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建立MEMS解決方案於狀態監測進行振動檢測
 

【作者: Thomas Brand】   2020年12月17日 星期四

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對於使用馬達、發電機和齒輪等的機械設備和技術系統而言,狀態監測是目前的核心挑戰之一。在最大限度降低生產停機風險這一方面,計劃性維護的重要性已經日益凸顯,其不僅僅是在工業領域,甚至在任何使用機械系統的地方均是如此。除此以外,本文還分析了機器的振動模式。齒輪箱導致的振動在頻域的體現為軸速的倍數。不同頻率點的磨損、不平衡或鬆脫的部件等異常。我們通常使用基於MEMS(微機電系統)的加速度計來測量頻率。與壓電式感測器相比,它們具有更高的解析度、卓越的漂移特性和靈敏度,以及更高的訊號雜訊比(SNR),此外,還能檢測幾乎接近直流範圍的極低頻率振動。


本文將介紹一種基於ADXL1002 MEMS加速度計的高線性、低雜訊、寬頻振動測量解決方案。這種解決方案可用於實施軸承分析或引擎監測,且適用於所有需要動態範圍高達+/-50 g、頻率回應範圍為從直流至11 kHz的應用。


圖一所顯示為一示例電路。來自ADXL1002的類比輸出訊號透過2階RC濾波器饋送至逐次漸近暫存器(SAR)類比數為轉換器(ADC)AD4000,將類比訊號轉化為數位值,以進一步處理訊號。



圖一 : ADXL1002的示例電路。
圖一 : ADXL1002的示例電路。

ADXL1002是一個高頻率單軸MEMS加速度計,提供遠超過感測器諧振頻率範圍的輸出訊號通頻帶。採用此元件之後,也可以監測3 dB頻寬以外的頻率。為了進行此種監測,ADXL1002的輸出放大器需要支援70 kHz小訊號頻寬。使用ADXL1002的輸出放大器也可以直接驅動實現高達100 pF的容性負載。要實現高於100 pF的負載,需要使用不低於8 kΩ的串聯電阻。


ADXL1002的輸出端需要配備外部濾波器,以消除ADXL1002的輸出放大器和其他內部雜訊元件產生的混疊雜訊,例如,耦合內部200 kHz時脈訊號產生的雜訊。因此,需要相應採用濾波器頻寬。採用圖一所示的尺寸時,在200 kHz時會實現約84 dB衰減。此外,選擇的ADC採樣速率應該高於放大器的頻寬(例如32 kHz)。


對於ADC,選擇ADXL1002的電源電壓作為其基準電壓源,這是因為輸出放大器與電源電壓成比率關係。在本示例中,電源電壓的容差和電壓溫度係數(一般連接至外部穩壓器)介於加速度計和ADC之間,因此,可以抵消與電源和基準電壓相關的隱含誤差。


頻率響應


加速度計的頻率響應是該系統最重要的特性,具體如圖2所示。在頻率高出約2 kHz至3 kHz時,增益增加。對於諧振頻率(11 kHz),在輸出電壓下產生約12 dB(因數為4)的最大增益值。



圖二 : ADXL1002的頻率回應。
圖二 : ADXL1002的頻率回應。

為了顯示量程過衝(超量程),ADXL1002配備了一個對應的輸出(OR針腳)。發生明顯的超量程事件時,內建的監測器便會發出警報。


機械安裝注意事項

應特別注意將加速度計放置在正確的位置。加速度計應安裝在靠近板的剛性安置點的位置,避免電路板本身產生任何振動,以及因為電路板振動未受抑制而導致的測量誤差。這種放置可以確保加速度計每次受到的電路板振動的頻率都高於機械感測器的諧振頻率,因此實際上對加速度計是不可見的。多個安裝點時,接近感測器和較厚的板也有助於降低系統諧振對感測器性能的影響。


結論

採用圖1所示的電路時,可以相對容易地構建基於MEMS的解決方案,該方案可以檢測直流範圍到11 kHz的振動(旋轉機器的狀態監控通常要求採用這一個範圍)。


(本文作者Thomas Brand為ADI現場應用工程師)


參考資料


[1]電路筆記CN-0303:帶頻率回應補償的MEMS振動分析儀。ADI,2016年9月。


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