使用 MEMS 加速计快速部署传感器，实现基于 IIoT 的预测性维护

作者：Richard A. Quinnell

使用振动传感器对机器进行状态监测，这是工业物联网 （IIoT）（或工业4.0）预测性维护目标的关键要素。这使得制造工厂能够及早发现并解决机器问题，避免它们引发灾难性故障，导致停产进行紧急维修。对于设计人员而言，若采用传统的压电式（PE） 振动传感器方法，则会增加物料成本以及布线费用，且实现复杂度高，同时部署也可能会受到限制。

为了降低成本并简化部署，设计人员可以改用电容式微机电系统 （MEMS） 传感器。这些传感器最近在性能方面取得了改进，不仅达到了与 PE传感器相当的水平，同时保持了其 CMOS 器件的低成本、高集成度和工业耐受性优势。这些改进包括集成的模数转换器（ADC）、滤波器，甚至是用于机器学习的嵌入式构件，以确保这些器件具有良好的成本效益属性，从而适合进行广泛安装。

本文将讨论 MEMS 电容式加速计在振动监测应用中的优势。然后介绍来自 Analog Devices 和STMicroelectronics的示例器件，并说明如何将它们快速部署成为广泛的传感器网络，以便对工业机器进行更彻底、更具成本效益的预测性维护感测。

为什么要使用振动进行预测性维护

长期以来，振动一直是用于工业机器状态监测、诊断和预测性维护的指标。例如，合适的传感器经过适当的处理，可以用来检测负载不平衡、错位、滚珠轴承故障，以及各种振动幅度和频率等问题；这些振动可能预示另一种故障模式正在发展（图1）。

有用的是，目前已针对振动监测中使用的传感器系统建立了标准。ISO 2954:2012标准《旋转式和往复式机器的机械振动——对测量振动烈度仪器的要求》就是一个典型的例子。在此类仪器中，加速计是核心组件。但是在典型的设计中，不会直接使用传感器的信号。

在现代系统中，振动监测的第一步是用 ADC将加速计的信号引入数字域。一旦数字化后，加速度测量对电噪声的敏感度就会大幅降低，因而可以省去对精密模拟信号调节的需求。然后，振动监测需要对原始加速计数据进行多级滤波和预处理，以消除噪声并提取对诊断有用的信息。

加速计信号预处理要求

首先需要对加速计信号进行高通滤波，以消除任何 DC分量，例如传感器偏置或重力效应。然后可以用两种方式使用滤波后的信号：一种是直接使用加速度信息，另一种是使用通过对滤波后信号进行时间积分得到的振动速度。此外，产生的速度信号还需要高通滤波，以避免在分析速度信息时需要知道系统初始速度（积分常数）（图2）。

根据应用的不同，可以将各种分析技术应用于这些加速度和速度信号，以提取有关机器状态的有用情报。其中一种最普遍和广泛使用的技术是计算振动的均方根速度（RMS速度），并确定其随时间的趋势。随着机器的磨损，其活动空间就会变大，进而导致振动速度增加。因此，监测 RMS速度趋势提供了一个磨损指标，可以与预先确定的阈值进行比较，以确定是否需要维护。

此外，加速度也可以与预先确定的阈值进行比较，以检测机器中的弯曲或破损，特别是在旋转机器中。此类缺陷通常表现为信号中的周期性“尖峰”。加速度时间曲线中的加速度增加或不稳定趋势也是一个磨损和损坏指标。

频谱分析可洞察更多信息

通过使用快速傅立叶变换 （FFT）将加速度和速度数据从时域转换到频域，为更深入地了解机器状态开启了大门。例如，在旋转机器中，与转速相关的单频率强信号将指示存在不平衡或轴弯曲。另一方面，一般的松动或齿轮断裂，将产生谐波含量丰富的冲击信号。通过低频幅度调制的强信号是一个适合齿轮啮合分析的强大诊断工具。

若要成功使用这些不同的诊断技术，提供源数据的加速计就需要满足各种各样的要求。例如，其带宽应足够宽，以便于捕获对基本电机旋转的调制以及高阶谐波。同步交流电机的转速通常为3600 转/分钟（rpm），直流电机的转速范围为 10 rpm 至 7000 rpm 或更高，因此根据机器的设计，合适的传感器带宽可能需要低至 0.1 赫兹（Hz） 或高至 5 至 10 千赫 （kHz）。

此外，灵敏度也很重要。根据传感器的尺寸，可用于转动机器状态监测的唯一安装点可能在外壳上，远离机器内部的实际振动源。这个距离会使振动衰减，从而导致信号微弱。因此，传感器的信号以及从传感器到ADC 的路径都需要噪声尽可能低，以避免产生电气干扰（例如来自电机绕组的干扰）掩盖所需的信号。

振动监测传感器需要具有良好的时间和温度稳定性。当使用 RMS速度趋势作为诊断工具时，稳定性尤其重要。加速度读数随时间或温度的变化将在生成速度数据的积分过程中累积，从而影响趋势测量结果。

除了这些性能要求外，从系统设计的角度来看，还有一些传感器属性也很重要。传感器应尽可能小，以尽量增加在被监控机器上的放置选择。为了避免传感器的质量影响机器的振动特征，重量轻也很重要。

为了尽量减少使用昂贵、低噪声同轴电缆将模拟传感器连接至数字化仪的需求，许多用于工业状态监测的加速计可与ADC、通信电路和一些可能的数字信号处理器件一起组合在一个传感器模块中。在这样的模块中，它们的小体积和低功耗提供了电池和无线操作的机会，从而进一步简化了放置并降低了布线成本和复杂性。若将传感器模块总成本最小化，可提高状态监测的成本效益，从而提供更多采用预防性维护的机会。

MEMS 加速计可应对性能、成本和集成挑战

CMOS 设计和制造技术的进步使得MEMS 电容式加速计能够满足这些性能和系统设计属性，从而适合用于广泛的工业状态监测应用。由于MEMS 的制造工艺与CMOS 集成电路的制造工艺兼容，因此与传统的压电式加速计相比，MEMS 加速计具有显着的优势——MEMS器件可以将完整传感器模块的许多功能集成到一个芯片大小的封装中。

备注：现阶段需要指出的是，压电式传感器在市场上仍占有一席之地，并在需要极端温度耐受性或振动可能超过 50 g 的应用中处于主导地位。

STMicroelectronics 的 IIS3DWBTR 三轴 MEMS 加速计就是一个很好的例子（图 3）。该器件包含三个超宽带宽（DC 至 6kHz）加速度传感器，以及一个 ADC、一个用户可配置的数字滤波器链、一个温度传感器、一个 3 KB FIFO 和一个 SPI 串行接口，全部组合在一个尺寸仅为2.5 x 3 x 0.83 毫米 （mm） 的表面贴装封装中。它的功耗很低，工作电压为 2.1 至 3.6 伏，完全工作时仅消耗 1.1 毫安 （mA）。5
微安 （µA） 休眠模式在检测到活动时将自动唤醒。此外，该器件还很坚固耐用，工作温度范围为 -40°C 至 +105°C，并具有 10，000 g的抗冲击性。可选的灵敏度（±2、±4、±8 或 ±16 g）能够让该器件适应各种应用的要求。

像 IIS3WDB 这样的器件的出现改变了振动状态监测的机会范围。通过以低成本整合传感器模块的所有基本属性，该器件最大限度地降低了 BOM总成本，能够在更广泛的应用范围中实现兼具成本效益的监测。小尺寸和三轴感应（消除了特定方向的需求）扩展了传感器的放置选择，包括嵌入机器内部。数字接口允许通过简单的接线将传感器连接至主机处理器以进行数据采集和分析，而集成的预处理和FIFO 缓冲器则降低了与主机的通信要求。低功耗需求开启了电池操作的大门。

MEMS 器件设计可以在集成度方面更进一步。例如，在与 IIS3WDBTR 相同的封装尺寸中，STMicroelectronics 的ISM330DHCXTR 同时纳入了用于六维度运动感应的三轴加速计和三轴陀螺仪，以及 IIS3DWBTR 中的所有功能。此外，它还包括 I2C接口、传感器中枢、9 KB FIFO、用于数据处理的可编程有限状态机，以及用于机器学习的核心块，以便让它根据独特的安装来调整其操作。

模块集成数据处理功能

为了满足要求更苛刻的应用，内置处理功能的 MEMS 传感器模块已经以高度紧凑的形式面世。例如，Analog Devices 的 ADIS16228CMLZ振动传感器模块是一款完整的三轴 ±18 g MEMS 加速计，在一个 15 x 24 x 15 mm 的外壳中集成了积分 ADC 和 512 点FFT，可用于频域中的振动分析（图 4）。此外，该器件还具有用于六个谱带的可编程报警功能，能够根据这些谱带中的能量水平发出警告或故障检测信号。

MEMS 技术提供了完整的传感器系统，处理能力高达 ±50 g。例如，Analog Devices 的 ADCMXL3021BMLZ 具有 10 kHz的传感器带宽、220 千样本/秒 （kSPS） ADC、数字滤波器，以及基于时间和 FFT 的用户可配置条件报警功能。但是，即使使用全部内置处理能力，该器件在3.3 伏电压下通常也只需 30 mA。

这些完整的振动传感器系统模块提供了许多用户可配置的选项，可供选择预处理滤波器带宽、FFT窗函数、频带阈值、时间统计等属性。用户需要对其系统的特征和可能应用的众多振动分析技术有深刻的理解，才能有效地使用这些选项。同样，开发人员若想利用 IIS3DWB或 ISM330DHCX 等芯片传感器创建自己的振动监测系统，则需要了解其目标系统的特性，并了解其处理选项。

从评估套件入手

在这种背景下，像 STMicroelectronics 的 STEVAL-STWINKT1 这样的开发套件会是一个打造自己振动系统的好起点（图5）。该套件模块同时包括 IIS3DWB 和 ISM330DHCX，以及许多其他传感器和一个带有浮点单元的 Arm® Cortex®-M4处理器，以提供额外的处理能力。该模块可由随附的锂离子电池供电，并提供内置的低功耗蓝牙无线电，以及用于无线连接的 Wi-Fi扩展卡，因此非常适合作为现场安装中的独立状态监测传感器使用。

该套件配备一整套固件，可用于开发状态监测和预测性维护应用。这包括用于时域（RMS 速度和加速度峰值）以及频域中振动分析的中间件。这款软件还与该公司基于Web 的 DSH-PREDMNT 预测性维护仪表板兼容，可监测传感器数据和器件状态。所提供的实现示例为开发人员打造自己的软件设计提供了工作路线图。

总结

尽管压电式传感器在要求极端温度耐受性或高于 50 g 振动条件的应用中仍占据主导地位，但它们的尺寸以及对分立 ADC和预处理硬件的需求（以及相关的布线成本和复杂性），一直以来将其应用范围限制在高价值设备监测领域。

现在设计人员可以改用 MEMS加速计，这些加速计提供了一个紧凑、经济高效的替代方案，可简化部署并扩展振动监测的应用范围。再加上这些器件不断提高的性能，MEMS加速计能够让设计人员随时利用振动状态监测的优势，实现各种尺寸机器的预测性维护。