對于使用電動機，發(fā)電機和齒輪的機械設備和技術系統(tǒng)，狀態(tài)監(jiān)控是當前的核心挑戰(zhàn)之一。在最大程度地減少生產停機風險方面，計劃維護的重要性日益突出，不僅在工業(yè)領域，而且在任何使用機械系統(tǒng)的地方。
本文介紹了基于ADXL1002 MEMS加速度計的高線性度，低噪聲，寬帶振動測量解決方案。該解決方案可用于執(zhí)行軸承分析或發(fā)動機監(jiān)控，適用于要求動態(tài)范圍最高為50 g且頻率響應范圍為DC至11 kHz的所有應用。
?。―C是一種在直流電路中將一個電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€電壓值的電能的裝置，其采用微電子技術，把小型表面安裝集成電路與微型電子元器件組裝成一體而構成。）
本文還分析了機器的振動模式。變速箱引起的振動在頻域中反映為軸速的倍數(shù)。在不同的頻率點出現(xiàn)異常，例如磨損，不平衡或零件松動。我們通常使用基于MEMS（微機電系統(tǒng)）的加速度計來測量頻率。與壓電傳感器相比，它們具有更高的分辨率，出色的漂移特性和靈敏度以及更高的信噪比（SNR）。此外，它們可以檢測到幾乎接近DC范圍的極低頻振動。
上圖中顯示了一個示例電路。ADXL1002的模擬輸出信號通過二階RC濾波器饋入逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉換器（ADC）AD4000，后者將模擬信號轉換為數(shù)字值以進一步處理該信號。
如何構建基于MEMS的解決方案以在狀態(tài)監(jiān)視期間實施振動檢測
ADXL1002是Analog Devices的高頻單軸MEMS加速度計，可提供遠遠超出傳感器諧振頻率范圍的輸出信號通帶。使用此設備，還可以監(jiān)視3 dB帶寬以外的頻率。為了實現(xiàn)這種監(jiān)視，ADXL1002的輸出放大器需要支持70 kHz的小信號帶寬。使用ADXL1002的輸出放大器還可以直接驅動高達100 pF的電容負載。為了實現(xiàn)高于100 pF的負載，需要不小于8kΩ的串聯(lián)電阻。
ADXL1002的輸出需要配備一個外部濾波器，以消除由ADXL1002的輸出放大器產生的混疊噪聲和其他內部噪聲成分，例如，通過耦合內部200 kHz時鐘信號產生的噪聲。因此，需要相應地采用濾波器帶寬。利用圖1所示的尺寸（R1=16kΩ，C1=300 pF，R2=32kΩ，C2=300 pF），在200 kHz時可獲得約84 dB的衰減。此外，所選的ADC采樣率應高于放大器的帶寬（例如32 kHz）。
對于ADC，選擇ADXL1002的電源電壓作為其基準電壓源，因為輸出放大器與電源電壓成正比。在此示例中，電源電壓容差和電壓溫度系數(shù)（通常連接到外部穩(wěn)壓器）位于加速度計和ADC之間，因此可以抵消與電源和參考電壓有關的隱式誤差。
頻率響應
加速度計的頻率響應是系統(tǒng)最重要的特性，如圖2所示。在高于約2 kHz至3 kHz的頻率下，增益會增加。對于諧振頻率（11 kHz），在輸出電壓下會產生大約12 dB（4倍）的最大增益值。
如何構建基于MEMS的解決方案以在狀態(tài)監(jiān)視期間實施振動檢測
為了顯示范圍過沖（超過范圍），ADXL1002配備了相應的輸出（OR引腳）。當發(fā)生重大的超范圍事件時，集成監(jiān)視器將發(fā)出警報。
機械安裝注意事項
應特別注意將加速度計放置在正確的位置。加速度計應安裝在電路板的剛性放置點附近，以避免電路板本身發(fā)生任何振動以及電路板不受抑制的振動所引起的測量誤差。這種布置可確保加速度計每次接收到的電路板振動頻率都高于機械傳感器的共振頻率，因此加速度計實際上是看不見的。通過多個安裝點，接近傳感器和較厚的板還有助于減少系統(tǒng)共振對傳感器性能的影響。
結論
當使用所示的電路時，構建基于MEMS的解決方案相對容易，該解決方案可以檢測到DC范圍至11 kHz的振動（此范圍通常是旋轉機械的狀態(tài)監(jiān)測所必需的）。
