MEMS振動監(jiān)控：從加速度到速度

簡介

MEMS加速度計終于達(dá)到了能夠測量廣泛機(jī)器平臺振動的階段。其最近的能力進(jìn)步，加上MEMS加速度計已有的相對于傳統(tǒng)振動傳感器的諸多優(yōu)勢（尺寸、重量、成本、抗沖擊性、易用性），促使一類新興的狀態(tài)監(jiān)控(CBM)系統(tǒng)開始使用MEMS加速度計。結(jié)果，許多CBM系統(tǒng)架構(gòu)師、開發(fā)者甚至其客戶首次考慮使用此類傳感器。他們面臨的問題常常是如何快速了解評估MEMS加速度計功能的方法，以便在其機(jī)器平臺上測量最重要的振動特性。這初看起來似乎很困難，因?yàn)镸EMS加速度計數(shù)據(jù)手冊表述最重要性能特性的方式常常不是開發(fā)人員所熟悉的。例如，許多人熟悉用線速度(mm/s)來量化振動，但大多數(shù)MEMS加速度計數(shù)據(jù)手冊是用基于重力的加速度(g)來表達(dá)其性能指標(biāo)。幸運(yùn)的是，有一些簡單的技術(shù)可用來將加速度轉(zhuǎn)換為速度，以及估計加速度計關(guān)鍵特性（頻率響應(yīng)、測量范圍、噪聲密度）對重要系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)（帶寬、平坦度、峰值振動、分辨率）的影響。

基本振動特性

先從慣性運(yùn)動角度考察線性振動。在此背景下，振動是平均位移為零的機(jī)械振蕩。對于那些不希望其機(jī)器穿越整個車間的人來說，零平均位移非常重要！振動檢測節(jié)點(diǎn)中核心傳感器的價值與它反映機(jī)器振動最重要特性的能力高低直接相關(guān)。要評估特定MEMS加速度計在這方面的能力，首先必須從慣性運(yùn)動角度對振動有一個基本了解。圖1是振動情況的物理示意圖，灰色部分表示中點(diǎn)，藍(lán)色部分表示一個方向的峰值位移，紅色部分表示另一方向的峰值位移。等式1提供了一個描述矩形物體瞬時加速度的數(shù)學(xué)模型，其振動頻率為(fV)，幅度為Arms。

圖1.簡單線性振動

在大部分CBM應(yīng)用中，機(jī)器平臺的振動常常有比等式1所示模型更復(fù)雜的頻譜特征，但此模型為學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)之旅提供了一個很好的出發(fā)點(diǎn)，因?yàn)樗o出了CBM系統(tǒng)常常會跟蹤的兩個常見振動特性：幅度和頻率。此方法對關(guān)鍵特性到線性速度項(xiàng)的轉(zhuǎn)換也很有用（稍后將有更多說明）。圖2提供了兩類不同振動模式的頻譜視圖。第一類（參見圖2中的藍(lán)線）在其頻率范圍（f1到f6）內(nèi)具有恒定幅度。第二類（參見圖2中的紅線）在四個不同頻率處出現(xiàn)了峰值幅度：f2, f3, f4, 和 f5.

圖2.CM振動模式示例

系統(tǒng)要求

測量范圍、頻率范圍（帶寬）和分辨率是用來量化振動檢測節(jié)點(diǎn)能力的三個常見特性。圖2通過虛線矩形框顯示了這些特性，其邊界分別對應(yīng)最低頻率(fMIN)、最高頻率(fMAX)、最小幅度(AMIN)和最大幅度(AMAX)。當(dāng)考慮將MEMS加速度計用作振動檢測節(jié)點(diǎn)中的核心傳感器時，系統(tǒng)架構(gòu)師很可能想在設(shè)計早期分析其頻率響應(yīng)、測量范圍和噪聲行為。有一些簡單的技術(shù)可用來評估加速度計的各種特性，進(jìn)而預(yù)判其是否滿足指定的一組要求。很顯然，系統(tǒng)架構(gòu)師最終必須通過實(shí)際驗(yàn)證和鑒定來核驗(yàn)上述估計，但由對加速度計能力的早期分析和預(yù)測所得來的期望對這些工作是有價值的。...............

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