監(jiān)控工業(yè)系統(tǒng)中的振動(dòng)可以提供有關(guān)設(shè)備健康狀況的寶貴數(shù)據(jù)，并可以節(jié)省成本的先發(fā)制人的維護(hù)，但是有許多不同的方法來(lái)構(gòu)建這樣的系統(tǒng)。可以使用簡(jiǎn)單的壓電振動(dòng)傳感器，但需要數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理來(lái)捕獲和分析數(shù)據(jù)。微機(jī)械(MEMS)傳感器在汽車安全氣囊和智能手機(jī)和平板電腦跌落傳感器等應(yīng)用中的應(yīng)用越來(lái)越受歡迎，這大大提高了成本，并開(kāi)啟了這些傳感器在工業(yè)應(yīng)用中的應(yīng)用。

這些MEMS加速度計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)制造，可以大批量生產(chǎn)，也可以與傳感器一起集成。這導(dǎo)致單封裝設(shè)備可以提供沿所有三個(gè)軸的振動(dòng)測(cè)量，以及時(shí)域和頻域中的復(fù)雜信號(hào)處理。這使設(shè)計(jì)人員能夠輕松開(kāi)發(fā)收集各種數(shù)據(jù)的傳感器系統(tǒng)，并識(shí)別許多不同類型的故障機(jī)制，提醒操作員注意各種工業(yè)設(shè)備中的潛在問(wèn)題，以便節(jié)省成本的先發(fā)制人的維護(hù)。

工業(yè)機(jī)械的大多數(shù)振動(dòng)包含低于1 kHz的頻率，但相關(guān)的信號(hào)分量通常存在于更高的頻率，這是選擇振動(dòng)傳感器的關(guān)鍵考慮因素。如果已知旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)行速度，則感興趣的最高頻率可以是運(yùn)行速度與支撐軸的軸承數(shù)量的乘積的諧波，并且圍繞這些諧波會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。然而，對(duì)于其他系統(tǒng)，故障模式的頻率可能是未知的，因此可能需要更復(fù)雜的信號(hào)分析。

設(shè)備的類型決定了應(yīng)用的高頻要求，因此決定了傳感器的選擇。提供足夠的頻率范圍，同時(shí)滿足靈敏度和幅度范圍要求。頻率范圍較低的傳感器往往具有較低的電子噪聲基底，從而增加了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于應(yīng)用而言，這個(gè)因素可能比高頻測(cè)量更重要。

高度集成的MEMS加速度傳感器的一個(gè)例子是ADI公司的ADIS16228 iSensor。這是一個(gè)完整的振動(dòng)傳感系統(tǒng)，它將三軸加速度傳感與先進(jìn)的時(shí)域和頻域信號(hào)處理相結(jié)合。時(shí)域信號(hào)處理包括可編程抽取濾波器和可選擇的窗口函數(shù)，而頻域處理包括每個(gè)軸的512點(diǎn)實(shí)值FFT，以及FFT平均，這降低了噪聲基底變化以獲得更精細(xì)的分辨率。 14個(gè)記錄的FFT存儲(chǔ)系統(tǒng)使用戶能夠跟蹤隨時(shí)間變化并使用多個(gè)抽取濾波器設(shè)置捕獲FFT。

傳統(tǒng)的維護(hù)往往是出現(xiàn)問(wèn)題了才維護(hù)，或者依靠人員定期檢查，因此往往維修成本很高。基于狀態(tài)的維護(hù)(Condition-based Maintenance)，是通過(guò)使用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的健康狀態(tài)，使得設(shè)備能夠在出故障前得到及時(shí)的維護(hù)。

常見(jiàn)的應(yīng)用比如工業(yè)設(shè)備中的渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵和馬達(dá)等。本文從電機(jī)的失效類型、傳感器的選擇出發(fā)，說(shuō)明基于狀態(tài)維護(hù)(CBM)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，希望能給大家?guī)?lái)一些關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維護(hù)(CBM)的一些啟示。

機(jī)械故障的失效類型

一般來(lái)說(shuō), 機(jī)械故障失效類型主要分為兩大類：

機(jī)械振動(dòng), 頻率在10Hz到1kHz 或2Hz到1kHz (ISO 10816)

機(jī)械磨損, 頻率在2Hz到6kHz

圖1：失效類型 vs 振動(dòng)頻率

(圖片來(lái)源：ADI為你的應(yīng)用選擇最合適的加速度傳感器)

振動(dòng)測(cè)量是目前最常見(jiàn)的方式，因?yàn)樗軌蚩煽康刂甘緳C(jī)械問(wèn)題，如不平衡以及軸承故障等問(wèn)題。傳感器參數(shù)指標(biāo)

在選擇傳感器之前，首先應(yīng)該了解電機(jī)的失效類型。對(duì)于加速度傳感器比較關(guān)鍵的參數(shù)有：噪聲密度、帶寬范圍、線性度等。傳感器的性能越好，分析能力就越強(qiáng)。

比如對(duì)于低轉(zhuǎn)速電機(jī)的不平衡問(wèn)題，可能需要低噪聲密度傳感器，但是其對(duì)于帶寬范圍要求相對(duì)比較低。而對(duì)于齒輪故障檢測(cè)，可能需要低噪聲密度和寬帶寬范圍。

通過(guò)Digi-Key提供的參數(shù)搜索功能，可以篩選出所需的傳感器，比如ADI加速度傳感器。

基于狀態(tài)的維護(hù)(CBM)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

加速度傳感器輸出主要分為模擬和數(shù)字兩種。模擬輸出的傳感器一般都會(huì)再接一個(gè)獨(dú)立ADC或者連接到有集成ADC功能的MCU，來(lái)轉(zhuǎn)化成數(shù)字輸出。因此如何有效地進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理就變得特別重要。

邊緣節(jié)點(diǎn)(Edge Node)

一般ADC或傳感器的數(shù)字輸出方式主要為SPI。這種方式往往不提供任何數(shù)據(jù)完整性檢查機(jī)制、時(shí)間戳(time stamping)以及混合來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)等功能。

因此，把傳感器數(shù)據(jù)打包到更高級(jí)別協(xié)議的邊緣節(jié)點(diǎn)中，然后再傳送，會(huì)變得非常有效。這可以使得傳感器接口更加健壯和靈活。這就要求邊緣節(jié)點(diǎn)使用合適的方式處理打包數(shù)據(jù)流。

總線選擇

一般ADC或傳感器的主要數(shù)字輸出方式為SPI。SPI是一種不平衡的單端串行接口，主要用于短距離傳輸數(shù)據(jù)。

長(zhǎng)距離有線傳輸，可以選擇使用RS-485傳輸。RS-485信號(hào)傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾, 適用于較長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸。RS-485在100米以下的傳輸距離，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到50Mbps。如果降低數(shù)據(jù)傳輸速率，傳輸距離可以延長(zhǎng)到1000米。(產(chǎn)品示例：ADI RS-485收發(fā)器)

長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸?shù)姆绞接泻芏?，比如Wi-Fi、藍(lán)牙、LoRa、zigbee等等。這里以ADI SmartMesh為例，帶大家初步了解長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸?shù)倪B接方式。

ADI SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)基于6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 802.15.4e)，基于2.4GHz頻段，具有低功耗高可靠性的特點(diǎn)。

圖2：SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)連接

(圖片來(lái)源：ADI選擇正確的加速度計(jì)以進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù))

更多的技術(shù)信息，可以參考以下資源：

ADI SmartMesh

更多ADI RF 收發(fā)器模塊

數(shù)據(jù)分析

采集完數(shù)據(jù)之后就是分析數(shù)據(jù)。目前存在多種振動(dòng)分析技術(shù)。比如使用數(shù)字濾波，用于克服流程本身或者由機(jī)器的其他組件導(dǎo)致的寄生振動(dòng)，還可以使用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行輔助，例如ADcmXL3021中包含的工具(計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、波峰因素、峰度等)。

分析可以在時(shí)域中進(jìn)行，也可以對(duì)頻率做分析。特別是頻率分析，可以提供關(guān)于異常及異常原因的信息的分析。

無(wú)論使用哪種分析方法，關(guān)鍵是要確定最佳警報(bào)閾值，以使維護(hù)操作既不會(huì)太早也不會(huì)太遲。