在自動化程度提高的推動下，對大批量、小型系統(tǒng)的需求不斷增長，例如需要更好的預(yù)測性維護的機器主軸、傳送帶、分揀臺或機床。
這些應(yīng)用中的機器停機時間是客戶體驗和盈利能力的關(guān)鍵考慮因素。過去，加速度計主要用于重型高端機械的狀態(tài)監(jiān)測，例如風(fēng)車、工業(yè)泵、壓縮機和暖通空調(diào)系統(tǒng)。然而，在數(shù)字工業(yè)轉(zhuǎn)型的推動下，我們看到對大批量和小型機械的需求不斷增加。本白皮書將比較工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測中加速度計的不同技術(shù)。
對于工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測性維護應(yīng)用，以下振動規(guī)格參數(shù)被認為對于確保長期、可靠、穩(wěn)定和準確的性能至關(guān)重要。
? 寬頻率響應(yīng)
? 測量分辨率和動態(tài)范圍
? 長期穩(wěn)定性和最小漂移
? 工作溫度范圍
? 封裝選項和易于安裝
? 傳感器輸出選項
為了檢測機械所有可能的故障模式，加速度計的頻率響應(yīng)應(yīng)為用于軸承監(jiān)測的軸RPM（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）的40至50倍。對于風(fēng)扇和齒輪箱，加速度計的最小上限應(yīng)為葉片通過頻率的4至5倍。頻率下限不太重要，具體取決于機械；很少需要 <2Hz 的頻率。
振動傳感器的測量分辨率是輸出信號幅度與板載電子設(shè)備寬帶噪聲的函數(shù)。具有卓越信號輸出的加速度計可以測量機械中較小的振動水平。測量較低振動幅度的能力使最終用戶能夠比具有較低動態(tài)范圍的傳感器更早地預(yù)測故障。
還有其他因素會影響測量分辨率，例如環(huán)境條件、EMI/RFI（電磁和射頻）干擾、DAQ（定義數(shù)據(jù)采集）接口和電纜長度，因此選擇安裝時需要考慮所有因素。
作為一般規(guī)則，輸出信號應(yīng)比傳感器噪聲水平高 10 倍，輸出才能成為可靠的測量結(jié)果。
測量分辨率的簡單方程如下：
分辨率 (g's) = 寬帶噪聲 (V) / 傳感器靈敏度 (V/g)
長期漂移是靈敏度和/或零輸出測量的變化（零輸出漂移僅適用于 MEMS 傳感器）。隨著時間的推移，加速度計靈敏度的變化可能會在監(jiān)控應(yīng)用中觸發(fā)誤報。零輸出測量的偏移也會產(chǎn)生相同的效果，可能導(dǎo)致誤報指示。由于壓電傳感器沒有直流響應(yīng)，因此它們不易受到零漂移的影響，僅受到靈敏度漂移的影響。 MEMS VC 傳感器隨著時間的推移可能會出現(xiàn)零漂移和靈敏度漂移。
在下一節(jié)中，我們將回顧為狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用提供的兩種不同類型的技術(shù)。
壓電 (PE) 加速度計采用自發(fā)電壓電晶體，并在受到外部激勵（例如振動機械）壓力時提供信號。
大多數(shù)壓電傳感器都基于鋯鈦酸鉛陶瓷 (PZT)，該陶瓷通過極化來對齊偶極子并使晶體壓電。 PZT 晶體非常適合狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用，因為它們具有寬溫度范圍、寬動態(tài)范圍和寬頻率帶寬（可用至 >20kHz）。
基本上有兩種主要類型的 PE 加速度計設(shè)計可用：壓縮模式和剪切模式（彎曲模式是很少使用的替代方案）。
壓縮模式設(shè)計是通過在晶體頂部加載質(zhì)量并施加預(yù)緊力來對壓電晶體施加壓縮應(yīng)力來組裝的。由于性能限制，這些設(shè)計已經(jīng)過時并且越來越不受歡迎。該結(jié)構(gòu)容易受到安裝基座應(yīng)變的影響，并且具有較高的熱漂移。
剪切模式設(shè)計通常具有環(huán)形剪切晶體和固定在支撐柱上的環(huán)形質(zhì)量。與壓縮模式設(shè)計相比，該設(shè)計具有卓越的性能，因為它是底座隔離的，并且更不易受到熱應(yīng)力的影響，從而確保了更高的穩(wěn)定性。目前提供的大多數(shù)狀態(tài)監(jiān)測加速度計設(shè)計都是剪切模式，應(yīng)該成為大多數(shù)狀態(tài)監(jiān)測安裝的設(shè)計選擇。
壓縮模式 剪切模式
可變電容 (VC) 傳感器根據(jù)在兩個平行電容器板之間移動的地震質(zhì)量的電容變化來獲取加速度測量值。電容的變化與施加的加速度成正比。 VC 加速度計需要 IC 與傳感元件緊密耦合，以將非常小的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。這種轉(zhuǎn)換過程通常會導(dǎo)致信噪比較差和動態(tài)范圍有限
VC 傳感器通常由硅晶圓制成，并被制成微型 MEMS（微機電系統(tǒng)）芯片。
頻率響應(yīng)表
對于工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測性維護應(yīng)用，以下振動規(guī)格參數(shù)被認為對于確保長期可靠、穩(wěn)定和準確的性能至關(guān)重要。
? 寬頻率響應(yīng)
? 測量分辨率和動態(tài)范圍
? 長期穩(wěn)定性和最小漂移
? 工作溫度范圍
? 封裝選項和易于安裝
? 傳感器輸出選項
在以下段落中，對典型壓電狀態(tài)監(jiān)測加速度計和同樣用于狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用的寬帶寬 MEMS 可變電容加速度計的這些關(guān)鍵性能規(guī)格進行了比較。兩個加速度計的 FS（滿量程）范圍均為 ±50g。
兩個加速度計的頻率響應(yīng)在 SPEKTRA GmbH CS18 HF 高頻校準振動臺上進行測試，范圍為 5Hz 至 20KHz。傳感器安裝牢固，以確保在整個測試范圍內(nèi)獲得準確的結(jié)果。對每種技術(shù)（PE 和 MEMS VC）的三個傳感器進行了測試，以確保結(jié)果一致。
測試結(jié)果如下所示。盡管通常使用更嚴格的 ±5% 偏差作為帶寬容差，但假定最大 ±1dB 幅度偏差為可用帶寬。數(shù)據(jù)表明，VC MEMS 傳感器的可用帶寬高達 3KHz，而壓電傳感器的可用帶寬 >10KHz（該特定 PE 傳感器符合高達 14KHz 的規(guī)格）。
值得注意的是，PE 傳感器的低頻截止頻率為 2Hz，而 MEMS 傳感器的響應(yīng)低至 0Hz，因為它是直流響應(yīng)器件
為了確定壓電和 VC MEMS 傳感器的測量分辨率和動態(tài)范圍，我們在噪聲隔離室中對樣品進行了測試，并配備了具有微克測量分辨率的最先進的測量設(shè)備。這些裝置安裝在同一房間內(nèi)并同時進行測試，以消除外界環(huán)境干擾造成的誤差。
測量在四種不同的帶寬設(shè)置下進行，并在每種設(shè)置下測量殘余噪聲。結(jié)果詳細見下表
| 模型 | 0.03-300Hz μV-rms | 0.03-1KHz μV-rms | 0.03-3KHz μV-rms | 0.03-10KHz μV-rms |
| PE #1 | 27.2 | 30.8 | 39.5 | 57.6 |
| PE #2 | 25.1 | 31.7 | 38.6 | 56.3 |
| MEMS #1 | 377.6 | 405.2 | 412.7 | 498.2 |
| MEMS #2 | 415.7 | 430.2 | 453.9 | 532.1 |
測量分辨率和動態(tài)范圍是基于0.03-10KHz帶寬計算的，詳細信息如下。 PE 傳感器的分辨率比 VC MEMS 傳感器高約 9 倍。這帶來了顯著更好的動態(tài)范圍，使最終用戶能夠在更早的階段檢測到潛在的問題。
| 分辨率 | 殘留噪音 | 頻譜噪聲 | 動態(tài)范圍 | 分辨率 | |
| 模型 | mg-rms | μV-rms | μg-rms/√Hz | dB | bit |
| PE #1 | 1.4 | 57.6 | 14.4 | 88 | 14.6 |
| PE #2 | 1.4 | 56.3 | 14.1 | 88 | 14.6 |
| MEMS #1 | 12.5 | 498.2 | 124.6 | 69 | 11.5 |
| MEMS #2 | 13.3 | 532.1 | 133.0 | 68 | 11.4 |
PE 傳感器的長期穩(wěn)定性在 30 多年的現(xiàn)場安裝中眾所周知。壓電晶體本質(zhì)上是穩(wěn)定的，并且隨著時間的推移顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性。長期漂移參數(shù)還取決于所使用的晶體配方，因此很難給出實際值。石英在所有 PE 加速度計中具有最佳的長期穩(wěn)定性，但由于產(chǎn)量和成本有限，很少用于狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用。 PZT（鋯鈦酸鉛）晶體是 PE 加速度計中最常用的晶體，并且越來越成為大多數(shù)應(yīng)用的晶體選擇。
根據(jù) MEMS 設(shè)計結(jié)構(gòu)，可變電容 MEMS 加速度計還具有長期漂移的寬規(guī)格限制。塊狀微機械 MEMS 傳感器將具有最佳的長期漂移，但也將更加昂貴，并且通常僅用于慣性應(yīng)用。對于狀態(tài)監(jiān)測，MEMS 供應(yīng)商提供表面微機械加工的 VC MEMS 傳感器，這種傳感器價格便宜得多，但最終用戶將犧牲測量分辨率和長期穩(wěn)定性。表面微機械設(shè)計的 MEMS 結(jié)構(gòu)不如體微機械 MEMS 傳感器穩(wěn)定。
PE 和 VC MEMS 加速度計的工作溫度范圍相當(dāng)，均適用于狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用的典型環(huán)境（-40°C 至 +125°C）。在某些極端安裝中，可能需要更高溫度范圍的傳感器，其中推薦選擇充電模式壓電傳感器。充電模式 PE 加速度計不包括板載電荷轉(zhuǎn)換器電路，可用于超過 +700°C 的溫度。
對于小型機械的嵌入式狀態(tài)監(jiān)測安裝，尺寸和安裝選項可能成為選擇加速度計的重要因素。較大的機械通常使用外部TO-5 螺柱安裝加速度計，但對于具有較小軸承和旋轉(zhuǎn)軸的機械，則需要使用嵌入式或微型加速度計。
大多數(shù) VC MEMS 加速度計均采用SMT 安裝封裝，非常適合大批量 PCBA 組裝。 VC MEMS 傳感器還采用非常小的封裝，從而提供更多封裝選擇。
PE 加速度計有多種配置。提供 SMT 安裝版本，與 VC MEMS 類似，但 SMT 封裝的尺寸通常大于 VC MEMS 設(shè)計。 PE 加速度計還采用堅固的 TO-5 罐封裝，帶有不銹鋼外殼。這些設(shè)計允許直接安裝到軸承箱或嵌入式安裝。下圖展示了 PE 傳感器提供的一些選項。
根據(jù)安裝和應(yīng)用，可能需要選擇傳感器輸出信號選項。當(dāng)前大多數(shù)預(yù)測性維護裝置都需要來自傳感器的模擬信號，以便最終用戶可以決定監(jiān)控特定機械的哪些參數(shù)。通常，信號輸出由 DAQ 或 PLC 接口驅(qū)動，模擬輸出（±2V 或 ±5V）是最常見的選擇。然而，對于需要長電纜的安裝，回路供電的 4-20mA 傳感器也很常見。對于未來的數(shù)字工廠和工業(yè) 4.0，對數(shù)字輸出信號的需求將變得更加普遍，帶有板載微處理器的智能傳感器也將變得更加普遍，可以為最終用戶立即做出維護決策。
這些輸出信號選項將在 PE 和 VC MEMS 傳感器中提供。兩種技術(shù)都有能力提供這些功能。
前面段落中討論的全部或部分性能參數(shù)將幫助客戶對為狀態(tài)監(jiān)測裝置選擇的技術(shù)做出明智的決定。下表提供了快速摘要。
| 關(guān)鍵參數(shù) | 壓電式 | 微機電系統(tǒng)VC |
| 寬頻率響應(yīng) | X | |
| 長期信號穩(wěn)定性 | X | |
| 動態(tài)范圍 | X | |
| 工作溫度范圍 | X | X |
| 包裝選項 | X | X |
| 易于安裝 | X | X |
| 傳感器輸出選項 | X | X |
比較 MEMS 和 PE 加速度計，我們看到了不同的技術(shù)特征。這兩種技術(shù)各有優(yōu)勢，具體取決于最終應(yīng)用。在我們的工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測性維護應(yīng)用中，壓電傳感器是顯而易見的選擇，由于其成熟的技術(shù)，它們可以保持可靠的長期穩(wěn)定性。憑借其寬頻率響應(yīng)，嵌入式 PE 加速度計是從低速到高速機械的理想選擇，它們還為早期故障檢測提供更好的信號分辨率。
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