在高級狀態(tài)監測和預測性維護中，振動(dòng)傳感器起著(zhù)至關(guān)重要的作用。本文我們將介紹不同加速度計設計的利弊。

 

數字化正在給工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)巨大變革，無(wú)論是制造業(yè)、公用事業(yè)、采礦業(yè)還是鋼鐵業(yè)，采用基于傳感器的數字網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)時(shí)地采集、傳輸和分析數據，從而可為相關(guān)機構提供比以往任何時(shí)候都更好的資產(chǎn)可視性。

 

這種智能正在給許多關(guān)鍵領(lǐng)域帶來(lái)巨大進(jìn)步。下面給出的一個(gè)實(shí)例是預測性維護。通過(guò)分析來(lái)自工廠(chǎng)車(chē)間或工作現場(chǎng)的各種機器數據，可以識別出不規則的運行模式，從而在機器設備出現問(wèn)題之前就事先發(fā)現。隨著(zhù)時(shí)間的累積，這些信息可以不斷完善，能夠避免意外的停機時(shí)間，并降低維修成本，從而實(shí)現更高效的運營(yíng)。

 

但是有效的預測性維護依賴(lài)于廣泛的機械和電氣技術(shù)，通過(guò)這些技術(shù)的密切配合可以為工程師提供所需的信息。這其中一個(gè)重要部件是加速度計，它是一種用于測量工業(yè)環(huán)境中結構振動(dòng)的微型器件。從發(fā)展歷史上看，加速度計一直在用于監測大型高端機械設備的振動(dòng)性能。但是，隨著(zhù)數字化和自動(dòng)化趨勢的加速發(fā)展，它們已越來(lái)越多地應用于智能化預測維護，例如機床主軸、傳送帶、分揀臺和機床等數量眾多，但又較小的系統。

 

因此，對于可靠性工程師而言，必須對可用的不同類(lèi)型加速度計技術(shù)特性有充分了解，這些信息有助于權衡各種類(lèi)型器件的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對各種不同振動(dòng)應用在決定采用哪種器件時(shí)做出明智的選擇。

 

不同類(lèi)型的振動(dòng)傳感器

用于振動(dòng)測量的兩種主要加速度計為壓電（piezoelectric）和可變電容（variable capacitance）振動(dòng)傳感器，這里我們將介紹它們的更詳細信息，根據TE Connectivity最近發(fā)布的技術(shù)比較研究，我們將討論這些器件各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

 

就它們的工作原理而言，壓電（PE）加速度計內部包含壓電晶體，它們在遇到振動(dòng)時(shí)自身會(huì )產(chǎn)生并發(fā)出信號。大多數壓電傳感器都包含鋯鈦酸鉛陶瓷（PZT），能夠通過(guò)極化對齊偶極子并使晶體能夠產(chǎn)生壓電效應。 PZT晶體非常適合狀態(tài)監測應用，它們可以在寬溫度和動(dòng)態(tài)范圍內工作，并且有高于 20kHz的頻率帶寬。

 

市場(chǎng)上主要有兩種壓電加速度計設計類(lèi)型：壓縮模式和剪切模式。壓縮模式設計是通過(guò)將重量加載到晶體上并通過(guò)預加載力來(lái)對壓電晶體施加應力，這種方式構建的壓縮模式設計具有性能局限，容易受到安裝基座應變的影響，并且具有較高的熱漂移。

 

另一方面，剪切模式設計具有固定在支柱上的環(huán)形剪切晶體和環(huán)形質(zhì)量。這種設計由于采用隔離的基座，并且幾乎不受熱應力影響，從而提高了穩定性，具有比壓縮模式更好的性能。的確，這些特性使剪切模式設計在狀態(tài)監測應用中更受歡迎。

 

現在讓我們評估一下可變電容（VC）傳感器的性能。這些器件通過(guò)記錄在兩個(gè)電容器極板之間地震震動(dòng)質(zhì)量（seismic mass）傳遞導致的電容變化來(lái)測量加速度。電容變化與施加的加速度成比例?？勺冸娙菁铀俣扔嬓枰獙C耦合到傳感元件，以將微小的電容變化轉換為電壓輸出。但是，此轉換過(guò)程可能導致低信噪比和有限的動(dòng)態(tài)范圍。就主流技術(shù)而言，可變電容傳感器主要由硅晶片制成，并構建于微型微機電系統（MEMS）芯片之上。

 

比較測試結果

因此，從本質(zhì)上講，這就是兩種技術(shù)的工作方式。但是，當通過(guò)仔細控制的測試將它們進(jìn)行彼此比較時(shí)，它們的測量結果會(huì )如何？ TE Con??nectivity進(jìn)行的一項研究目的是針對這個(gè)重要問(wèn)題提供一些答案。這項研究是通過(guò)比較壓電狀態(tài)監測加速度計和高寬帶MEMS可變電容加速度計典型的關(guān)鍵振動(dòng)指標參數進(jìn)行，兩者的滿(mǎn)量程范圍均為±50g。

 

這項研究采用了一個(gè)高頻校準振動(dòng)器（shaker），頻率范圍為5～20kHz，進(jìn)行了包括頻率響應在內的一系列測試。傳感器安裝牢固，可在整個(gè)測試范圍內保持高精度，并且可接受最大±1dB幅度偏差可用帶寬。結果表明，可變電容器MEMS傳感器的可用帶寬高達3kHz，而壓電傳感器的可用帶寬超過(guò)10kHz。

 

可將樣品放置在噪聲隔離的腔室中，并使用具有微G分辨率的測量設備進(jìn)行測試。同時(shí)也測試這些單元，以消除外部環(huán)境干擾帶來(lái)的任何誤差。此處記錄了針對四個(gè)不同帶寬設置運行的結果，以及每種設置下的殘留噪聲：

測量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍是基于0.03～10kHz帶寬得出，如下圖所示。根據TE的研究，壓電傳感器的分辨率比可變電容MEMS傳感器高約9倍。這一結果顯著(zhù)提高了動(dòng)態(tài)范圍，使最終用戶(hù)能夠在更早的階段發(fā)現潛在的問(wèn)題。

 

圖2：測量分辨率比較。

 

通過(guò)比較穩定性和漂移，可以發(fā)現壓電傳感器在這方面表現出色，隨著(zhù)時(shí)間的累積，壓電晶體在工業(yè)環(huán)境中已被證明非常穩定。長(cháng)期的漂移參數與所使用晶體配方有關(guān)，因此要提供一個(gè)實(shí)際值具有很大挑戰性。TE的研究指出，PZT晶體是壓電加速度計中最常用的類(lèi)型，并且是多種廣泛應用中很受歡迎的晶體。

 

可變電容MEMS加速度計對于長(cháng)期漂移也有多種參數限制，這取決于MEMS設計架構。整體微加工（bulk micromachined）MEMS傳感器通?？商峁┳罴训拈L(cháng)期漂移性能，但成本更高，通常僅用于慣性應用。

 

為了進(jìn)行狀態(tài)監測，MEMS供應商還可提供表面微加工可變電容MEMS傳感器。這些器件價(jià)格相對便宜一些，但在測量分辨率和長(cháng)期穩定性方面卻無(wú)法達到最佳水平。TE報告指出，“表面微加工”設計的MEMS架構不如整體微加工MEMS傳感器穩定。

 

在對工作溫度范圍進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現壓電和可變電容MEMS加速度計在狀態(tài)監測應用（-40℃～+ 125℃溫度范圍）中均表現良好。在特定的極端安裝環(huán)境下，溫度越高可能需要的傳感器作用范圍越大。在這種情況下，推薦使用充電模式壓電傳感器。

 

根據安裝的特殊性和手頭的任務(wù)，可能需要選擇傳感器的輸出信號類(lèi)型。大多數預測性維護安裝都需要來(lái)自傳感器的模擬信號，因此最終用戶(hù)可以根據機器設備的類(lèi)型選擇要監測的參數。在大多數情況下，DAQ或PLC接口主導信號輸出，因此模擬輸出是最常見(jiàn)的選擇。

 

但是，就需要較長(cháng)電纜的安裝而論，環(huán)路供電的4～20mA傳感器也是標準配置。對于實(shí)施數字工業(yè)4.0策略的智能工廠(chǎng)，隨著(zhù)帶有板載微處理器的智能傳感器應用越來(lái)越多，數字輸出信號也更加普遍，這些可幫助最終用戶(hù)立即做出維護決策。根據TE的研究，這些輸出信號選項在壓電和可變電容MEMS傳感器中都可提供，因此這兩種技術(shù)都能夠提供上述功能。

 

壓電傳感器滿(mǎn)足所有要求

總之，TE的研究表明，在工作溫度、封裝靈活性、傳感器輸出選項和安裝簡(jiǎn)便性等方面，MEMS和壓電傳感器加速度計具有相似的性能。然而，由于其固有的特性，壓電傳感器能夠為長(cháng)期穩定性提供更可靠的選擇。嵌入式壓電加速度計具有全面的頻率響應，從低速到高速機械設備它都是理想的選擇，可為早期故障檢測提供更清晰的信號分辨率。因此，對于工業(yè)狀態(tài)監測和預測性維護應用，壓電傳感器是首選技術(shù)。

（來(lái)源：EDN，作者：貿澤電子Mark Patrick）