如何建立基於MEMS的解決方案,以在狀態監控期間實施振動檢測

對於使用電機、發電機和齒輪等的機械設備和技術系統，狀態監控是當前的核心挑戰之一。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日益凸顯，不僅是在工業領域，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。與壓電式傳感器相比，它們具有更高的解析度、出色的漂移特性和靈敏度，以及更高的信噪比(SNR)，此外，還能檢測幾乎接近直流範圍的極低頻率振動。a2Lednc

本文介紹一種基於ADXL1002 MEMS加速度計的高線性、低噪聲、寬帶振動測量解決方案。這種解決方案可用於實施軸承分析或發動機監測，且適用於所有需要動態範圍高達±50 g、頻率響應範圍為從直流至11 kHz的應用。a2Lednc

圖1顯示的是一個示例電路。來自ADXL1002的模擬輸出信號通過2階RC濾波器饋送至逐次逼近寄存器(SAR)模數轉換器(ADC) AD4000，將模擬信號轉化為數字值，以進一步處理信號。a2Lednc

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圖1.ADXL1002的示例電路a2Lednc

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ADXL1002是ADI公司一款高頻率的單軸MEMS加速度計，提供遠超過傳感器諧振頻率範圍的輸出信號通頻帶。採用此器件之後，也可以監測3 dB帶寬以外的頻率。為了實施這種監測，ADXL1002的輸出放大器需要支持70 kHz小信號帶寬。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。a2Lednc

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噪聲組件產生的混疊噪聲，例如，耦合內部200 kHz時鐘信號產生的噪聲。因此，需要相應採用濾波器帶寬。採用圖1所示的尺寸（R1 = 16 kΩ，C1 = 300 pF，R2 = 32 kΩ，C2 = 300 pF）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帶寬（例如，32 kHz）。a2Lednc

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，所以可以抵消與電源和基準電壓相關的隱含誤差。a2Lednc

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（因子為4）的最大增益值。a2Lednc

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圖2.ADXL1002的頻率響應a2Lednc

為了顯示量程過衝（超量程），ADXL1002配備了一個對應的輸出（OR引腳）。發生明顯的超量程事件時，集成式監測器會發出警報。a2Lednc

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。這种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傳感器的諧振頻率，因此實際上對加速度計是不可見的。多個安裝點時，接近傳感器和較厚的板也有助於降低系統諧振對傳感器性能的影響。a2Lednc

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，ADI公司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範圍）。a2Lednc