作者：Richard A. Quinnell

使用振動傳感器對機器進行狀態監測，這是工業物聯網 （IIoT）（或工業4.0）預測性維護目標的關鍵要素。這使得制造工廠能夠及早發現并解決機器問題，避免它們引發災難性故障，導致停產進行緊急維修。對于設計人員而言，若采用傳統的壓電式（PE） 振動傳感器方法，則會增加物料成本以及布線費用，且實現復雜度高，同時部署也可能會受到限制。

為了降低成本并簡化部署，設計人員可以改用電容式微機電系統 （MEMS） 傳感器。這些傳感器最近在性能方面取得了改進，不僅達到了與 PE傳感器相當的水平，同時保持了其 CMOS 器件的低成本、高集成度和工業耐受性優勢。這些改進包括集成的模數轉換器（ADC）、濾波器，甚至是用于機器學習的嵌入式構件，以確保這些器件具有良好的成本效益屬性，從而適合進行廣泛安裝。

本文將討論 MEMS 電容式加速計在振動監測應用中的優勢。然后介紹來自 Analog Devices 和STMicroelectronics的示例器件，并說明如何將它們快速部署成為廣泛的傳感器網絡，以便對工業機器進行更徹底、更具成本效益的預測性維護感測。

為什么要使用振動進行預測性維護

長期以來，振動一直是用于工業機器狀態監測、診斷和預測性維護的指標。例如，合適的傳感器經過適當的處理，可以用來檢測負載不平衡、錯位、滾珠軸承故障，以及各種振動幅度和頻率等問題；這些振動可能預示另一種故障模式正在發展（圖1）。

有用的是，目前已針對振動監測中使用的傳感器系統建立了標準。ISO 2954:2012標準《旋轉式和往復式機器的機械振動——對測量振動烈度儀器的要求》就是一個典型的例子。在此類儀器中，加速計是核心組件。但是在典型的設計中，不會直接使用傳感器的信號。

在現代系統中，振動監測的第一步是用 ADC將加速計的信號引入數字域。一旦數字化后，加速度測量對電噪聲的敏感度就會大幅降低，因而可以省去對精密模擬信號調節的需求。然后，振動監測需要對原始加速計數據進行多級濾波和預處理，以消除噪聲并提取對診斷有用的信息。

加速計信號預處理要求

首先需要對加速計信號進行高通濾波，以消除任何 DC分量，例如傳感器偏置或重力效應。然后可以用兩種方式使用濾波后的信號：一種是直接使用加速度信息，另一種是使用通過對濾波后信號進行時間積分得到的振動速度。此外，產生的速度信號還需要高通濾波，以避免在分析速度信息時需要知道系統初始速度（積分常數）（圖2）。

根據應用的不同，可以將各種分析技術應用于這些加速度和速度信號，以提取有關機器狀態的有用情報。其中一種最普遍和廣泛使用的技術是計算振動的均方根速度（RMS速度），并確定其隨時間的趨勢。隨著機器的磨損，其活動空間就會變大，進而導致振動速度增加。因此，監測 RMS速度趨勢提供了一個磨損指標，可以與預先確定的閾值進行比較，以確定是否需要維護。

此外，加速度也可以與預先確定的閾值進行比較，以檢測機器中的彎曲或破損，特別是在旋轉機器中。此類缺陷通常表現為信號中的周期性“尖峰”。加速度時間曲線中的加速度增加或不穩定趨勢也是一個磨損和損壞指標。

頻譜分析可洞察更多信息

通過使用快速傅立葉變換 （FFT）將加速度和速度數據從時域轉換到頻域，為更深入地了解機器狀態開啟了大門。例如，在旋轉機器中，與轉速相關的單頻率強信號將指示存在不平衡或軸彎曲。另一方面，一般的松動或齒輪斷裂，將產生諧波含量豐富的沖擊信號。通過低頻幅度調制的強信號是一個適合齒輪嚙合分析的強大診斷工具。

若要成功使用這些不同的診斷技術，提供源數據的加速計就需要滿足各種各樣的要求。例如，其帶寬應足夠寬，以便于捕獲對基本電機旋轉的調制以及高階諧波。同步交流電機的轉速通常為3600 轉/分鐘（rpm），直流電機的轉速范圍為 10 rpm 至 7000 rpm 或更高，因此根據機器的設計，合適的傳感器帶寬可能需要低至 0.1 赫茲（Hz） 或高至 5 至 10 千赫 （kHz）。

此外，靈敏度也很重要。根據傳感器的尺寸，可用于轉動機器狀態監測的唯一安裝點可能在外殼上，遠離機器內部的實際振動源。這個距離會使振動衰減，從而導致信號微弱。因此，傳感器的信號以及從傳感器到ADC 的路徑都需要噪聲盡可能低，以避免產生電氣干擾（例如來自電機繞組的干擾）掩蓋所需的信號。

振動監測傳感器需要具有良好的時間和溫度穩定性。當使用 RMS速度趨勢作為診斷工具時，穩定性尤其重要。加速度讀數隨時間或溫度的變化將在生成速度數據的積分過程中累積，從而影響趨勢測量結果。

除了這些性能要求外，從系統設計的角度來看，還有一些傳感器屬性也很重要。傳感器應盡可能小，以盡量增加在被監控機器上的放置選擇。為了避免傳感器的質量影響機器的振動特征，重量輕也很重要。

為了盡量減少使用昂貴、低噪聲同軸電纜將模擬傳感器連接至數字化儀的需求，許多用于工業狀態監測的加速計可與ADC、通信電路和一些可能的數字信號處理器件一起組合在一個傳感器模塊中。在這樣的模塊中，它們的小體積和低功耗提供了電池和無線操作的機會，從而進一步簡化了放置并降低了布線成本和復雜性。若將傳感器模塊總成本最小化，可提高狀態監測的成本效益，從而提供更多采用預防性維護的機會。

MEMS 加速計可應對性能、成本和集成挑戰

CMOS 設計和制造技術的進步使得MEMS 電容式加速計能夠滿足這些性能和系統設計屬性，從而適合用于廣泛的工業狀態監測應用。由于MEMS 的制造工藝與CMOS 集成電路的制造工藝兼容，因此與傳統的壓電式加速計相比，MEMS 加速計具有顯著的優勢——MEMS器件可以將完整傳感器模塊的許多功能集成到一個芯片大小的封裝中。

備注：現階段需要指出的是，壓電式傳感器在市場上仍占有一席之地，并在需要極端溫度耐受性或振動可能超過 50 g 的應用中處于主導地位。

STMicroelectronics 的 IIS3DWBTR 三軸 MEMS 加速計就是一個很好的例子（圖 3）。該器件包含三個超寬帶寬（DC 至 6kHz）加速度傳感器，以及一個 ADC、一個用戶可配置的數字濾波器鏈、一個溫度傳感器、一個 3 KB FIFO 和一個 SPI 串行接口，全部組合在一個尺寸僅為2.5 x 3 x 0.83 毫米 （mm） 的表面貼裝封裝中。它的功耗很低，工作電壓為 2.1 至 3.6 伏，完全工作時僅消耗 1.1 毫安 （mA）。5
微安 （μA） 休眠模式在檢測到活動時將自動喚醒。此外，該器件還很堅固耐用，工作溫度范圍為 -40°C 至 +105°C，并具有 10，000 g的抗沖擊性。可選的靈敏度（±2、±4、±8 或 ±16 g）能夠讓該器件適應各種應用的要求。

像 IIS3WDB 這樣的器件的出現改變了振動狀態監測的機會范圍。通過以低成本整合傳感器模塊的所有基本屬性，該器件最大限度地降低了 BOM總成本，能夠在更廣泛的應用范圍中實現兼具成本效益的監測。小尺寸和三軸感應（消除了特定方向的需求）擴展了傳感器的放置選擇，包括嵌入機器內部。數字接口允許通過簡單的接線將傳感器連接至主機處理器以進行數據采集和分析，而集成的預處理和FIFO 緩沖器則降低了與主機的通信要求。低功耗需求開啟了電池操作的大門。

MEMS 器件設計可以在集成度方面更進一步。例如，在與 IIS3WDBTR 相同的封裝尺寸中，STMicroelectronics 的ISM330DHCXTR 同時納入了用于六維度運動感應的三軸加速計和三軸陀螺儀，以及 IIS3DWBTR 中的所有功能。此外，它還包括 I2C接口、傳感器中樞、9 KB FIFO、用于數據處理的可編程有限狀態機，以及用于機器學習的核心塊，以便讓它根據獨特的安裝來調整其操作。

模塊集成數據處理功能

為了滿足要求更苛刻的應用，內置處理功能的 MEMS 傳感器模塊已經以高度緊湊的形式面世。例如，Analog Devices 的 ADIS16228CMLZ振動傳感器模塊是一款完整的三軸 ±18 g MEMS 加速計，在一個 15 x 24 x 15 mm 的外殼中集成了積分 ADC 和 512 點FFT，可用于頻域中的振動分析（圖 4）。此外，該器件還具有用于六個譜帶的可編程報警功能，能夠根據這些譜帶中的能量水平發出警告或故障檢測信號。

MEMS 技術提供了完整的傳感器系統，處理能力高達 ±50 g。例如，Analog Devices 的 ADCMXL3021BMLZ 具有 10 kHz的傳感器帶寬、220 千樣本/秒 （kSPS） ADC、數字濾波器，以及基于時間和 FFT 的用戶可配置條件報警功能。但是，即使使用全部內置處理能力，該器件在3.3 伏電壓下通常也只需 30 mA。

這些完整的振動傳感器系統模塊提供了許多用戶可配置的選項，可供選擇預處理濾波器帶寬、FFT窗函數、頻帶閾值、時間統計等屬性。用戶需要對其系統的特征和可能應用的眾多振動分析技術有深刻的理解，才能有效地使用這些選項。同樣，開發人員若想利用 IIS3DWB或 ISM330DHCX 等芯片傳感器創建自己的振動監測系統，則需要了解其目標系統的特性，并了解其處理選項。

從評估套件入手

在這種背景下，像 STMicroelectronics 的 STEVAL-STWINKT1 這樣的開發套件會是一個打造自己振動系統的好起點（圖5）。該套件模塊同時包括 IIS3DWB 和 ISM330DHCX，以及許多其他傳感器和一個帶有浮點單元的 Arm? Cortex?-M4處理器，以提供額外的處理能力。該模塊可由隨附的鋰離子電池供電，并提供內置的低功耗藍牙無線電，以及用于無線連接的 Wi-Fi擴展卡，因此非常適合作為現場安裝中的獨立狀態監測傳感器使用。

該套件配備一整套固件，可用于開發狀態監測和預測性維護應用。這包括用于時域（RMS 速度和加速度峰值）以及頻域中振動分析的中間件。這款軟件還與該公司基于Web 的 DSH-PREDMNT 預測性維護儀表板兼容，可監測傳感器數據和器件狀態。所提供的實現示例為開發人員打造自己的軟件設計提供了工作路線圖。

總結

盡管壓電式傳感器在要求極端溫度耐受性或高于 50 g 振動條件的應用中仍占據主導地位，但它們的尺寸以及對分立 ADC和預處理硬件的需求（以及相關的布線成本和復雜性），一直以來將其應用范圍限制在高價值設備監測領域。

現在設計人員可以改用 MEMS加速計，這些加速計提供了一個緊湊、經濟高效的替代方案，可簡化部署并擴展振動監測的應用范圍。再加上這些器件不斷提高的性能，MEMS加速計能夠讓設計人員隨時利用振動狀態監測的優勢，實現各種尺寸機器的預測性維護。