如果故障發(fā)生在兩次定期維護檢查之間，則很可能導致意外停機。在這種情況下，至關(guān)重要的是使用合適的預測性維護傳感器來(lái)盡可能提早檢測潛在故障，所以，本文將著(zhù)重介紹振動(dòng)和聲學(xué)傳感器。振動(dòng)分析通常被認為是使用PdM的最佳起點(diǎn)。

 

預測性維護傳感器

有些傳感器能夠比其他傳感器更早地檢測某些故障，例如軸承損壞，如圖1所示。在這一節中，我們將討論常用于盡可能提早檢測故障的傳感器，一般是加速度計和麥克風(fēng)。表1顯示傳感器規格列表，以及它們可以檢測到的一些故障。大多數PdM系統只使用其中一些傳感器，因此必須確保除了使用合適的傳感器來(lái)檢測這些潛在的關(guān)鍵故障之外，還要深入了解這些故障。

 

表1. 常用于實(shí)施CbM的傳感器

 

傳感器和系統故障注意事項

工業(yè)和商業(yè)應用中超過(guò)90%的旋轉機器都使用滾動(dòng)軸承。電機的故障部件分布如圖2所示，從中可以清楚看到，在選擇PdM傳感器時(shí)，需要特別關(guān)注軸承監測。為了檢測、診斷和預測潛在故障，振動(dòng)傳感器必須具有低噪聲和寬帶寬。

 

圖2. 電機部件出現故障的百分率。

 

表2顯示與旋轉機器相關(guān)的部分常見(jiàn)故障，以及一些用于PdM應用的相應振動(dòng)傳感器要求。為了盡早發(fā)現故障，PdM系統通常需要使用高性能傳感器。資產(chǎn)中使用的預測性維護傳感器的性能水平與在整個(gè)流程中持續可靠運行的資產(chǎn)的重要性相關(guān)，而不是與資產(chǎn)本身的成本相關(guān)。

 

表2. 機器故障和振動(dòng)傳感器注意事項概述

 

根據電機振動(dòng)或移動(dòng)（峰值、峰峰值和rms）期間的能量，我們可以確定機器是否不平衡或未對準等。有些故障（例如軸承或齒輪缺陷）不是很明顯，特別是在早期，不能單單通過(guò)增加振動(dòng)頻率來(lái)識別或預測。解決這些故障通常需要將具備低噪聲(<100 µg/√Hz)和寬帶寬(>5kHz)的高性能預測性維護振動(dòng)傳感器與高性能信號鏈、處理、收發(fā)器和后處理器配對。

 

用于PdM的振動(dòng)、聲波和超聲波傳感器

微機電系統(MEMS)麥克風(fēng)的PCB上包含一個(gè)MEMS元件，通常采用金屬外殼，頂部或底部端口中可以包含聲壓波。MEMS麥克風(fēng)提供低成本、小尺寸且有效的方法來(lái)檢測機器故障，例如軸承狀 況、齒輪嚙合、泵氣蝕、未對準和不平衡。這使得MEMS麥克風(fēng)成為電池供電應用的理想選擇。它們可以放置在距離噪聲源較遠的位置，且不會(huì )侵入。當多個(gè)資產(chǎn)同時(shí)運行時(shí)，麥克風(fēng)的性能可能會(huì )受到來(lái)自其他機器的噪聲或環(huán)境因素（例如灰塵或濕度進(jìn)入麥克風(fēng)的端口孔）的影響。大多數MEMS麥克風(fēng)數據手冊仍然列出相對良性的應用，例如移動(dòng)終端、筆記本電腦、游戲設備和機等。有些MEMS麥克風(fēng)數據手冊將振動(dòng)檢測或PdM列為潛在應用，但它們也提到，易受機器沖擊和搬運不當影響的傳感器可能對產(chǎn)品造成永久損壞。其他MEMS麥克風(fēng)數據手冊表明，機械沖擊耐受力高達10,000 g。目前還不清楚這些傳感器是否適合在可能存在沖擊的嚴苛操作環(huán)境中運行。

 

MEMS超聲波麥克風(fēng)分析讓我們能夠在噪聲增大的情況下監測復雜資產(chǎn)中的電機的健康狀況，這是因為它能聽(tīng)到非音頻頻譜（20 kHz至100 kHz）內的聲音，在這個(gè)頻譜下，噪聲要少得多。低頻聲音信號的波長(cháng)一般約在1.7厘米到17米之間。高頻信號的波長(cháng)約在0.3厘米到1.6厘米之間。當波長(cháng)的頻率增加時(shí)，能量相應增加，使得超聲波更具方向性。在試圖找出軸承或外殼中的故障時(shí)，這非常有用。

 

加速度計是最常用的振動(dòng)傳感器，振動(dòng)分析是最常用的PdM技術(shù)，主要用于渦輪機、泵、電機和齒輪箱等大型旋轉設備中。表3和表4顯示在選擇高性能MEMS振動(dòng)和聲學(xué)傳感器，以及典型壓電振動(dòng)傳感器時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵規格。每一列中的數據代表該類(lèi)別的最小/最大差異值，與相鄰列無(wú)關(guān)。

 

表3. 預測性維護傳感器的性能規格

? MEMS加速度計模塊的價(jià)格可能超過(guò)30美元，但它們是完整的系統解決方案，而提到的所有其他器件都只是傳感器。

? 重點(diǎn)：最差，中等，最好

 

表4. 預測性維護傳感器的機械規格

? MEMS模塊通常包含ADC、處理器和根據傳感器調諧的濾波，以?xún)?yōu)化性能，并節省信號鏈對空間的需求

? 重點(diǎn)：最差，中等，最好

 

CbM行業(yè)有望在未來(lái)五年內實(shí)現顯著(zhù)增長(cháng)，其中很大部分增長(cháng)是受無(wú)線(xiàn)安裝推動(dòng)。由于尺寸、缺乏集成功能和功耗等原因，壓電式加速度計不太適合無(wú)線(xiàn)CbM系統，但是存在典型功耗在0.2mA至0.5 mA的解決方案。MEMS加速度計和麥克風(fēng)非常適合電池供電的PdM系統，因為它們體積小、功耗低、性能高。

 

所有傳感器都具有合適的帶寬和低噪聲，但MEMS加速度計是唯一能夠提供直流響應的傳感器，可以在非常低的轉速下檢測不平衡和傾斜。MEMS加速度計還具備自測功能，可以驗證傳感器 100%可用。這在安全關(guān)鍵型安裝中可能會(huì )很有用，因為在這些安裝中，可以通過(guò)驗證傳感器是否仍在工作來(lái)更簡(jiǎn)單地達到系統標準。

 

可以完全密封采用陶瓷封裝的MEMS加速度計和采用機械封裝的壓電式加速度計，以在嚴苛、臟污的環(huán)境中使用。表4主要列出傳感器的物理、機械和環(huán)境性能。從中可以看出每個(gè)傳感器之間的關(guān)鍵差異，例如集成、惡劣環(huán)境耐受能力、機械性能，以及連接到旋轉機器或裝置的能力。

 

在三個(gè)軸上檢測振動(dòng)數據可以提供更多診斷見(jiàn)解，實(shí)現更精準的故障檢測。雖然并非所有PdM安裝都需要如此，但這是壓電和MEMS加速度計在數據質(zhì)量、布線(xiàn)和空間節省方面的明顯優(yōu)勢。

 

當長(cháng)時(shí)間暴露在濕度增加的環(huán)境下時(shí)，MEMS麥克風(fēng)顯示出高達8dB的失真。雖然這不是一個(gè)明顯缺點(diǎn)，但如果您是在高濕度嚴苛環(huán)境下使用PdM應用，則值得考慮。在這種情況下，駐極體電容麥克風(fēng)(ECM)比MEMS麥克風(fēng)更具優(yōu)勢。其他影響麥克風(fēng)性能的環(huán)境因素還有：風(fēng)、氣壓、電磁場(chǎng)和機械震動(dòng)。

 

在良好的環(huán)境中，MEMS麥克風(fēng)在PdM應用中提供出色性能。目前，還缺乏將MEMS麥克風(fēng)安裝到存在高振動(dòng)、臟污或高濕度的嚴苛操作環(huán)境中的相關(guān)信息。振動(dòng)會(huì )影響MEMS麥克風(fēng)的性能，這是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題；但是，它們的振動(dòng)靈敏度低于ECM。如果無(wú)線(xiàn)PdM解決方案將使用MEMS麥克風(fēng)，安裝盒上需要有一個(gè)孔或端口，以便聲音信號到達傳感器，這進(jìn)一步增加了設計的復雜性，且讓其他電子元件更易臟污或受潮。

 

電容式MEMS加速度計技術(shù)的最新進(jìn)展使得小型、低成本、低功耗無(wú)線(xiàn)CbM解決方案可以用在不太重要的資產(chǎn)中，因此能夠實(shí)現更深入地診斷洞察，以便實(shí)施管理和保持關(guān)鍵系統正常運行。這些進(jìn)展也使得MEMS加速度計在用于更加傳統的有線(xiàn)CbM系統中時(shí)，性能更接近壓電式加速度計。壓電式加速度計具有如此低的噪聲和寬帶寬，加上與工業(yè)標準連接（ICP和IEPE）耦合，幾十年來(lái)一直是實(shí)施振動(dòng)測量的典型傳感器。MEMS加速度計已經(jīng)調整為可以和IEPE標準模塊連接，如圖3所示。該電路是基于一種特殊的PCB進(jìn)行設計，這種PCB可以在寬頻帶上工作，以在后期設計成一個(gè)機械模塊。

 

圖3. MEMS加速度計、IEPE參考、PCB設計允許在IEPE機械模塊中改進(jìn)ADXL100x系列CbM加速度計。注：ADI不生產(chǎn)IEPE機械模塊。

 

圖4所示的設備包含三個(gè)單軸MEMS加速度計、三個(gè)ADC、一個(gè)處理器、內存和算法，這些都集成在一個(gè)機械模塊中，共振超過(guò)50 kHz。這突出顯示了MEMS加速度計在傳感器節點(diǎn)上集成智能的能力，確保傳感器與相應的信號鏈和處理功能配對，以實(shí)現出色性能。此模塊可以執行FFT，觸發(fā)各種時(shí)域或頻域報警，并生成域靜力，這對算法或機器學(xué)習工具能否預測故障至關(guān)重要。

 

圖4. 三軸MEMS CbM模塊，集成了ADC、處理器、FFT、統計數據，以及機械封裝，諧振頻率超過(guò)50 kHz。

 

在為PdM解決方案選擇合適的振動(dòng)傳感器時(shí)，真正的挑戰在于配對傳感器，以匹配資產(chǎn)最可能出現的故障模式。目前還未能證實(shí)MEMS麥克風(fēng)足夠堅固，能夠在惡劣環(huán)境中可靠地檢測所有基于振動(dòng)的故障模式，而振動(dòng)檢測和加速計的行業(yè)標準已經(jīng)成功實(shí)施并可靠地執行了幾十年。已經(jīng)證明MEMS超聲波麥克風(fēng)能夠比加速度計更早地檢測軸承故障，這種潛在的共生關(guān)系可以為您提供理想的PdM解決方案，以滿(mǎn)足您未來(lái)對資產(chǎn)實(shí)施振動(dòng)分析的需求。

 

雖然難以推薦在PdM系統中使用哪種振動(dòng)傳感器比較好，但是可以使用已經(jīng)成功應用并不斷改進(jìn)的加速度計。ADI提供一系列MEMS加速度計，從通用、低功耗、低噪聲、高穩定性和高g，一直到智能終端節點(diǎn)模塊，如圖4所示。ADcmXL3021是一個(gè)專(zhuān)用PdM模塊解決方案示例。ADI率先推出了支持PdM的MEMS加速度計系列（20 kHz+帶寬、 25 μg/√Hz噪聲密度），且仍是少數能夠提供如此高性能的MEMS加速度計的提供商之一。ADI繼續在傳感器、信號鏈解決方案、機械模塊、平臺、機器學(xué)習算法、人工智能軟件平臺和整體系統解決方案等領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，支持在挑戰性環(huán)境中對工業(yè)旋轉機器實(shí)施預測性維護。
（來(lái)源：亞德諾半導體）