工業(yè)應(yīng)用的振動(dòng)傳感器

智能傳感器節(jié)點(diǎn)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的“煤礦中的金絲雀”，敏感地監(jiān)測(cè)工業(yè)設(shè)備的振動(dòng)、電流和電壓變化、溫度、聲音，甚至超聲波——對(duì)任何潛在的關(guān)鍵或故障產(chǎn)生發(fā)出警報(bào)。事實(shí)上，振動(dòng)和超聲波是設(shè)備故障的兩個(gè)最早跡象，發(fā)生在故障發(fā)生之前很久。壓電振動(dòng)傳感器傳統(tǒng)上一直用于這些應(yīng)用，但微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 傳感器正在取得進(jìn)展，這要?dú)w功于幾個(gè)好處。

振動(dòng)傳感器

想象一下，我們有一個(gè)頂部安裝有振動(dòng)傳感器的電機(jī)。根據(jù)振動(dòng)的種類，可以預(yù)測(cè)在接下來的幾天或幾周內(nèi)機(jī)器可能會(huì)發(fā)生什么類型的故障。例如，當(dāng)其中一個(gè)葉片破裂或斷裂時(shí)，電機(jī)可能正在驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。這產(chǎn)生的振動(dòng)將帶有一定的特征。

在另一種情況下，如果電機(jī)從其底座上松動(dòng)，這將再次產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，但頻率和圖形形狀與破裂的葉片不同。如果對(duì)負(fù)載的外部撞擊導(dǎo)致電機(jī)和負(fù)載失準(zhǔn)，則會(huì)顯示一個(gè)獨(dú)特的簽名。齒輪嚙合和軸承問題通常會(huì)在振動(dòng)數(shù)據(jù)中產(chǎn)生最高頻率。

壓電振動(dòng)傳感器在很大程度上已成為此目的的首選技術(shù)。但是 MEMS 技術(shù)正在挑戰(zhàn)它們的普遍性。這個(gè)想法與其說是在現(xiàn)有用例中一對(duì)一地替換壓電，而是將 MEMS 傳感器用于大批量應(yīng)用并降低監(jiān)控工業(yè)機(jī)器的成本。這些節(jié)點(diǎn)可以提供高質(zhì)量的傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)使用無線接口和云連接將數(shù)據(jù)傳輸給最終用戶。

MEMS傳感器在尺寸、重量和功耗上肯定比壓電傳感器要小，成本水平也低很多。MEMS 提供直接數(shù)字輸出，最好與數(shù)字微控制器主機(jī)結(jié)合使用。其他好處包括在高沖擊事件后快速恢復(fù)，對(duì)于非常緩慢旋轉(zhuǎn)的機(jī)器的頻率響應(yīng)低至直流，以及感知多軸振動(dòng)的可能性。

由于 STMicroelectronics 等供應(yīng)商最近在應(yīng)用程序的硬件和軟件方面進(jìn)行了創(chuàng)新，設(shè)計(jì)人員擁有了開發(fā)尺寸非常小且具有無線連接功能的電池供電狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器的工具。它們的每邊寬度可以小于 1 厘米，易于連接，并且在最新示例中，它們?cè)诓渴鸷笫褂?a target="_blank">人工智能“學(xué)習(xí)”正在測(cè)量的內(nèi)容。

IIS3DWB 振動(dòng)傳感器

STMicroelectronics 的IIS3DWB加速度計(jì)是專為振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的 MEMS 傳感器示例。IIS3DWB的主要參數(shù)(見下表)滿足工業(yè)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。

IIS3DWB 是一款三軸傳感器，具有從 2 g 到 16 g 的滿量程可選范圍，而電機(jī)監(jiān)控傳統(tǒng)上需要高達(dá) 4 g 或 8 g 的滿量程。與主機(jī)微控制器的接口是數(shù)字 SPI 總線，通過這種方式，關(guān)鍵優(yōu)勢(shì) — 6.3 kHz @ –3 dB 的高帶寬 — 可以通過 26.7 kHz 的輸出數(shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)。

IIS3DWB 的噪聲密度為 75 μg/√Hz，當(dāng)通過設(shè)備寄存器僅啟用一個(gè)軸時(shí)，可以降低到 60 μg/√Hz。傳感器的電流消耗為 1.1 mA，使其適用于電池供電的應(yīng)用。

其他傳感器特性是 STMicroelectronics MEMS 傳感器系列的傳統(tǒng)特性：大型 3-kB FIFO 緩沖器、可編程濾波器和中斷、嵌入式溫度傳感器以及用于生產(chǎn)線末端測(cè)試的自測(cè)試功能。工業(yè)環(huán)境的另一個(gè)好處是工作溫度范圍為 –40°C 至 105°C。它還附帶公司的 10 年最低壽命承諾。

以IIS3DWB為例，我們將研究用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的振動(dòng)傳感器的關(guān)鍵性能指標(biāo) (KPI)。我們會(huì)討論：

輸出噪聲

機(jī)械振動(dòng)的寬而平坦的測(cè)量帶寬

帶外滾降銳利，測(cè)量期間無混疊

傳感器輸出的溫度穩(wěn)定性

KPI 1：輸出噪聲

在小問題變大之前發(fā)現(xiàn)它們很重要。為了檢測(cè)機(jī)器振動(dòng)曲線的微小變化，傳感器的輸出噪聲水平必須非常低。

下面的圖 2顯示了 IIS3DWB 過濾鏈的簡化版本，分為四個(gè)塊。從左側(cè)模塊(具有 7kHz 諧振頻率的 IIS3DWB 的機(jī)械傳感元件)開始，模擬信號(hào)通過高速 ADC 進(jìn)入模擬前端。之后，數(shù)字信號(hào)通過一個(gè)截止頻率為 6.3 kHz 的低通濾波器 (LPF1) 進(jìn)行濾波，最后一個(gè)模塊是一個(gè)復(fù)合濾波器，它允許額外的濾波和數(shù)字功能。

由于傳感器的機(jī)械特性、內(nèi)部濾波和數(shù)字處理，傳感器的輸出噪聲密度達(dá)到了極好的值 — x 軸和 y 軸為 75 μg/√Hz，軸為 110 μg/√Hz z軸在三軸操作模式下。這轉(zhuǎn)化為非常低的噪音水平，同時(shí)感應(yīng)所有三個(gè)軸的振動(dòng)。

在單軸模式下，始終啟用三個(gè)軸中的一個(gè)，傳感器會(huì)改變內(nèi)部采樣和濾波的操作方式。因此，單個(gè)激活軸的可實(shí)現(xiàn)傳感器分辨率顯著提高，x 軸和 y 軸的噪聲密度降至 60 μg/√Hz，z 軸的噪聲密度降至 80 μg/√Hz。

KPI 2：寬而平坦的測(cè)量帶寬下面的

圖 3顯示了 IIS3DWB 在低通濾波器 (LPF1) 輸出端的頻率響應(yīng)，該頻率響應(yīng)在 –3 dB 的 6.3 kHz 截止頻率處是平坦的。由于這種平坦的響應(yīng)，最終產(chǎn)品不需要在應(yīng)用處理器中進(jìn)行校準(zhǔn)或額外的濾波或均衡。

KPI 3：無混疊的急劇滾降

頻率響應(yīng)特性的另一個(gè)重要部分來自圖 3中的 6.3 kHz 。您可以看到急劇的帶外滾降，每十倍頻程超過 90 dB。此外，對(duì)于 26.7 kHz ODR 以上的頻率，衰減高于 70 dB。最后，同樣非常重要的是，對(duì)于可能折回信號(hào)帶寬內(nèi)的高頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了超過 50 dB 的高衰減。急劇滾降和帶外高衰減消除了有害的頻率混疊現(xiàn)象，這可能影響振動(dòng)分析的質(zhì)量和可靠性。

KPI 4：傳感器輸出 的溫度穩(wěn)定性

振動(dòng)傳感器最后一個(gè)重要的關(guān)鍵性能指標(biāo)是其靈敏度隨溫度漂移。IIS3DWB 的漂移在所有三個(gè)傳感器軸上都可以忽略不計(jì)，并且在 –40°C 至 105°C 的整個(gè)溫度范圍內(nèi)與理想線性曲線的誤差保持在 ±2% 以內(nèi)。同樣，這對(duì)狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用來說是一個(gè)好處，因?yàn)槲⒖刂破髦胁恍枰~外的校準(zhǔn)或靈敏度補(bǔ)償。

注意：零重力偏移隨溫度漂移，傳統(tǒng)上對(duì)加速度計(jì)很重要，但對(duì)振動(dòng)傳感器并不重要，因?yàn)椴簧婕爸绷鞣至俊?/p>

由于其 KPI 值，IIS3DWB 傳感器可提供高保真振動(dòng)數(shù)據(jù)。通過運(yùn)行 FFT 算法，本地微控制器可以在時(shí)域或頻域中輕松分析此類數(shù)據(jù)。被監(jiān)控設(shè)備中的任何異常都可以被檢測(cè)到?；蛘?，可以將預(yù)處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行后處理，以從大數(shù)據(jù)收集中受益。

評(píng)估工具和軟件

硬件 (HW) 和軟件 (SW) 工具對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的實(shí)施也很重要。

在硬件方面，意法半導(dǎo)體提供STEVAL-MKI208V1K 評(píng)估套件。它包括一個(gè)小型方形板，可在產(chǎn)品開發(fā)階段輕松地將 IIS3DWB 傳感器集成到測(cè)試系統(tǒng)中。該板包含 IIS3DWB 振動(dòng)傳感器和用于扁平電纜的連接器，套件中還包含該連接器以及 DIL24 適配器板。該板很容易通過螺釘、膠水或磁鐵連接到需要測(cè)量振動(dòng)的地方。

另一個(gè)可用于評(píng)估 IIS3DWB 傳感器的硬件工具稱為 STWIN(Sensor Tile 無線工業(yè)節(jié)點(diǎn))。STWIN 開發(fā)套件以塑料泡罩的形式提供，帶有可充電電池、帶安裝孔的塑料外殼盒和 ST Link 編程探針。開發(fā)工具包可以開箱即用，用于狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用程序，也可以由用戶在以后的應(yīng)用程序開發(fā)過程中進(jìn)行定制。

下面的框圖顯示了以 STM32L4、STMicroelectronics 的低功耗 Cortex-M4 MCU 為中心的 STWIN，以及幾個(gè)針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的傳感器。它還包括所有運(yùn)動(dòng)傳感器：IIS3DWB 振動(dòng)傳感器、帶有機(jī)器學(xué)習(xí)核心的 ISM330DHCX 六軸慣性測(cè)量單元 (IMU)、IIS2DH 超低功耗加速度計(jì)和 IIS2MDC 磁力計(jì)。板載環(huán)境傳感器包括 STTS751 溫度傳感器、HTS221 相對(duì)濕度傳感器和 LPS22HH 氣壓計(jì)。還有兩個(gè) MEMS 麥克風(fēng)——具有模擬輸出和超聲波功能的 MP23ABS1 寬帶麥克風(fēng)和具有可聽頻帶數(shù)字輸出的 IMP34DT05。

此外，還有 STMicroelectronics 的 BLE 通信模塊、用于無線藍(lán)牙通信的 SPBTLE-1S 以及 USB 和 RS485 收發(fā)器，以防 STWIN 用于有線工業(yè)應(yīng)用。最后，如果應(yīng)用程序需要它來確保數(shù)據(jù)保護(hù)，安全元件 STSAFE-100 的集成需要占用空間。有幾個(gè)擴(kuò)展連接器——所有這些都受到 ESD 保護(hù)，以保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。

提供三個(gè)軟件包。其中兩個(gè)，STSW-STWINKT01 和 FP-IND-PREDMNT1，目標(biāo)傳感器數(shù)據(jù)記錄和時(shí)域和頻域的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。第三個(gè)軟件包 X-CUBE-MEMSMIC1 包括用于麥克風(fēng)數(shù)據(jù)采集和處理以及使用 FFT 進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)分析的項(xiàng)目。

STSW-STWINKT01 開發(fā)包專注于高速傳感器數(shù)據(jù)記錄，并允許以最高輸出數(shù)據(jù)速率記錄來自 STWIN 板上所有傳感器的數(shù)據(jù)，包括 ISM330DHCX 六軸機(jī)器學(xué)習(xí)核心的輸出IMU 傳感器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在板載 μSD 卡或 PC 中，通過 USB 接口連接?？梢詮?a target="_blank">智能手機(jī)或 PC 配置和觸發(fā)數(shù)據(jù)記錄。

FP-IND-PREDMNT1專為預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用量身定制。它實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域分析。時(shí)域分析評(píng)估每個(gè)傳感器軸的 RMS 速度和加速度峰值的狀態(tài)。頻域分析基于用于檢查振動(dòng)頻譜的 FFT 算法。

這個(gè)包中有兩個(gè)例子。第一個(gè)示例需要一個(gè) STEVAL-STWINWFV1 Wi-Fi 附加板。通過將此 Wi-Fi 附加板擴(kuò)展連接到 STWIN，振動(dòng)和超聲數(shù)據(jù)可以直接顯示在連接到 AWS 云的預(yù)測(cè)性維護(hù)儀表板上。該云服務(wù) (DSH-PREDMNT) 可免費(fèi)用于評(píng)估 STMicroelectronics 的傳感器。

第二個(gè)例子是允許類似功能的 STWIN 默認(rèn)固件;但是，無線數(shù)據(jù)傳輸是由板載 BLE 模塊直接建立到移動(dòng)設(shè)備的。借助 ST BLE Sensor 應(yīng)用程序，可將傳感器數(shù)據(jù)和 FFT 結(jié)果顯示在移動(dòng)設(shè)備上，該應(yīng)用程序可安裝在 Android 和 iOS 平臺(tái)上。

結(jié)論

在現(xiàn)代工業(yè)工廠中，與過去使用的反應(yīng)性維護(hù)類型相比，預(yù)測(cè)性維護(hù)可以節(jié)省成本。新設(shè)備以及對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的改造利用強(qiáng)大的傳感器來測(cè)量和監(jiān)控電機(jī)、風(fēng)扇、泵等資產(chǎn)。利用多種類型的傳感器可以在數(shù)周甚至數(shù)周內(nèi)進(jìn)行異常檢測(cè)和分類在實(shí)際失敗發(fā)生前幾個(gè)月。

審核編輯：湯梓紅