如何構(gòu)建基于MEMS的解決方案用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的振動(dòng)檢測(cè)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)是當(dāng)今使用機(jī)械設(shè)施和技術(shù)系統(tǒng)（例如使用電機(jī)、發(fā)電機(jī)和齒輪）的核心挑戰(zhàn)之一。計(jì)劃維護(hù)對(duì)于最大限度地降低生產(chǎn)停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)變得越來(lái)越重要，不僅在工業(yè)領(lǐng)域，而且在使用機(jī)器的任何地方。除此之外，還分析了機(jī)器的振動(dòng)模式。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)是當(dāng)今使用機(jī)械設(shè)施和技術(shù)系統(tǒng)（例如使用電機(jī)、發(fā)電機(jī)和齒輪）的核心挑戰(zhàn)之一。計(jì)劃維護(hù)對(duì)于最大限度地降低生產(chǎn)停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)變得越來(lái)越重要，不僅在工業(yè)領(lǐng)域，而且在使用機(jī)器的任何地方。除此之外，還分析了機(jī)器的振動(dòng)模式。齒輪箱引起的振動(dòng)通常在頻域中被感知為軸速度的倍數(shù)。不同頻率的不規(guī)則性表明零件磨損、不平衡或松動(dòng)?；?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/MEMS">MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的加速度計(jì)通常用于測(cè)量頻率。與壓電傳感器相比，它們具有更高的分辨率、出色的漂移和靈敏度特性以及更好的信噪比（SNR）。它們還可以檢測(cè)接近直流范圍的低頻振動(dòng)。

本文展示了一種基于ADXL1002 MEMS加速度計(jì)的高線(xiàn)性、低噪聲、寬帶振動(dòng)測(cè)量解決方案。該解決方案可用于軸承分析或發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控，以及需要高達(dá) ±50 g 的大動(dòng)態(tài)范圍和從直流到 11 kHz 的頻率響應(yīng)的所有應(yīng)用。

圖1所示為示例電路。來(lái)自ADXL1002的模擬輸出信號(hào)通過(guò)2極點(diǎn)RC濾波器饋送到逐次逼近寄存器（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)行進(jìn)一步的信號(hào)處理。

圖1.ADXL1002的示例電路

ADXL1002是一款高頻、單軸MEMS加速度計(jì)，可提供超出傳感器諧振頻率范圍的輸出信號(hào)通帶。這是需要的，以便也可以觀察到3 dB帶寬之外的頻率。為此，ADXL1002的輸出放大器支持70 kHz的小信號(hào)帶寬。ADXL100的輸出放大器也可以直接驅(qū)動(dòng)高達(dá)1002 pF的容性負(fù)載。對(duì)于大于100 pF的負(fù)載，應(yīng)使用8 kΩ≥串聯(lián)電阻。

ADXL1002輸出端需要外部濾波器來(lái)消除輸出放大器和ADXL1002其他內(nèi)部噪聲組件的混疊噪聲，例如，通過(guò)內(nèi)部200 kHz時(shí)鐘信號(hào)耦合產(chǎn)生的混疊噪聲。因此，應(yīng)相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)濾波器帶寬。使用圖1所示的尺寸（R1 = 16 kΩ，C1 = 300 pF，R2 = 32 kΩ和C2 = 300 pF），在84 kHz時(shí)衰減約200 dB。此外，所選ADC采樣速率應(yīng)高于放大器帶寬（例如32 kHz）。

對(duì)于ADC，應(yīng)選擇ADXL1002電源電壓作為基準(zhǔn)電壓源，因?yàn)檩敵龇糯笃髋c電源電壓成比例關(guān)系。在這種情況下，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）在加速度計(jì)和ADC之間運(yùn)行，從而抵消與電源和基準(zhǔn)電壓相關(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。增益在高于約2 kHz至3 kHz的頻率時(shí)增加。對(duì)于諧振頻率（11 kHz），輸出電壓增益峰值約為12 dB（系數(shù)為4）。

圖2.ADXL1002的頻率響應(yīng)

為了顯示測(cè)量范圍過(guò)沖（overrange），ADXL1002具有相應(yīng)的輸出（OR引腳）。集成監(jiān)視器在發(fā)生重大超量程事件時(shí)發(fā)出警告。

關(guān)于安裝的機(jī)械注意事項(xiàng)

應(yīng)特別注意正確放置加速度計(jì)。它應(yīng)該安裝在靠近電路板上的剛性安裝點(diǎn)附近，以避免電路板本身的任何振動(dòng)，從而避免由于未阻尼電路板振動(dòng)而導(dǎo)致的測(cè)量誤差.該位置可確保加速度計(jì)上的每個(gè)電路板振動(dòng)都高于機(jī)械傳感器諧振頻率，因此加速度計(jì)幾乎不可見(jiàn)?？拷鼈鞲衅鞯亩鄠€(gè)安裝點(diǎn)和較厚的電路板也有助于降低系統(tǒng)諧振對(duì)傳感器性能的影響。

結(jié)論

利用圖1所示電路，可以相對(duì)容易地構(gòu)建基于MEMS的解決方案，用于檢測(cè)從直流范圍到11 kHz的振動(dòng)，這是旋轉(zhuǎn)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)中經(jīng)常需要的。（作者：Thomas Brand）