追求準(zhǔn)確可靠的振動(dòng)傳感以實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的預(yù)測(cè)性維護(hù)

探索基于壓電陶瓷的傳感器和手持式數(shù)據(jù)收集工具在用于基于狀態(tài)的預(yù)測(cè)性維護(hù)時(shí)的優(yōu)勢(shì)和局限性，以及完全集成和可靠的振動(dòng)傳感器的優(yōu)勢(shì)。

精密工業(yè)過(guò)程越來(lái)越依賴(lài)于電機(jī)和相關(guān)機(jī)械的高效和一致運(yùn)行。機(jī)械中的不平衡、缺陷、配件松動(dòng)和其他異常通常會(huì)轉(zhuǎn)化為振動(dòng)，然后是精度損失以及安全問(wèn)題。如果不加以解決，除了性能和安全問(wèn)題外，如果設(shè)備需要離線(xiàn)維修，生產(chǎn)力損失將不可避免。

基于狀態(tài)的預(yù)測(cè)性維護(hù)是避免生產(chǎn)力損失的已知且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的方法，但這種方法的價(jià)值與其復(fù)雜性相匹配?，F(xiàn)有方法存在局限性，特別是在分析振動(dòng)數(shù)據(jù)（無(wú)論如何收集）和隔離誤差源時(shí)。

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)收集方法包括安裝在機(jī)器上的簡(jiǎn)單壓電傳感器和手持式數(shù)據(jù)收集工具。這些方法有許多局限性，特別是與可以嵌入機(jī)器上或機(jī)器中并自主行動(dòng)的完整檢測(cè)和分析系統(tǒng)的理想解決方案相比。本文將進(jìn)一步探討這些局限性以及與理想的比較。

測(cè)量的可重復(fù)性

手持式振動(dòng)探頭具有一些實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，例如不需要對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行任何修改，并且鑒于其大（磚）尺寸，它們相對(duì)高度集成，允許足夠的處理和存儲(chǔ)。然而，一個(gè)主要的限制是測(cè)量的可重復(fù)性。探頭位置或角度的微小差異會(huì)產(chǎn)生不一致的振動(dòng)曲線(xiàn)，使時(shí)間比較不準(zhǔn)確。因此，維護(hù)技術(shù)人員面臨的問(wèn)題是，觀察到的任何振動(dòng)偏移是由于機(jī)器內(nèi)部的實(shí)際變化，還是僅僅是測(cè)量技術(shù)的變化。理想情況下，傳感器既緊湊又集成，足以允許直接和永久嵌入感興趣的設(shè)備中。

測(cè)量時(shí)間表

手持式探頭方法的另一個(gè)限制是缺乏對(duì)麻煩的振動(dòng)偏移的實(shí)時(shí)通知。大多數(shù)基于壓電陶瓷的傳感器也是如此，這些傳感器通常處于非常低的集成度（在某些情況下僅為傳感器），數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌胤揭怨┮院蠓治?。這些設(shè)備需要外部干預(yù)，因此為錯(cuò)過(guò)事件/班次提供了機(jī)會(huì)。另一方面，自主傳感器處理系統(tǒng)包括傳感器、分析、存儲(chǔ)和報(bào)警功能，并且仍然足夠小，可以嵌入，提供最快的振動(dòng)偏移通知，以及顯示基于時(shí)間的趨勢(shì)的最佳能力。

了解數(shù)據(jù)

只有采用頻域分析，才能實(shí)現(xiàn)嵌入式傳感器實(shí)時(shí)通知的理想（如前所述）。任何給定的設(shè)備通常具有多個(gè)振動(dòng)源，例如軸承缺陷、不平衡和齒輪嚙合，以及設(shè)計(jì)來(lái)源，例如鉆頭或機(jī)械壓力機(jī)在其正常運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)。對(duì)設(shè)備進(jìn)行基于時(shí)間的分析會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的波形，將多個(gè)源組合在一起，在FFT分析之前提供很少的可識(shí)別信息。大多數(shù)基于壓電陶瓷的傳感器解決方案依賴(lài)于FFT的外部計(jì)算和分析。這不僅消除了實(shí)時(shí)通知的可能性，而且還給設(shè)備開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了巨大的額外設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。通過(guò)在傳感器上嵌入FFT分析，可以立即將振動(dòng)偏移隔離到特定來(lái)源。鑒于完全集成和自主傳感器的完整性和簡(jiǎn)單性，這種完全集成的傳感器元件還可以將設(shè)備設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短 6 到 12 個(gè)月。

訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)

嵌入式FFT分析假設(shè)模擬傳感器數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)調(diào)理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸大大簡(jiǎn)化。事實(shí)上，目前使用的大多數(shù)振動(dòng)傳感器解決方案都是模擬輸出，導(dǎo)致傳輸過(guò)程中信號(hào)衰減，更不用說(shuō)已經(jīng)討論過(guò)的離線(xiàn)數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性。鑒于大多數(shù)需要振動(dòng)監(jiān)測(cè)的工業(yè)設(shè)備往往存在于嘈雜、移動(dòng)、難以接近甚至危險(xiǎn)的環(huán)境中，人們強(qiáng)烈希望不僅要降低接口布線(xiàn)的復(fù)雜性，還要在源頭執(zhí)行盡可能多的數(shù)據(jù)分析，以盡可能準(zhǔn)確地捕獲設(shè)備振動(dòng)的表示。

多少數(shù)據(jù)

許多現(xiàn)有的傳感器解決方案都是單軸壓電傳感器。這些壓電傳感器不提供方向性信息，因此限制了對(duì)設(shè)備振動(dòng)曲線(xiàn)的理解。缺乏方向性意味著需要非常低噪聲的傳感器，這也會(huì)影響成本。基于三軸MEMS的傳感器的可用性，如果每個(gè)軸的精度對(duì)齊，可以顯著提高隔離振動(dòng)源的能力，同時(shí)可能降低成本。

探測(cè)點(diǎn)

傳感器的放置位置問(wèn)題至關(guān)重要，但高度依賴(lài)于設(shè)備類(lèi)型、環(huán)境甚至設(shè)備的生命周期。由于現(xiàn)有的高成本傳感器元件將探測(cè)點(diǎn)的數(shù)量限制在幾個(gè)或一個(gè)，因此放置更加關(guān)鍵。這意味著要么需要大量的前期開(kāi)發(fā)時(shí)間，要么通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳放置，要么在大多數(shù)情況下會(huì)導(dǎo)致要捕獲的數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量有所妥協(xié)。以現(xiàn)有成本的一小部分存在更完全集成的傳感器探頭，可以允許每個(gè)系統(tǒng)放置多個(gè)探頭，減少前期開(kāi)發(fā)時(shí)間/成本，或者只是更少和更便宜的傳感器。

設(shè)備生命周期轉(zhuǎn)變

無(wú)論采用何種技術(shù)，傳感器元件都是一個(gè)重要的考慮因素，但通常更關(guān)鍵的是傳感器信號(hào)調(diào)理和處理。信號(hào)調(diào)理和處理不僅特定于獨(dú)特的設(shè)備，而且特定于設(shè)備的生命周期。這轉(zhuǎn)化為傳感器設(shè)計(jì)中的幾個(gè)重要考慮因素。早期的模數(shù)轉(zhuǎn)換（即，在傳感器頭，而不是在設(shè)備外）允許在系統(tǒng)內(nèi)配置/調(diào)整。理想的傳感器將提供一個(gè)簡(jiǎn)單的可編程接口，通過(guò)快速基線(xiàn)數(shù)據(jù)捕獲、過(guò)濾操作、警報(bào)編程和不同傳感器位置的實(shí)驗(yàn)來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)備設(shè)置。對(duì)于現(xiàn)有的簡(jiǎn)單傳感器，只要它們可在設(shè)備設(shè)置中配置，仍然必須在傳感器設(shè)置中做出一些妥協(xié)，以適應(yīng)設(shè)備生命周期內(nèi)維護(hù)問(wèn)題的變化。例如，傳感器是否應(yīng)配置為設(shè)備故障可能性較小的早期使用壽命，還是在故障不僅可能而且可能更有害時(shí)配置為使用壽命結(jié)束？首選方法是系統(tǒng)內(nèi)可編程傳感器，它允許對(duì)生命周期中的變化進(jìn)行配置。例如，在早期生命期間不經(jīng)常監(jiān)測(cè)最低功耗;一旦觀察到偏移（警告閾值），則重新配置為頻繁（用戶(hù)編程周期）監(jiān)控;除了對(duì)用戶(hù)編程的報(bào)警閾值進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控和中斷驅(qū)動(dòng)通知外。

識(shí)別變化/趨勢(shì)

之前關(guān)于使傳感器適應(yīng)設(shè)備生命周期變化的討論在某種程度上取決于對(duì)基線(xiàn)設(shè)備響應(yīng)的了解。即使是簡(jiǎn)單的模擬傳感器也可以做到這一點(diǎn)，假設(shè)操作員進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行離線(xiàn)分析，并將這些數(shù)據(jù)離線(xiàn)存儲(chǔ)，并正確標(biāo)記到特定設(shè)備和探頭位置。一種首選且不易出錯(cuò)的方法將允許在傳感器頭存儲(chǔ)基線(xiàn)FFT，從而消除任何錯(cuò)放數(shù)據(jù)的可能性?；€(xiàn)數(shù)據(jù)還有助于建立報(bào)警級(jí)別，理想情況下，該級(jí)別將直接在傳感器上進(jìn)行編程，因此在檢測(cè)到警告或故障條件的任何后續(xù)數(shù)據(jù)分析/捕獲中，可以生成實(shí)時(shí)中斷。

文檔/可追溯性

在出廠設(shè)置中，適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)分析程序可以通過(guò)手持式探頭或嵌入式傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)位置。在給定的設(shè)備生命周期內(nèi)，這可能會(huì)產(chǎn)生捕獲數(shù)千條記錄的需求。預(yù)測(cè)性維護(hù)計(jì)劃的完整性取決于與傳感器收集點(diǎn)的位置和時(shí)間的正確映射。為了獲得最低風(fēng)險(xiǎn)和最有價(jià)值的數(shù)據(jù)，除了嵌入式存儲(chǔ)外，傳感器還應(yīng)具有唯一的序列號(hào)和為數(shù)據(jù)添加時(shí)間戳的能力。

可靠性

前面的討論重點(diǎn)介紹了改進(jìn)現(xiàn)有基于傳感器的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的方法，以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。但是，如果傳感器出現(xiàn)故障（性能偏移），而不是設(shè)備，該怎么辦？或者，如果使用完全自主的傳感器（如理想情況所述）進(jìn)行操作，我們對(duì)傳感器繼續(xù)工作的信心有多大？對(duì)于許多現(xiàn)有的傳感器，例如基于壓電陶瓷的傳感器，這些情況存在嚴(yán)重的限制，因?yàn)楹?jiǎn)單的壓電傳感器無(wú)法提供系統(tǒng)內(nèi)自檢。人們總是對(duì)隨時(shí)間記錄的數(shù)據(jù)的一致性缺乏信心，在報(bào)廢關(guān)鍵監(jiān)控階段，實(shí)時(shí)故障通知對(duì)時(shí)間和成本至關(guān)重要，并且可能是一個(gè)重大的安全問(wèn)題，因此總是擔(dān)心傳感器可能無(wú)法正常工作。高置信度預(yù)測(cè)性維護(hù)計(jì)劃的一個(gè)基本要求是能夠遠(yuǎn)程自檢傳感器。幸運(yùn)的是，這可以通過(guò)一些基于MEMS的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。嵌入式數(shù)字自檢功能將縮小可靠振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最后差距。

AD的ADIS16227是完全自主頻域振動(dòng)監(jiān)測(cè)器的一個(gè)例子，能夠解決前面討論的所有十個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。ADIS16227具有嵌入式頻域處理、512點(diǎn)實(shí)值FFT和板載存儲(chǔ)功能，能夠識(shí)別和分類(lèi)各個(gè)振動(dòng)源，監(jiān)控其隨時(shí)間的變化，并對(duì)可編程閾值電平做出反應(yīng)。該器件提供可配置的頻譜報(bào)警頻段和窗口選項(xiàng)，允許通過(guò)配置6個(gè)頻段（警報(bào)1（警告閾值）和警報(bào)2（故障閾值）來(lái)分析全頻譜，以便更早、更準(zhǔn)確地檢測(cè)問(wèn)題。其核心是基于MEMS的三軸寬帶寬（22 kHz諧振）傳感器，具有可配置的采樣率（高達(dá)100 kHz）和平均/抽取選項(xiàng)，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估微小的振動(dòng)曲線(xiàn)變化。MEMS傳感器提供數(shù)字自檢模式，為功能和數(shù)據(jù)完整性提供持續(xù)的信心。其緊湊的 15 mm 立方體配置完全嵌入且可編程，可以放置在靠近振動(dòng)源的位置，并以可重復(fù)的方式早期檢測(cè)小信號(hào)。這避免了由于使用手持設(shè)備進(jìn)行測(cè)量時(shí)的位置/耦合差異而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)差異。

引入完全集成且可靠的振動(dòng)傳感器，具有自主和可配置操作的能力，使預(yù)測(cè)性維護(hù)計(jì)劃開(kāi)發(fā)人員能夠顯著提高數(shù)據(jù)收集過(guò)程的質(zhì)量和完整性，而不受過(guò)去振動(dòng)分析方法的限制和妥協(xié)。憑借高集成度和簡(jiǎn)化的可編程接口，這些新型傳感器可以更輕松地采用振動(dòng)傳感，而以前僅限于少數(shù)具有數(shù)十年機(jī)器振動(dòng)分析經(jīng)驗(yàn)的高技能技術(shù)人員。

審核編輯：郭婷