監(jiān)控工業(yè)系統(tǒng)中的振動可以提供有關設備健康狀況的寶貴數據，并可以節(jié)省成本的先發(fā)制人的維護，但是有許多不同的方法來構建這樣的系統(tǒng)?？梢允褂煤唵蔚膲弘娬駝觽鞲衅?，但需要數據采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能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，并開啟了這些傳感器在工業(yè)應用中的應用。

這些MEMS加速度計采用標準CMOS工藝技術制造，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復雜信號處理。這使設計人員能夠輕松開發(fā)收集各種數據的傳感器系統(tǒng)，并識別許多不同類型的故障機制，提醒操作員注意各種工業(yè)設備中的潛在問題，以便節(jié)省成本的先發(fā)制人的維護。

工業(yè)機械的大多數振動包含低于1 kHz的頻率，但相關的信號分量通常存在于更高的頻率，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，并且圍繞這些諧波會出現問題。然而，對于其他系統(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。提供足夠的頻率范圍，同時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態(tài)范圍。對于應用而言，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(tǒng)，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分辨率。 14個記錄的FFT存儲系統(tǒng)使用戶能夠跟蹤隨時間變化并使用多個抽取濾波器設置捕獲FFT。

傳統(tǒng)的維護往往是出現問題了才維護，或者依靠人員定期檢查，因此往往維修成本很高?；跔顟B(tài)的維護(Condition-based Maintenance)，是通過使用傳感器實時監(jiān)控設備的健康狀態(tài)，使得設備能夠在出故障前得到及時的維護。

常見的應用比如工業(yè)設備中的渦輪機、風扇、泵和馬達等。本文從電機的失效類型、傳感器的選擇出發(fā)，說明基于狀態(tài)維護(CBM)的設計實現，希望能給大家?guī)硪恍╆P于如何實現基于狀態(tài)的維護(CBM)的一些啟示。

機械故障的失效類型

一般來說, 機械故障失效類型主要分為兩大類：

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

機械磨損, 頻率在2Hz到6kHz

圖1：失效類型 vs 振動頻率

(圖片來源：ADI為你的應用選擇最合適的加速度傳感器)

振動測量是目前最常見的方式，因為它能夠可靠地指示機械問題，如不平衡以及軸承故障等問題。傳感器參數指標

在選擇傳感器之前，首先應該了解電機的失效類型。對于加速度傳感器比較關鍵的參數有：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。

比如對于低轉速電機的不平衡問題，可能需要低噪聲密度傳感器，但是其對于帶寬范圍要求相對比較低。而對于齒輪故障檢測，可能需要低噪聲密度和寬帶寬范圍。

通過Digi-Key提供的參數搜索功能，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(CBM)設計實現

加速度傳感器輸出主要分為模擬和數字兩種。模擬輸出的傳感器一般都會再接一個獨立ADC或者連接到有集成ADC功能的MCU，來轉化成數字輸出。因此如何有效地進行數字信號處理就變得特別重要。

邊緣節(jié)點(Edge Node)

一般ADC或傳感器的數字輸出方式主要為SPI。這種方式往往不提供任何數據完整性檢查機制、時間戳(time stamping)以及混合來自不同傳感器的數據等功能。

因此，把傳感器數據打包到更高級別協(xié)議的邊緣節(jié)點中，然后再傳送，會變得非常有效。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)點使用合適的方式處理打包數據流。

總線選擇

一般ADC或傳感器的主要數字輸出方式為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據。

長距離有線傳輸，可以選擇使用RS-485傳輸。RS-485信號傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾, 適用于較長距離的數據傳輸。RS-485在100米以下的傳輸距離，數據傳輸速率可以達到50Mbps。如果降低數據傳輸速率，傳輸距離可以延長到1000米。(產品示例：ADI RS-485收發(fā)器)

長距離無線傳輸的方式有很多，比如Wi-Fi、藍牙、LoRa、zigbee等等。這里以ADI SmartMesh為例，帶大家初步了解長距離無線傳輸的連接方式。

ADI SmartMesh IP網絡基于6LoWPAN標準(IEEE 802.15.4e)，基于2.4GHz頻段，具有低功耗高可靠性的特點。

圖2：SmartMesh 網絡連接

(圖片來源：ADI選擇正確的加速度計以進行預測性維護)

更多的技術信息，可以參考以下資源：

ADI SmartMesh

更多ADI RF 收發(fā)器模塊

數據分析

采集完數據之后就是分析數據。目前存在多種振動分析技術。比如使用數字濾波，用于克服流程本身或者由機器的其他組件導致的寄生振動，還可以使用數學工具進行輔助，例如ADcmXL3021中包含的工具(計算平均值、標準偏差、波峰因素、峰度等)。

分析可以在時域中進行，也可以對頻率做分析。特別是頻率分析，可以提供關于異常及異常原因的信息的分析。

無論使用哪種分析方法，關鍵是要確定最佳警報閾值，以使維護操作既不會太早也不會太遲。