MEMS传感器技术使制造业能够改善预测性维护

制造商可以使用振动传感器来监控机械，预测零件故障，从而避免代价高昂的损坏和生产力损失。

被动的、可避免的设备维修是工业制造运营生产力损失的主要原因。平均售价仅为几美元的零件一旦出现故障，制造商的维修和未实现收入可能会花费许多倍。在最坏的情况下，未检测到的故障可能会级联到整个系统，造成广泛的损坏并引发重大且代价高昂的生产中断。从历史上看，制造商一直依靠预防措施来保持其生产车间的正常运行。

虽然预防性维护比事后维修有所改进，但通常需要昂贵的服务合同，并且最终确保设备持续正常运行时间的能力有限。考虑转动 200 英尺风力涡轮机叶片的转子轴承。紧急维修和现场维护是昂贵的，在这种情况下，甚至可能是危险的，因为技术人员需要在高海拔地区工作。此外，如果涡轮机连接到当地市政当局的电网，计划外停机可能会导致能源生产损失，并可能中断电力服务。

一种新的工业传感技术通过使用一种预测零件故障的预测性维护形式来帮助制造商优化其设备。虽然存在许多形式的工业传感，但振动传感可能是最有效和最有效的。根据位于加利福尼亚州卡马里奥的预测性维护产品和服务提供商 Lindsay Engineering 的一项研究，振动传感提供的投资回报率是定期更换齿轮或机油等步骤的三倍（见图 1）。

图1.旋转机械中的振动通常发生在 6 KHz 至 10 KHz 的频率下。

振动分析的优势

振动分析通常用于旋转机械，以检测可能导致振动变化的轴承松动或磨损、设备不对中或低液位。通常，这种振动发生在6 kHz和10 kHz之间的频率。其他数据也可以在更高的频率下获得，但由于响应的大小，通常很难测量，并且需要昂贵的技术，如超声波。通过测量该频率范围并监控响应变化，制造商可以在最方便的时候安排维护或关闭设备，以免零件损坏到可能导致代价更高的二次系统故障的程度。

此外，各种统计公式，如平均故障时间 （MTTF） 和平均故障间隔时间 （MTBF），可用于预测系统的使用寿命。使用这些公式以及来自系统的原始数据，客户可以直接关注潜在问题。例如，使用MTTF，您会发现某个轴承具有很高的故障程度。您可以使用振动传感器仔细监控该特定机器和轴承，以确保不会发生故障。

实现工业振动传感的两种最常见方法是使用传感器系统改造现有设备，或与定期进行设备测试的第三方服务签订合同。后一种选择可能很昂贵，定期检查不如直接在设备上安装传感器有效。系统安装方法为制造商提供了持续监控，但也存在历史局限性。

当今的大多数振动传感器通常在5 kHz带宽以下工作，这明显低于可以检测到大多数设备故障的频率。此外，传统传感器通常基于高压压电技术，需要笨重的金属罐封装，并且这些器件需要频繁校准并且不容易大批量生产。此外，它们通常处于低集成水平，需要大量的外部调节和处理才能提取有用的数据。

微机电系统方法

基于微机电系统（MEMS）的振动传感器正在成为传统传感方法的重要替代方案，因为对早期和成本更低的预测性维护替代方案的需求增加。最重要的是，任何替代解决方案都必须在更高更宽的频率范围内工作，这对于早期检测至关重要。例如，ADI公司提供宽带宽MEMS传感器产品组合（ADXL001、ADIS16220、ADIS16223和ADIS16227），具有22 kHz谐振带宽和高采样速率，非常适合机器健康应用。 它们允许系统操作员在遭受代价高昂的损坏之前很久就识别故障设备。

振动监测的复杂性，特别是捕获振动曲线的准确表示，然后正确解释数据，是高度复杂的学科。对于许多希望实施振动监测的人来说，最佳解决方案远远超出了传感器元件的范围。大部分复杂性在于数据分析，其中典型的基于时间的设备分析会产生一个复杂的波形，该波形结合了多个误差源，并且在FFT分析之前提供很少的可识别信息。

大多数基于压电陶瓷的传感器解决方案依赖于FFT的外部计算和分析。这种方法消除了实时通知的可能性，大大增加了设备开发人员的设计负担。ADI公司ADIS16227振动监测器等专用MEMS传感器解决了这种复杂性，具有嵌入式频域处理、512点实值FFT和板载存储功能，能够识别和分类各个振动源，监控其随时间的变化，并对可编程阈值电平做出反应。

该器件还包括可配置的频谱报警频段和窗口选项，允许通过配置六个频段、Alarm1（警告阈值）和 Alarm2（故障阈值）来分析全频谱，以便更早、更准确地检测问题。

为了确保准确的数据采集，人们强烈希望实现嵌入式和自主传感。在适当的集成级别（即传感器分析、存储和报警功能）下，传感器系统可以嵌入到更靠近潜在误差源的位置，从而更准确地表示机器振动，并显著降低接口复杂性，例如布线、异地分析和数据捕获调度。ADIS16227等器件是完整的数据转换和传感器处理解决方案，可通过串行外设接口（SPI）访问处理后的宽带宽传感器数据。这些器件提供对用户编程报警阈值的连续监控和中断驱动通知，以及安排（用户编程）定期唤醒和记录电源问题的操作的能力。

审核编辑：郭婷