【儀表網 儀表產業】21世紀是人類追求健康的世紀，科技水平的提高也帶來了醫療手段的進步，越來越多的人選擇了佩戴可穿戴設備，隨時隨地監測身體數據是否異常，從以前的“有病治病”到現在的“未病先治”，開啟了人類的大健康時代。
 

　　都說人體是一臺精密的機械，既然能有可穿戴設備幫人預防疾病，那么是否能有幫助機器提前發現故障，防患于未然的解決方案呢？答案是肯定的，振動監測傳感器可以精確獲取機器數據，提前消除機器的亞健康，提高產品精度、減少次品，幫助機器從帶病作業、有問題再解決的方式轉向健康保障、預防宕機的新模式。本文就以高性能模擬技術提供商ADI的高精度、超低噪聲MEMS傳感器為例，看機器的大健康發展如何實現。
 

　　如何實現機器健康監測
 

　　事實上與靈敏電子元器件制造業一樣，過程監控在高價值設備的生產設施中同樣及其重要，裝配線的細微變化可能會導致工廠產量減少，終設備的主要技術參數變化等。傳統的方法是利用手持式振動探頭進行檢測，如下圖所示。這種方法的一個主要缺點是不能進行可重復測量，探頭位置或角度稍有改變，就會產生不一致的振動剖面，從而難以進行精確的時間比較，同時還有無法實時指出振動偏移這一局限性。
 

傳統采用的設備變化監控方法缺乏可重復性和可靠性
 

　　此外，工廠設備通常有多種振動源(軸承缺陷、不平衡和齒輪嚙合)，其中包括設計帶來的振動源，例如在正常工作過程中產生振動的鉆孔機或壓制機。振動曲線較復雜、有時間偏移，并且易受設備、材質和位置的變化影響。基于時間的分析會產生一個綜合所有這些振動源的復雜波形，如果不進行快速傅里葉變換(FFT)分析，它提供的信息難以辨別。
 

　　雖說借助嵌入式FFT功能，自主傳感器可實現實時通知，許多既有解決方案也能夠以壓電傳感器為基礎實現，但通常而言其集成度非常低，需要依賴FFT外部計算和分析。這不僅使得實時通知毫無可能，而且將大部分額外設計工作推給了設備開發人員。如果傳感器內嵌FFT分析功能，就能即時確定振動偏移的具體來源，但從完全集成的傳感器開始開發，也需花費開發人員6至12個月的開發時長。還有另一大問題是該解決方案大部分都只有模擬輸出，這會導致信號在傳輸過程中衰減，而且離線數據分析非常復雜。
 

帶可編程濾波和調諧控制功能的嵌入式FFT分析
 

　　關鍵的是需要進行振動監控的大多數工業設備也往往存在于高噪聲、時刻保持運動，無法接近、甚至危險的工作環境中。因此，業界迫切希望降低接口電纜的復雜性，并且在數據源頭端執行盡可能多的數據分析工作，以便捕捉到盡可能準確的設備振動狀態信息。
 

　　高性能MEMS傳感器——機器健康監測關鍵
 

　　MEMS傳感器在結構健康監測中起著決定性作用。它們可用于測量傾斜度變化、振動分析以及線性或圓周運動——即使在條件下也能測量，可以更好地利用可用資源并幫助避免服務故障和中斷。ADI公司作為MEMS創新產品的企業，專門針對工業條件監測應用而設計的高頻率、低噪聲MEMS傳感器，無懼高沖擊和高振動的環境，可在狀態監控應用中盡早檢測出機器故障，深受市場公司的歡迎。
 

ADI 高性能MEMS傳感器應對更加魯棒的應用場景
 

　　支持結構健康監測的高級特性對于狀態監控和結構健康監測，測量范圍是一個重要參數。例如，在加速度峰值為幾個g的應用中，2g范圍的傳感器就足夠了。但是，工業自動化設備器件常常工作在受到強烈振動和沖擊的環境中，會導致傳感器飽和。一旦飽和，就不可能測量出正確的加速度。在ADI的MEMS傳感器產品中有50-500各種g值。g值高的可以做振動監測，使得預防性設備健康維護成為可能！其中ADXL1001和ADXL1002是ADI推出的兩款專門針對工業條件監測應用而設計的MEMS加速度計，能夠在具有兩個滿度范圍選項的拓展頻率范圍內提供超低的噪聲密度(分別是 30 μg/√Hz 和 25 μg/√Hz )，以及承受高達 10,000 g 的外部沖擊，所以目前市面上旋轉機械中發生的主要故障(如套筒軸承損壞、對準誤差、不平衡、摩擦、松動、傳動裝置故障、軸承磨損和空化)都在ADXL100x系列狀態監控加速度計的測量范圍以內。
 

　　除此之外，ADXL1001和ADXL1002還擁有集成的全靜電自檢 (ST) 功能和超范圍 (OR) 指示器，可以提供先進的系統級功能并可用于嵌入式應用。在功耗方面，憑借 3.3 V 至 5.25 V 的單電源供電，ADXL1001/ADXL1002 還允許進行無線感測產品設計。
 

　　解讀設備聲音與振動，ADI OtoSense系統帶來體檢報告
 

　　事實上，除了提供用于監測設備狀態的組件、模塊之外，ADI團隊在過去20年里一直致力于理解人類是如何解讀聲音和振動，并研發了一套設備健康監測系統 —— OtoSense。該系統旨在使聲音和振動專業知識在任何設備上都持續可用，且無需連接網絡來執行異常檢測和事件識別。
 

　　因為在ADI團隊看來，將聲音、振動和原因結合起來實施診斷人工需要花費大量時間，而具備經驗豐富的技工人員和工程師卻又是稀缺資源。于是便有了OtoSense系統。
 

　　此外，在與專家之間的日益接觸下OtoSense系統還能夠不斷進化，可幫助檢測人員實現從異常檢測到日益復雜的診斷。目前，在航空航天、汽車和工業監測應用中，OtoSense技術被越來越多地用于設備健康監測，尤其是在復雜設備方面該技術表現出了不錯的性能。
 

　　結語
 

　　數字時代的到來促使工業制造向著智能化發展，集成式的“智能節點”解決方案可以為低成本設備提供經濟有效的條件狀態監測，通過有計劃的維護大限度地減少停機時間。采用ADI更小、更低成本的低功耗MEMS傳感器支持實現高集成度嵌入式解決方案，助力機器大健康時代到來。