工業(yè)4.0概念大熱的今天，請別忽略工業(yè)設(shè)備的機(jī)械特性監(jiān)測

　　工業(yè)4.0或中國制造2025的話題成了中國乃至全球工業(yè)技術(shù)行業(yè)熱門詞匯，工廠中自動(dòng)化生產(chǎn)裝置越來越智能。然而，關(guān)注設(shè)備信息化智能化的同時(shí)，一些基本的要點(diǎn)依然是必須值得關(guān)注的，包括振動(dòng)、傾斜等設(shè)備基本機(jī)械特性。大部分機(jī)械設(shè)備晝夜不停的運(yùn)作，并且其機(jī)械轉(zhuǎn)速和振動(dòng)頻率較高，容易導(dǎo)致機(jī)器的磨損，部件變形，基礎(chǔ)下沉等情況。這些因素的出現(xiàn)都能從機(jī)械的振動(dòng)能量的增加體現(xiàn)出來，振動(dòng)加劇在一般情況下都是機(jī)器故障的一種標(biāo)志，所以振動(dòng)測量是機(jī)器狀態(tài)檢測的有效方式。

　　在工業(yè)制造中，機(jī)械設(shè)備的故障不僅造成生產(chǎn)能力的損失，在極端情況下還可能在平臺(tái)系統(tǒng)中引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致大面積損壞進(jìn)而生產(chǎn)停運(yùn)，更有甚者機(jī)毀人亡的工業(yè)事故。此外，許多行業(yè)按照預(yù)防性維修日程計(jì)劃更換或徹底檢修機(jī)械設(shè)備，尤其在人們無法容忍無計(jì)劃停機(jī)的應(yīng)用中。因此，許多行業(yè)經(jīng)常過早地花費(fèi)巨資改造尚有很長使用壽命的機(jī)械。將加速度計(jì)嵌入軸承或其它旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，通過檢測軸承或其它旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)，確定其工作狀況，就可以延長其使用壽命，保證機(jī)組安全運(yùn)行的同時(shí)降低機(jī)組的維修費(fèi)用，提高利用率和安全系數(shù)。

　　工業(yè)振動(dòng)監(jiān)測面臨這些挑戰(zhàn)

　　加速度計(jì)——能夠測量加速度，傾斜、沖擊以及振動(dòng)，因此在可穿戴領(lǐng)域到工業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)都有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的壓電式傳感器是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理，敏感芯體質(zhì)量受振動(dòng)加速度作用后產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號。壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點(diǎn)，是廣泛使用的振動(dòng)測量傳感器。并且其結(jié)構(gòu)簡單，取材方便，使用壽命長。如今引導(dǎo)著整個(gè)加速度計(jì)市場。

　　加速度計(jì)等級和典型應(yīng)用領(lǐng)域

　　隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，業(yè)界越來越重視減少布線和利用無線、超低功耗技術(shù)。這使得MEMS加速度計(jì)在尺寸、重量、功耗等方面領(lǐng)先于壓電加速度計(jì)，并且有可能實(shí)現(xiàn)集成智能特性。盡管工業(yè)狀態(tài)監(jiān)控中最常用的傳感器是壓電加速度計(jì)，因?yàn)檫@類傳感器具有良好的線性度、SNR、高溫工作性能和寬帶寬(典型范圍為3 Hz至30 kHz，有些情況下可能高達(dá)數(shù)百kHz)。然而，壓電加速度計(jì)在DC范圍下的性能欠佳，因此在較低頻率至DC范圍內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)大量故障，尤其是在風(fēng)力渦輪機(jī)和類似的低RPM應(yīng)用中。壓電傳感器的機(jī)械性質(zhì)使其難以像MEMS一樣實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，并且成本更高，在接口和電源方面的靈活性也比較低。

　　但是壓電式加速度計(jì)也有它的局限性，在測量低頻尤其小振幅振動(dòng)時(shí)，加速度值小，傳感器的靈敏度有限，因此輸出的信號將很微弱，信噪比很低;另外電荷的泄漏，積分電路的漂移(用于測振動(dòng)速度和位移)、器件的噪聲都是不可避免的，所以實(shí)際低頻端也出現(xiàn)“截止頻率”約為0.1～1Hz左右。并且由于壓電材料的限制，很容易受到外界因素的干擾，比如聲音、溫度等。

　　利用軸承的振動(dòng)3“特征”來確定其狀況是業(yè)界公認(rèn)且成熟的設(shè)備維護(hù)方法，但為了獲得精確結(jié)果，需要較寬的測量帶寬。MEMS加速度計(jì)被認(rèn)為是完成這種測試的理想之選，但在 ADI公司的ADXL001加速度計(jì)推出之前，加速度計(jì)和相關(guān)信號調(diào)理設(shè)備的成本非常高?，F(xiàn)在，具有寬帶寬(22 kHz) 和內(nèi)部信號調(diào)理功能的ADXL001已成為低成本軸承維護(hù)應(yīng)用的理想之選。

　　三低三軸MEMS加速度計(jì)，實(shí)現(xiàn)完美狀態(tài)監(jiān)測

　　ADI公司推出兩款低噪聲、低漂移、低功耗三軸MEMS加速度計(jì)——ADXL356和ADXL357，完美解決現(xiàn)有加速度計(jì)的所有問題，提供精準(zhǔn)的振動(dòng)測量。這兩款器件擁有2組帶有間距的過孔和用于安裝的6引腳，接頭可輕松連接到原型制作板或PCB，并且其小尺寸和板剛度對所監(jiān)控的系統(tǒng)和加速測量影響極小。在溫度范圍內(nèi)提供業(yè)界領(lǐng)先的噪聲、最小失調(diào)漂移和長期穩(wěn)定性。

　　適用于不同加速度計(jì)測試應(yīng)用的ADI主要產(chǎn)品分類

　　ADXL356和ADXL357三軸加速度計(jì)提供可選測量范圍為±10g、±20g和±40g，靈活度更高;其噪聲密度為80 μg/root Hz，處于業(yè)界領(lǐng)先水平，并且在溫度范圍內(nèi)的 0g失調(diào)漂移保證上限為0.75 mg/C，只需極少量的校準(zhǔn)工作即可實(shí)現(xiàn)精密測量。其中ADXL357體積小巧，集成度高，功耗低，僅需200 uA的電流，在狀態(tài)監(jiān)控的無線網(wǎng)絡(luò)、無人駕駛飛機(jī)等機(jī)載平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)等電池供電應(yīng)用中能夠延長電池壽命。 此外，產(chǎn)品采用密封封裝，可以確保最終產(chǎn)品出廠后重復(fù)性與穩(wěn)定性始終符合其規(guī)格參數(shù)。

　　在外界因素影響的方面，ADI公司大力研究了塑料封裝在高溫下的性能，尤其是引線框架和引腳適應(yīng)高溫焊接工藝的能力，使其在高沖擊和振動(dòng)環(huán)境中牢固可靠。在大部分競爭對手未提供在溫度超過125°C的惡劣環(huán)境中進(jìn)行工作的能力時(shí)。ADXL356和ADXL357以及包括這兩款在內(nèi)的18款加速度計(jì)都能夠在?40°C至+125°C溫度范圍內(nèi)或惡劣環(huán)境條件下(例如重工業(yè)機(jī)械和井下鉆探)工作并且保證良好的性能和精準(zhǔn)度。

　　在穩(wěn)定性方面，ADI器件提供振動(dòng)校正誤差(VRE)以及相應(yīng)的測量技術(shù)，為加速度計(jì)選擇合適的帶寬以抑制高頻振動(dòng)以及合適的包裝，讓封裝和安裝諧振頻率位于加速度計(jì)帶寬之外，實(shí)現(xiàn)了良好振動(dòng)校正性能。其中ADXL355加速度計(jì)擁有了出色的振動(dòng)校正、長期可重復(fù)性和低噪聲性能，并且尺寸很小。

　　加速度計(jì)在廣泛的工業(yè)應(yīng)潛力巨大

　　隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，業(yè)界越來越重視減少布線和利用無線、超低功耗技術(shù)。這使得MEMS加速度計(jì)在尺寸、重量、功耗等方面的領(lǐng)先優(yōu)勢，并且有可能實(shí)現(xiàn)集成智能特性，未來在工業(yè)應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。其實(shí)，三軸MEMS加速度計(jì)的出色性能顯示，加速度計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域并不僅限于在一般的工業(yè)振動(dòng)環(huán)境測試，在更廣泛的相關(guān)領(lǐng)域，如智能手術(shù)室、精密制導(dǎo)機(jī)械臂的使用、無人機(jī)探測應(yīng)用、貴重裝備位置跟蹤等等……幾乎到處都能看到MEMS加速度計(jì)的身影。