【導讀】數字化正在給工業領域帶來巨大變革，無論是制造業、公用事業、采礦業還是鋼鐵業，采用基于傳感器的數字網絡可以實時地采集、傳輸和分析數據，從而可為相關機構提供比以往任何時候都更好的資產可視性。
在高級狀態監測和預測性維護中，振動傳感器起著至關重要的作用。本文我們將介紹不同加速度計設計的利弊。
數字化正在給工業領域帶來巨大變革，無論是制造業、公用事業、采礦業還是鋼鐵業，采用基于傳感器的數字網絡可以實時地采集、傳輸和分析數據，從而可為相關機構提供比以往任何時候都更好的資產可視性。
這種智能正在給許多關鍵領域帶來巨大進步。下面給出的一個實例是預測性維護。通過分析來自工廠車間或工作現場的各種機器數據，可以識別出不規則的運行模式，從而在機器設備出現問題之前就事先發現。隨著時間的累積，這些信息可以不斷完善，能夠避免意外的停機時間，并降低維修成本，從而實現更高效的運營。
但是有效的預測性維護依賴于廣泛的機械和電氣技術，通過這些技術的密切配合可以為工程師提供所需的信息。這其中一個重要部件是加速度計，它是一種用于測量工業環境中結構振動的微型器件。從發展歷史上看，加速度計一直在用于監測大型高端機械設備的振動性能。但是，隨著數字化和自動化趨勢的加速發展，它們已越來越多地應用于智能化預測維護，例如機床主軸、傳送帶、分揀臺和機床等數量眾多，但又較小的系統。
因此，對于可靠性工程師而言，必須對可用的不同類型加速度計技術特性有充分了解，這些信息有助于權衡各種類型器件的優缺點，并針對各種不同振動應用在決定采用哪種器件時做出明智的選擇。
不同類型的振動傳感器
用于振動測量的兩種主要加速度計為壓電（piezoelectric）和可變電容（variable capacitance）振動傳感器，這里我們將介紹它們的更詳細信息，根據TE Connectivity最近發布的技術比較研究，我們將討論這些器件各自的優缺點。
就它們的工作原理而言，壓電（PE）加速度計內部包含壓電晶體，它們在遇到振動時自身會產生并發出信號。大多數壓電傳感器都包含鋯鈦酸鉛陶瓷（PZT），能夠通過極化對齊偶極子并使晶體能夠產生壓電效應。 PZT晶體非常適合狀態監測應用，它們可以在寬溫度和動態范圍內工作，并且有高于 20kHz的頻率帶寬。
市場上主要有兩種壓電加速度計設計類型：壓縮模式和剪切模式。壓縮模式設計是通過將重量加載到晶體上并通過預加載力來對壓電晶體施加應力，這種方式構建的壓縮模式設計具有性能局限，容易受到安裝基座應變的影響，并且具有較高的熱漂移。
另一方面，剪切模式設計具有固定在支柱上的環形剪切晶體和環形質量。這種設計由于采用隔離的基座，并且幾乎不受熱應力影響，從而提高了穩定性，具有比壓縮模式更好的性能。的確，這些特性使剪切模式設計在狀態監測應用中更受歡迎。
現在讓我們評估一下可變電容（VC）傳感器的性能。這些器件通過記錄在兩個電容器極板之間地震震動質量（seismic mass）傳遞導致的電容變化來測量加速度。電容變化與施加的加速度成比例。可變電容加速度計需要將IC耦合到傳感元件，以將微小的電容變化轉換為電壓輸出。但是，此轉換過程可能導致低信噪比和有限的動態范圍。就主流技術而言，可變電容傳感器主要由硅晶片制成，并構建于微型微機電系統（MEMS）芯片之上。
比較測試結果
因此，從本質上講，這就是兩種技術的工作方式。但是，當通過仔細控制的測試將它們進行彼此比較時，它們的測量結果會如何？ TE Con??nectivity進行的一項研究目的是針對這個重要問題提供一些答案。這項研究是通過比較壓電狀態監測加速度計和高寬帶MEMS可變電容加速度計典型的關鍵振動指標參數進行，兩者的滿量程范圍均為±50g。
這項研究采用了一個高頻校準振動器（shaker），頻率范圍為5～20kHz，進行了包括頻率響應在內的一系列測試。傳感器安裝牢固，可在整個測試范圍內保持高精度，并且可接受最大±1dB幅度偏差可用帶寬。結果表明，可變電容器MEMS傳感器的可用帶寬高達3kHz，而壓電傳感器的可用帶寬超過10kHz。
可將樣品放置在噪聲隔離的腔室中，并使用具有微G分辨率的測量設備進行測試。同時也測試這些單元，以消除外部環境干擾帶來的任何誤差。此處記錄了針對四個不同帶寬設置運行的結果，以及每種設置下的殘留噪聲：
圖1：各種帶寬下的殘留噪聲比較。
測量分辨率和動態范圍是基于0.03～10kHz帶寬得出，如下圖所示。根據TE的研究，壓電傳感器的分辨率比可變電容MEMS傳感器高約9倍。這一結果顯著提高了動態范圍，使最終用戶能夠在更早的階段發現潛在的問題。
圖2：測量分辨率比較。
通過比較穩定性和漂移，可以發現壓電傳感器在這方面表現出色，隨著時間的累積，壓電晶體在工業環境中已被證明非常穩定。長期的漂移參數與所使用晶體配方有關，因此要提供一個實際值具有很大挑戰性。TE的研究指出，PZT晶體是壓電加速度計中最常用的類型，并且是多種廣泛應用中很受歡迎的晶體。
可變電容MEMS加速度計對于長期漂移也有多種參數限制，這取決于MEMS設計架構。整體微加工（bulk micromachined）MEMS傳感器通常可提供最佳的長期漂移性能，但成本更高，通常僅用于慣性應用。
為了進行狀態監測，MEMS供應商還可提供表面微加工可變電容MEMS傳感器。這些器件價格相對便宜一些，但在測量分辨率和長期穩定性方面卻無法達到最佳水平。TE報告指出，“表面微加工”設計的MEMS架構不如整體微加工MEMS傳感器穩定。
在對工作溫度范圍進行比較時，發現壓電和可變電容MEMS加速度計在狀態監測應用（-40℃～+ 125℃溫度范圍）中均表現良好。在特定的極端安裝環境下，溫度越高可能需要的傳感器作用范圍越大。在這種情況下，推薦使用充電模式壓電傳感器。
根據安裝的特殊性和手頭的任務，可能需要選擇傳感器的輸出信號類型。大多數預測性維護安裝都需要來自傳感器的模擬信號，因此最終用戶可以根據機器設備的類型選擇要監測的參數。在大多數情況下，DAQ或PLC接口主導信號輸出，因此模擬輸出是最常見的選擇。
但是，就需要較長電纜的安裝而論，環路供電的4～20mA傳感器也是標準配置。對于實施數字工業4.0策略的智能工廠，隨著帶有板載微處理器的智能傳感器應用越來越多，數字輸出信號也更加普遍，這些可幫助最終用戶立即做出維護決策。根據TE的研究，這些輸出信號選項在壓電和可變電容MEMS傳感器中都可提供，因此這兩種技術都能夠提供上述功能。
壓電傳感器滿足所有要求
總之，TE的研究表明，在工作溫度、封裝靈活性、傳感器輸出選項和安裝簡便性等方面，MEMS和壓電傳感器加速度計具有相似的性能。然而，由于其固有的特性，壓電傳感器能夠為長期穩定性提供更可靠的選擇。嵌入式壓電加速度計具有全面的頻率響應，從低速到高速機械設備它都是理想的選擇，可為早期故障檢測提供更清晰的信號分辨率。因此，對于工業狀態監測和預測性維護應用，壓電傳感器是首選技術。
（來源：EDN，作者：貿澤電子Mark Patrick）
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