用于工業(yè)振動(dòng)的加速度計(jì)及其模塊方案

工業(yè)4.0的浪潮正在興起。眾所周知，工業(yè)4.0有著大量的承諾，其中就包括生產(chǎn)力和安全性的指數(shù)級(jí)改進(jìn)。如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力和安全性的大幅提升呢？這其中工業(yè)條件監(jiān)測(cè)將發(fā)揮重要作用，而傳感器在其中將扮演關(guān)鍵角色。振動(dòng)是機(jī)器診斷的關(guān)鍵要素之一，已被可靠地運(yùn)用于監(jiān)控各種工業(yè)應(yīng)用中的最關(guān)鍵設(shè)備。

1 高精度的振動(dòng)加速度計(jì)

    振動(dòng)測(cè)量可以使用放置在被監(jiān)測(cè)元件附近的加速度計(jì)進(jìn)行。這種傳感器可以是壓電式，也可以是MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）類型，后者更具優(yōu)勢(shì)，不僅可以在低頻率下提供更好的響應(yīng)，而且體積小巧。

以滾珠軸承故障監(jiān)測(cè)為例，每次滾珠碰觸到開裂處或者觸碰到內(nèi)環(huán)或外環(huán)的缺陷位置，就會(huì)發(fā)生撞擊，引起振動(dòng)，甚至導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸輕微移位。撞擊發(fā)生的頻率由轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以及滾珠的數(shù)量和直徑?jīng)Q定。一旦故障出現(xiàn)，前面提到的撞擊有時(shí)候會(huì)產(chǎn)生可以聽見的聲音，即沖擊波，表現(xiàn)為低能量譜分量和相對(duì)較高的頻率，通常大于5 kHz，而且總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基本的旋轉(zhuǎn)頻率。只有低噪聲、高帶寬加速度計(jì)（例如ADI公司的ADXL100x）才能測(cè)量與首個(gè)故障信號(hào)相對(duì)應(yīng)的頻譜線。

2 測(cè)量模塊的解決方案

盡管諸如ADXL100x系列加速度計(jì)具有寬帶寬和低噪聲特點(diǎn)。但是，它們采用單軸，需要配備相關(guān)的處理電子設(shè)備。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，越來越多提供從組件到完整功能模塊產(chǎn)品。例如ADI公司提供了一套完整的解決方案，采用 ADcmXL3021型號(hào)實(shí)施三軸測(cè)量。這款3.3 V電源電壓產(chǎn)品包括3個(gè)基于ADXL1002的測(cè)量鏈、1個(gè)溫度傳感器、1個(gè)處理器和1個(gè)FIFO（先入先出）。整個(gè)裝置封裝在一個(gè)鋁殼 (23.7 mm×26.7 mm×12 mm) 內(nèi)，可以即時(shí)安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)器上。該產(chǎn)品的全尺寸為±50 g，具有僅25 μg/√Hz的極低噪聲水平和10 kHz帶寬，這些特點(diǎn)使其能夠在大量應(yīng)用中捕捉振動(dòng)特征。

信號(hào)處理模塊不僅包括一個(gè)具有32個(gè)系數(shù)的可配置FIR（有限沖擊響應(yīng)）濾波器，還包括一個(gè)每軸2 048個(gè)節(jié)點(diǎn)的FFT（快速傅里葉變換）函數(shù)，用于對(duì)振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析。再將用這種方法計(jì)算得出的頻譜的每個(gè)頻率級(jí)別與可配置的報(bào)警閾值（每軸6個(gè)）進(jìn)行對(duì)比。如果頻譜組件過于密集，就會(huì)生成警報(bào)。該產(chǎn)品還可以通過SPI（串行外設(shè)接口）與主機(jī)處理器進(jìn)行交互，提供訪問內(nèi)部寄存器以及一組用戶可配置的函數(shù)的權(quán)限，包括先進(jìn)的數(shù)學(xué)函數(shù)，例如計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大值、波峰因素和峰度（四階動(dòng)力矩，支持測(cè)量振動(dòng)的銳度）。利用這些機(jī)器健康狀況的深入見解，可以提高生產(chǎn)力和效率，最大限度地延長正常運(yùn)行時(shí)間，加速實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0。