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建立MEMS解决方案於状态监测进行振动检测
 

【作者: Thomas Brand】2020年12月17日 星期四

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对於使用马达、发电机和齿轮等的机械设备和技术系统而言,状态监测是目前的核心挑战之一。在最大限度降低生产停机风险这一方面,计划性维护的重要性已经日益凸显,其不仅仅是在工业领域,甚至在任何使用机械系统的地方均是如此。除此以外,本文还分析了机器的振动模式。齿轮箱导致的振动在频域的体现为轴速的倍数。不同频率点的磨损、不平衡或松脱的部件等异常。我们通常使用基於MEMS(微机电系统)的加速度计来测量频率。与压电式感测器相比,它们具有更高的解析度、卓越的漂移特性和灵敏度,以及更高的讯号杂讯比(SNR),此外,还能检测几??接近直流范围的极低频率振动。


本文将介绍一种基於ADXL1002 MEMS加速度计的高线性、低杂讯、宽频振动测量解决方案。这种解决方案可用於实施轴承分析或引擎监测,且适用於所有需要动态范围高达+/-50 g、频率回应范围为从直流至11 kHz的应用。


图一所显示为一示例电路。来自ADXL1002的类比输出讯号透过2阶RC滤波器??送至逐次渐近暂存器(SAR)类比数为转换器(ADC)AD4000,将类比讯号转化为数位值,以进一步处理讯号。



图一 : ADXL1002的示例电路。
图一 : ADXL1002的示例电路。

ADXL1002是一个高频率单轴MEMS加速度计,提供远超过感测器谐振频率范围的输出讯号通频带。采用此元件之後,也可以监测3 dB频宽以外的频率。为了进行此种监测,ADXL1002的输出放大器需要支援70 kHz小讯号频宽。使用ADXL1002的输出放大器也可以直接驱动实现高达100 pF的容性负载。要实现高於100 pF的负载,需要使用不低於8 kΩ的串联电阻。


ADXL1002的输出端需要配备外部滤波器,以消除ADXL1002的输出放大器和其他内部杂讯元件产生的混叠杂讯,例如,耦合内部200 kHz时脉讯号产生的杂讯。因此,需要相应采用滤波器频宽。采用图一所示的尺寸时,在200 kHz时会实现约84 dB衰减。此外,选择的ADC采样速率应该高於放大器的频宽(例如32 kHz)。


对於ADC,选择ADXL1002的电源电压作为其基准电压源,这是因为输出放大器与电源电压成比率关系。在本示例中,电源电压的容差和电压温度系数(一般连接至外部稳压器)介於加速度计和ADC之间,因此,可以抵消与电源和基准电压相关的隐含误差。


频率响应


加速度计的频率响应是该系统最重要的特性,具体如图2所示。在频率高出约2 kHz至3 kHz时,增益增加。对於谐振频率(11 kHz),在输出电压下产生约12 dB(因数为4)的最大增益值。



图二 : ADXL1002的频率回应。
图二 : ADXL1002的频率回应。

为了显示量程过冲(超量程),ADXL1002配备了一个对应的输出(OR针脚)。发生明显的超量程事件时,内建的监测器便会发出警报。


机械安装注意事项

应特别注意将加速度计放置在正确的位置。加速度计应安装在靠近板的刚性安置点的位置,避免电路板本身产生任何振动,以及因为电路板振动未受抑制而导致的测量误差。这种放置可以确保加速度计每次受到的电路板振动的频率都高於机械感测器的谐振频率,因此实际上对加速度计是不可见的。多个安装点时,接近感测器和较厚的板也有助於降低系统谐振对感测器性能的影响。


结论

采用图1所示的电路时,可以相对容易地构建基於MEMS的解决方案,该方案可以检测直流范围到11 kHz的振动(旋转机器的状态监控通常要求采用这一个范围)。


(本文作者Thomas Brand为ADI现场应用工程师)


叁考资料


[1]电路笔记CN-0303:带频率回应补偿的MEMS振动分析仪。ADI,2016年9月。


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