變量定義。使用嵌入式處理器時(shí)，頻譜報(bào)警定義變量（啟動(dòng)/停止頻率、警告/臨界報(bào)警級(jí)別）可以位于使用數(shù)字代碼進(jìn)行配置的可配置寄存器位置。使用相同的比例因子和條柱編號(hào)方案可以大大簡化此過程。

　　圖6.帶有頻譜報(bào)警的示例 FFT

　　記錄管理

　　與過程變量關(guān)系相關(guān)的關(guān)鍵功能之一是記錄管理。存儲(chǔ)每臺(tái)機(jī)器生命周期不同階段的FFT記錄可以分析可能導(dǎo)致磨損曲線的各種行為，從而有助于維護(hù)和安全規(guī)劃。除了編譯歷史振動(dòng)數(shù)據(jù)外，有些人還會(huì)發(fā)現(xiàn)捕獲與電源、溫度、日期、時(shí)間、采樣率、報(bào)警設(shè)置和濾波等參數(shù)相關(guān)的條件數(shù)據(jù)的價(jià)值。

　　接口

　　接口取決于特定工廠中的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。在某些情況下，以太網(wǎng)或RS-485等工業(yè)電纜就緒通信標(biāo)準(zhǔn)隨時(shí)可用，因此智能傳感器和通信系統(tǒng)之間的接口可能是嵌入式處理器。在其他情況下，相同的嵌入式處理器可用于將智能傳感器與現(xiàn)有無線協(xié)議（如Wi-Fi，ZigBee或系統(tǒng)特定標(biāo)準(zhǔn)）連接。一些智能傳感器，如用于遠(yuǎn)程傳感器的ADIS16000無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和ADIS16229，帶有可隨時(shí)部署的無線接口，可通過SPI或I等常見嵌入式接口獲得。

　　結(jié)論

　　慣性MEMS技術(shù)正在開創(chuàng)振動(dòng)監(jiān)測的新時(shí)代，并為此類儀器提供更廣泛的用戶群。性能、封裝和熟悉度可能有助于繼續(xù)使用壓電技術(shù)，但振動(dòng)監(jiān)測顯然正在增長和發(fā)展。通過功能集成和易于采用，MEMS器件在新的振動(dòng)監(jiān)測應(yīng)用中越來越受到關(guān)注。通過傳感點(diǎn)的高級(jí)信號(hào)處理，在大多數(shù)情況下，將監(jiān)控負(fù)擔(dān)降低到簡單狀態(tài)（正常、警告、嚴(yán)重）。此外，通過便捷的通信渠道進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問正在為振動(dòng)監(jiān)測儀器創(chuàng)造新的應(yīng)用。未來在關(guān)鍵性能指標(biāo)（噪聲、帶寬和動(dòng)態(tài)范圍）方面的進(jìn)步以及高水平的功能集成將有助于在不久的將來繼續(xù)這一趨勢。

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