監控工業系統中MEMS振動傳感器的構建

監控工業系統中MEMS振動傳感器的構建

電子設計 發表於 2019-03-14 08:16:00

監控工業系統中的振動可以提供有關設備健康狀況的寶貴數據，並可以節省成本的先發制人的維護，但是有許多不同的方法來構建這樣的系統。可以使用簡單的壓電振動傳感器，但需要數據採集和信號處理來捕獲和分析數據。微機械（MEMS）傳感器在汽車安全氣囊和智慧型手機和平板電腦跌落傳感器等應用中的應用越來越受歡迎，這大大提高了成本，並開啟了這些傳感器在工業應用中的應用。

這些MEMS加速度計採用標準CMOS工藝技術製造，可以大批量生產，也可以與傳感器一起集成。這導致單封裝設備可以提供沿所有三個軸的振動測量，以及時域和頻域中的複雜信號處理。這使設計人員能夠輕鬆開發收集各種數據的傳感器系統，並識別許多不同類型的故障機制，提醒操作員注意各種工業設備中的潛在問題，以便節省成本的先發制人的維護。

工業機械的大多數振動包含低於1 kHz的頻率，但相關的信號分量通常存在於更高的頻率，這是選擇振動傳感器的關鍵考慮因素。如果已知旋轉軸的運行速度，則感興趣的最高頻率可以是運行速度與支撐軸的軸承數量的乘積的諧波，並且圍繞這些諧波會出現問題。然而，對於其他系統，故障模式的頻率可能是未知的，因此可能需要更複雜的信號分析。

設備的類型決定了應用的高頻要求，因此決定了傳感器的選擇。提供足夠的頻率範圍，同時滿足靈敏度和幅度範圍要求。頻率範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態範圍。對於應用而言，這個因素可能比高頻測量更重要。

高度集成的MEMS加速度傳感器的一個例子是ADI公司的ADIS16228 iSensor。這是一個完整的振動傳感系統，它將三軸加速度傳感與先進的時域和頻域信號處理相結合。時域信號處理包括可編程抽取濾波器和可選擇的窗口函數，而頻域處理包括每個軸的512點實值FFT，以及FFT平均，這降低了噪聲基底變化以獲得更精細的解析度。 14個記錄的FFT存儲系統使用戶能夠跟蹤隨時間變化並使用多個抽取濾波器設置捕獲FFT。

20.48 kSPS採樣率和5 kHz平坦頻帶提供適合許多機器運行狀況的頻率響應應用。內部時鐘在所有操作期間驅動數據採樣和信號處理系統，從而無需外部時鐘源。數據捕獲功能有三種模式，可提供多種選項以滿足許多不同應用的需求，實時模式可在一個軸上直接訪問流數據。 SPI和數據緩衝結構提供了對數據輸出的便捷訪問。 ADIS16228還提供數字溫度傳感器和數字電源測量，以便為傳感器節點本身提供診斷

圖1：ADI三軸MEMS振動傳感器的機械元件。

ADIS16228中的數字振動傳感始於每個軸上的MEMS加速度計核心。這將速度的線性變化轉換為代表性的電信號，使用如圖1所示的微機械系統。該系統的機械部分包括兩個不同的框架（一個固定，一個移動），其具有一系列板以形成可變差分電容網絡。當經歷與重力或加速度相關聯的力時，移動框架相對於固定框架改變其物理位置，這導致電容的改變。微小彈簧將移動框架系在固定框架上，並控制加速度和物理位移之間的關係。移動板上的調製信號通過每個電容路徑進入固定框架板並進入解調電路，解調電路產生與作用在器件上的加速度成比例的電信號。圖2顯示了簡化的框圖。 ADIS16228具有信號處理級，集成了時域數據捕獲，數字抽取/濾波，窗口化，FFT分析，FFT平均和記錄存儲。

圖2：簡化的傳感器信號ADI16228的處理框圖。

用戶寄存器（包括輸出寄存器和控制寄存器，如圖2所示）管理用戶對傳感器數據和配置輸入的訪問。每個16位寄存器都有自己唯一的位分配和兩個地址：一個用於高位字節，另一個用於低位字節。數據收集和配置命令使用SPI，它由四條線組成。晶片選擇（CS）信號激活SPI接口，串行時鐘（SCLK）同步串行數據線。輸入命令在SCLK上升沿一次一位地插入DIN引腳。輸出數據從SCLK下降沿的DOUT引腳輸出。當SPI用作從設備時，DOUT內容反映了使用DIN命令請求的信息雙存儲器結構

用戶寄存器為SPI接口中的所有輸入/輸出操作提供尋址，以使用雙存儲器結構簡化與傳感器節點的接口。控制器使用SRAM寄存器進行正常操作，包括用戶配置命令，而快閃記憶體為具有快閃記憶體備份的控制寄存器提供非易失性存儲。將配置數據存儲在快閃記憶體中需要手動快閃記憶體更新命令，以便在器件上電或復位時，快閃記憶體內容加載到SRAM中，器件根據控制寄存器中的配置開始生成數據。

ADIS16228使用SPI進行通信，可通過兼容的嵌入式處理器平臺實現簡單連接。 DIO1的出廠默認配置提供忙碌指示信號，當事件完成且數據可供用戶訪問時，該信號轉換為低電平。如有必要，DIO_CTRL寄存器用於重新配置DIO1和DIO2。

用戶控制寄存器控制大多數內部操作。 DIN位序列提供了一次一個字節寫入這些寄存器的能力。某些配置更改和功能只需要一個寫周期。例如，設置GLOB_CMD ［11］ = 1（DIN = 0xBF08）將啟動手動捕獲序列。在最後一位進入DIN時鐘（第16個SCLK上升沿）後立即開始手動捕捉。其他配置可能需要寫入兩個字節。

記錄模式選擇建立數據類型（時域或頻域），觸發類型（手動或自動）和數據收集（捕獲或實時）。 REC_CTRL1 ［1：0］位提供四種工作模式：手動FFT，自動FFT，手動時間捕獲和實時。設置REC_CTRL1後，手動FFT，自動FFT和手動時間捕獲模式需要啟動命令才能開始採集頻譜或時域記錄。此模式下有兩個啟動命令選項：SPI和I/O. SPI觸發器涉及設置GLOB_CMD ［11］ = 1（DIN = 0xBF08）。 I/O觸發器涉及使用DIO_CTRL將DIO1或DIO2配置為輸入觸發線。

圖3：ADIS16228安裝在其評估板上。

MEMSIC MXR7250VW是一款低成本的雙軸加速度計，採用標準的亞微米CMOS工藝製造，採用另一種方法。它可以測量加速度，滿量程範圍為±5 g，靈敏度為250 mV/g。

MXR7250VW在電源電壓的50％處提供高於/低於零g點的g比例比率模擬輸出。典型的本底噪聲為0.6 mg/Hz，允許在1 Hz帶寬下分辨低於1 mg的信號。器件的3 dB衰減發生在27 Hz。

圖4：MXR7250VW雙軸加速度計的框圖。

MXR7250VW採用密封LCC封裝表面貼裝封裝（5.5 mm x 5.5 mm x 2.7 mm高度），封裝可用作XY和XZ傳感，工作溫度為-40°C至+ 95°C。

Memsic的加速度計技術允許適用於±1 g至±70 g的設計，定製版本可在±70 g以上。它可以測量動態加速度（如振動）和靜態加速度（如重力下降）。該設計基於熱對流並且不需要固體檢測質量，並且像其他具有檢測質量的加速度計一樣運行，除了它是傳感器中的氣體。用這種方法，以矽晶片為中心的單個熱源是懸在一個空腔上。等間距的鋁/多晶矽熱電堆（熱電偶組）等距地位於熱源的所有四個側面上（雙軸）。在零加速度下，溫度梯度關於熱源對稱，因此所有四個熱電堆的溫度相同，導致它們輸出相同的電壓。由於自由對流傳熱，任何方向的加速都會擾亂溫度分布，導致其不對稱。因此，四個熱電堆的溫度和電壓輸出將是不同的熱電堆輸出端的差分電壓與加速度成正比。 MXR7250VW上有兩個相同的加速度信號路徑，一個用於測量X軸的加速度，另一個用於測量Y軸的加速度。使用對流方法可消除與其他MEMS設計相關的顆粒問題，並提供大於50，000 g的衝擊存活率，從而在組裝和客戶現場應用中處理時，可顯著降低故障率並降低損耗。

由於標準MXR7250VW的CMOS結構，附加電路可輕鬆集成到大批量應用的定製版本中。

API Technologies XL203A是一款堅固，小巧，精確的三軸模擬加速度計，適用於惡劣環境下的測量。該設備具有內置功率調節功能，電壓輸出與沿軸的加速度成正比。每個直流耦合傳感器輸出都經過完全縮放，參考和校準。 XL203A採用機械加工鋁製外殼，符合MIL-A-8625標準，黑色陽極氧化處理，屏蔽電纜採用高溫PVC護套和特氟龍絕緣導線。每個XL203A都附帶校準證書，列出了靈敏度和偏移，以及確保快速有效的系統實現所需的軸上和橫向校準參數。還有其他更簡單的方法用壓電晶體測量振動，如ACH來自Measurement Specialties的-01加速度計。

ACH-01（圖5）是一款堅固的通用線性單軸加速度計，具有緩衝電子輸出，可簡化數據採集子系統的接口。它的靈敏度為10 mV/g，頻率下限（-3 dB）為2 Hz。頻率上限（+3 dB）為20 kHz，為檢測到諧波提供了足夠的空間，動態範圍為±150 g，線性度為0.1％。

圖5 ：ACH-01單軸加速度計。

可以與低成本的12位模數轉換器連接，並通過I²C或SPI接口輸出到微控制器或數位訊號處理器。然後，這可以執行信號分析以監控設備。

振動本身甚至可以用於產生動力來驅動加速度計。諸如Mide V25W之類的壓電設備不會監控振動，而是將振動能量轉換為其他傳感器供電。通過將健康設備的共振頻率與傳感器匹配，可以為其他傳感器和無線鏈路生成峰值功率。這可以通過FFT分析，或通過調整傳感器的位置直到它產生峰值功率來完成。然後，這允許將傳感器放置在機器的不可接近的區域中，因為不需要更換電池。這樣可以更加清晰地了解設備的性能

圖6：Mide V25W壓電傳感器可用於收集振動能量，為其他振動傳感器供電。

結論

MEMS低成本CMOS製造的出現創造了一系列加速度計可用於監控設備的振動，以預警問題。許多加速度計用於檢測靜態運動，例如跌落，但是有些設備的可用範圍超出被監控設備的1 kHz振動。能夠分析這些諧波可以提供有關設備可能的故障機制的線索，並允許進行先發制人的維護。

CMOS的使用也允許數據轉換和信號處理集成到單個封裝，節省空間和設計複雜性。再加上使用壓電能量收集裝置，振動監測可以越來越有效地防止重要設備的故障並確保最大可能的可用性。

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