【導(dǎo)讀】數(shù)字化正在給工業(yè)領(lǐng)域帶來巨大變革，無論是制造業(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(shù)字網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)地采集、傳輸和分析數(shù)據(jù)，從而可為相關(guān)機(jī)構(gòu)提供比以往任何時(shí)候都更好的資產(chǎn)可視性。
在高級(jí)狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測性維護(hù)中，振動(dòng)傳感器起著至關(guān)重要的作用。本文我們將介紹不同加速度計(jì)設(shè)計(jì)的利弊。
數(shù)字化正在給工業(yè)領(lǐng)域帶來巨大變革，無論是制造業(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(shù)字網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)地采集、傳輸和分析數(shù)據(jù)，從而可為相關(guān)機(jī)構(gòu)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)域帶來巨大進(jìn)步。下面給出的一個(gè)實(shí)例是預(yù)測性維護(hù)。通過分析來自工廠車間或工作現(xiàn)場的各種機(jī)器數(shù)據(jù)，可以識(shí)別出不規(guī)則的運(yùn)行模式，從而在機(jī)器設(shè)備出現(xiàn)問題之前就事先發(fā)現(xiàn)。隨著時(shí)間的累積，這些信息可以不斷完善，能夠避免意外的停機(jī)時(shí)間，并降低維修成本，從而實(shí)現(xiàn)更高效的運(yùn)營。
但是有效的預(yù)測性維護(hù)依賴于廣泛的機(jī)械和電氣技術(shù)，通過這些技術(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(jì)，它是一種用于測量工業(yè)環(huán)境中結(jié)構(gòu)振動(dòng)的微型器件。從發(fā)展歷史上看，加速度計(jì)一直在用于監(jiān)測大型高端機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)性能。但是，隨著數(shù)字化和自動(dòng)化趨勢的加速發(fā)展，它們已越來越多地應(yīng)用于智能化預(yù)測維護(hù)，例如機(jī)床主軸、傳送帶、分揀臺(tái)和機(jī)床等數(shù)量眾多，但又較小的系統(tǒng)。
因此，對(duì)于可靠性工程師而言，必須對(duì)可用的不同類型加速度計(jì)技術(shù)特性有充分了解，這些信息有助于權(quán)衡各種類型器件的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)各種不同振動(dòng)應(yīng)用在決定采用哪種器件時(shí)做出明智的選擇。
不同類型的振動(dòng)傳感器
用于振動(dòng)測量的兩種主要加速度計(jì)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(xì)信息，根據(jù)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(jì)內(nèi)部包含壓電晶體，它們?cè)谟龅秸駝?dòng)時(shí)自身會(huì)產(chǎn)生并發(fā)出信號(hào)。大多數(shù)壓電傳感器都包含鋯鈦酸鉛陶瓷（PZT），能夠通過極化對(duì)齊偶極子并使晶體能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 PZT晶體非常適合狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用，它們可以在寬溫度和動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)工作，并且有高于 20kHz的頻率帶寬。
市場上主要有兩種壓電加速度計(jì)設(shè)計(jì)類型：壓縮模式和剪切模式。壓縮模式設(shè)計(jì)是通過將重量加載到晶體上并通過預(yù)加載力來對(duì)壓電晶體施加應(yīng)力，這種方式構(gòu)建的壓縮模式設(shè)計(jì)具有性能局限，容易受到安裝基座應(yīng)變的影響，并且具有較高的熱漂移。
另一方面，剪切模式設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)由于采用隔離的基座，并且?guī)缀醪皇軣釕?yīng)力影響，從而提高了穩(wěn)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(shè)計(jì)在狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用中更受歡迎。
現(xiàn)在讓我們?cè)u(píng)估一下可變電容（VC）傳感器的性能。這些器件通過記錄在兩個(gè)電容器極板之間地震震動(dòng)質(zhì)量（seismic mass）傳遞導(dǎo)致的電容變化來測量加速度。電容變化與施加的加速度成比例。可變電容加速度計(jì)需要將IC耦合到傳感元件，以將微小的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。但是，此轉(zhuǎn)換過程可能導(dǎo)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(gòu)建于微型微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）芯片之上。
比較測試結(jié)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(dāng)通過仔細(xì)控制的測試將它們進(jìn)行彼此比較時(shí)，它們的測量結(jié)果會(huì)如何？ TE Con??nectivity進(jìn)行的一項(xiàng)研究目的是針對(duì)這個(gè)重要問題提供一些答案。這項(xiàng)研究是通過比較壓電狀態(tài)監(jiān)測加速度計(jì)和高寬帶MEMS可變電容加速度計(jì)典型的關(guān)鍵振動(dòng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行，兩者的滿量程范圍均為±50g。
這項(xiàng)研究采用了一個(gè)高頻校準(zhǔn)振動(dòng)器（shaker），頻率范圍為5～20kHz，進(jìn)行了包括頻率響應(yīng)在內(nèi)的一系列測試。傳感器安裝牢固，可在整個(gè)測試范圍內(nèi)保持高精度，并且可接受最大±1dB幅度偏差可用帶寬。結(jié)果表明，可變電容器MEMS傳感器的可用帶寬高達(dá)3kHz，而壓電傳感器的可用帶寬超過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(shè)備進(jìn)行測試。同時(shí)也測試這些單元，以消除外部環(huán)境干擾帶來的任何誤差。此處記錄了針對(duì)四個(gè)不同帶寬設(shè)置運(yùn)行的結(jié)果，以及每種設(shè)置下的殘留噪聲：
圖1：各種帶寬下的殘留噪聲比較。
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(jù)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(jié)果顯著提高了動(dòng)態(tài)范圍，使最終用戶能夠在更早的階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題。
圖2：測量分辨率比較。
通過比較穩(wěn)定性和漂移，可以發(fā)現(xiàn)壓電傳感器在這方面表現(xiàn)出色，隨著時(shí)間的累積，壓電晶體在工業(yè)環(huán)境中已被證明非常穩(wěn)定。長期的漂移參數(shù)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(zhàn)性。TE的研究指出，PZT晶體是壓電加速度計(jì)中最常用的類型，并且是多種廣泛應(yīng)用中很受歡迎的晶體。
可變電容MEMS加速度計(jì)對(duì)于長期漂移也有多種參數(shù)限制，這取決于MEMS設(shè)計(jì)架構(gòu)。整體微加工（bulk micromachined）MEMS傳感器通常可提供最佳的長期漂移性能，但成本更高，通常僅用于慣性應(yīng)用。
為了進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，MEMS供應(yīng)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(duì)便宜一些，但在測量分辨率和長期穩(wěn)定性方面卻無法達(dá)到最佳水平。TE報(bào)告指出，“表面微加工”設(shè)計(jì)的MEMS架構(gòu)不如整體微加工MEMS傳感器穩(wěn)定。
在對(duì)工作溫度范圍進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)壓電和可變電容MEMS加速度計(jì)在狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用（-40℃～+ 125℃溫度范圍）中均表現(xiàn)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(jù)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(hào)類型。大多數(shù)預(yù)測性維護(hù)安裝都需要來自傳感器的模擬信號(hào)，因此最終用戶可以根據(jù)機(jī)器設(shè)備的類型選擇要監(jiān)測的參數(shù)。在大多數(shù)情況下，DAQ或PLC接口主導(dǎo)信號(hào)輸出，因此模擬輸出是最常見的選擇。
但是，就需要較長電纜的安裝而論，環(huán)路供電的4～20mA傳感器也是標(biāo)準(zhǔn)配置。對(duì)于實(shí)施數(shù)字工業(yè)4.0策略的智能工廠，隨著帶有板載微處理器的智能傳感器應(yīng)用越來越多，數(shù)字輸出信號(hào)也更加普遍，這些可幫助最終用戶立即做出維護(hù)決策。根據(jù)TE的研究，這些輸出信號(hào)選項(xiàng)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(xiàng)和安裝簡便性等方面，MEMS和壓電傳感器加速度計(jì)具有相似的性能。然而，由于其固有的特性，壓電傳感器能夠?yàn)殚L期穩(wěn)定性提供更可靠的選擇。嵌入式壓電加速度計(jì)具有全面的頻率響應(yīng)，從低速到高速機(jī)械設(shè)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(hào)分辨率。因此，對(duì)于工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測性維護(hù)應(yīng)用，壓電傳感器是首選技術(shù)。
（來源：EDN，作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick）
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