對(duì)于使用電動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)和齒輪的機(jī)械設(shè)備和技術(shù)系統(tǒng)，狀態(tài)監(jiān)控是當(dāng)前的核心挑戰(zhàn)之一。在最大程度地減少生產(chǎn)停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)方面，計(jì)劃維護(hù)的重要性日益突出，不僅在工業(yè)領(lǐng)域，而且在任何使用機(jī)械系統(tǒng)的地方。
本文介紹了基于ADXL1002 MEMS加速度計(jì)的高線性度，低噪聲，寬帶振動(dòng)測(cè)量解決方案。該解決方案可用于執(zhí)行軸承分析或發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控，適用于要求動(dòng)態(tài)范圍最高為50 g且頻率響應(yīng)范圍為DC至11 kHz的所有應(yīng)用。
（DC是一種在直流電路中將一個(gè)電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€(gè)電壓值的電能的裝置，其采用微電子技術(shù)，把小型表面安裝集成電路與微型電子元器件組裝成一體而構(gòu)成。）
本文還分析了機(jī)器的振動(dòng)模式。變速箱引起的振動(dòng)在頻域中反映為軸速的倍數(shù)。在不同的頻率點(diǎn)出現(xiàn)異常，例如磨損，不平衡或零件松動(dòng)。我們通常使用基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的加速度計(jì)來(lái)測(cè)量頻率。與壓電傳感器相比，它們具有更高的分辨率，出色的漂移特性和靈敏度以及更高的信噪比（SNR）。此外，它們可以檢測(cè)到幾乎接近DC范圍的極低頻振動(dòng)。
上圖中顯示了一個(gè)示例電路。ADXL1002的模擬輸出信號(hào)通過(guò)二階RC濾波器饋入逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）AD4000，后者將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值以進(jìn)一步處理該信號(hào)。
如何構(gòu)建基于MEMS的解決方案以在狀態(tài)監(jiān)視期間實(shí)施振動(dòng)檢測(cè)
ADXL1002是Analog Devices的高頻單軸MEMS加速度計(jì)，可提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳感器諧振頻率范圍的輸出信號(hào)通帶。使用此設(shè)備，還可以監(jiān)視3 dB帶寬以外的頻率。為了實(shí)現(xiàn)這種監(jiān)視，ADXL1002的輸出放大器需要支持70 kHz的小信號(hào)帶寬。使用ADXL1002的輸出放大器還可以直接驅(qū)動(dòng)高達(dá)100 pF的電容負(fù)載。為了實(shí)現(xiàn)高于100 pF的負(fù)載，需要不小于8kΩ的串聯(lián)電阻。
ADXL1002的輸出需要配備一個(gè)外部濾波器，以消除由ADXL1002的輸出放大器產(chǎn)生的混疊噪聲和其他內(nèi)部噪聲成分，例如，通過(guò)耦合內(nèi)部200 kHz時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生的噪聲。因此，需要相應(yīng)地采用濾波器帶寬。利用圖1所示的尺寸（R1=16kΩ，C1=300 pF，R2=32kΩ，C2=300 pF），在200 kHz時(shí)可獲得約84 dB的衰減。此外，所選的ADC采樣率應(yīng)高于放大器的帶寬（例如32 kHz）。
對(duì)于ADC，選擇ADXL1002的電源電壓作為其基準(zhǔn)電壓源，因?yàn)檩敵龇糯笃髋c電源電壓成正比。在此示例中，電源電壓容差和電壓溫度系數(shù)（通常連接到外部穩(wěn)壓器）位于加速度計(jì)和ADC之間，因此可以抵消與電源和參考電壓有關(guān)的隱式誤差。
頻率響應(yīng)
加速度計(jì)的頻率響應(yīng)是系統(tǒng)最重要的特性，如圖2所示。在高于約2 kHz至3 kHz的頻率下，增益會(huì)增加。對(duì)于諧振頻率（11 kHz），在輸出電壓下會(huì)產(chǎn)生大約12 dB（4倍）的最大增益值。
如何構(gòu)建基于MEMS的解決方案以在狀態(tài)監(jiān)視期間實(shí)施振動(dòng)檢測(cè)
為了顯示范圍過(guò)沖（超過(guò)范圍），ADXL1002配備了相應(yīng)的輸出（OR引腳）。當(dāng)發(fā)生重大的超范圍事件時(shí)，集成監(jiān)視器將發(fā)出警報(bào)。
機(jī)械安裝注意事項(xiàng)
應(yīng)特別注意將加速度計(jì)放置在正確的位置。加速度計(jì)應(yīng)安裝在電路板的剛性放置點(diǎn)附近，以避免電路板本身發(fā)生任何振動(dòng)以及電路板不受抑制的振動(dòng)所引起的測(cè)量誤差。這種布置可確保加速度計(jì)每次接收到的電路板振動(dòng)頻率都高于機(jī)械傳感器的共振頻率，因此加速度計(jì)實(shí)際上是看不見(jiàn)的。通過(guò)多個(gè)安裝點(diǎn)，接近傳感器和較厚的板還有助于減少系統(tǒng)共振對(duì)傳感器性能的影響。
結(jié)論
當(dāng)使用所示的電路時(shí)，構(gòu)建基于MEMS的解決方案相對(duì)容易，該解決方案可以檢測(cè)到DC范圍至11 kHz的振動(dòng)（此范圍通常是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)所必需的）。
