選擇合適的預測性維護傳感器

基于狀態的監測（CbM） 涉及使用傳感器監測機器或資產以測量當前的健康狀況。預測性維護 （PdM） 涉及 CbM、機器學習和分析等技術的組合，以預測即將發生的機器或資產故障。在監控機器的健康狀況時，選擇合適的傳感器以確?？梢?a target="_blank">檢測、診斷甚至預測故障至關重要。目前有許多傳感器用于檢測和檢測旋轉機械及其負載中的故障，終目標是避免意外停機。由于 PdM 技術應用于大量旋轉機器（電機、齒輪、泵和渦輪機）和非旋轉機器（閥門、斷路器和電纜），因此很難對每個傳感器進行。

許多工業電機設計為在連續生產應用中工作長達 20 年，例如化學和食品加工廠以及發電設施，但有些電機無法達到其預計壽命。1這可能是由于電機運行不充分、維護計劃不足、缺乏對 PdM 系統的投資，或者根本沒有 PdM 系統。PdM 使維護團隊能夠安排維修并避免計劃外停機。通過 PdM 及早預測機器故障還可以幫助維護工程師識別和修復運行效率低下的電機，從而提高性能、生產率、資產可用性和使用壽命。

的 PdM 策略是有效地利用盡可能多的技術和傳感器來及早并以高置信度檢測故障，因此，沒有一種傳感器適合所有人的解決方案。本文旨在闡明為什么預測性維護傳感器對于早期檢測 PdM 應用程序中的故障至關重要，以及它們的優缺點。

系統故障時間表

圖 1 顯示了從安裝新電機到電機故障的事件模擬時間線以及推薦的預測性維護傳感器類型。安裝新電機時，它在保修期內。幾年后，保修期滿，此時將實施更頻繁的人工巡檢團。

圖 1：機器健康狀況與時間的關系。（：Analog Devices）

如果在這些定期維護檢查之間出現故障，則可能會出現計劃外停機。在這種情況下，擁有正確的預測性維護傳感器以盡早檢測潛在故障變得至關重要，因此，本文將重點關注振動和聲學傳感器。振動分析通常被認為是 PdM 的起點。2個

預測性維護傳感器

一些傳感器可以比其他傳感器更早地檢測到某些故障，例如軸承損壞，如圖 1 所示。在本節中，將討論常用于盡早檢測故障的傳感器，即加速度計和麥克風。表 1 列出了傳感器規格和它們可以檢測到的一些故障。大多數 PdM 系統只會使用其中一些傳感器，因此必須確保充分了解潛在的關鍵故障以及適合檢測這些故障的傳感器。

表 1. 用于 CbM 的流行傳感器（：Analog Devices）點擊查看大圖

傳感器和系統故障注意事項

工業和商業應用中超過 90% 的旋轉機械都使用滾動軸承。3電機故障組件的分布如圖 2 所示，從中可以清楚地看出，在選擇 PdM 傳感器時，重點關注軸承監測非常重要。為了檢測、診斷和預測潛在故障，振動傳感器必須具有低噪聲和寬帶寬能力。

圖 2. 發生故障的電機組件的百分比。4（：Analog Devices）

表 2 顯示了與旋轉機器相關的一些常見故障以及用于 PdM 應用的一些相應振動傳感器要求。為了盡早檢測到故障，PdM 系統通常需要高性能傳感器。資產上使用的預測性維護傳感器的性能水平與資產在整個過程中能夠持續可靠運行的重要性相關，而不是以資產本身為代價。

表 2. 機器故障和振動傳感器注意事項的簡要概述（：Analog Devices） 點擊查看大圖

電機振動或運動中的能量（峰值、峰峰值和均方根）使我們能夠確定機器是否不平衡或未對準等。5一些故障，例如軸承或齒輪故障，并不那么明顯，尤其是在早期，并且不能僅通過振動的增加來識別或預測。這些故障通常需要具有低噪聲 （《100 μ g /√Hz） 和寬帶寬 （》5 kHz） 的高性能預測性維護振動傳感器，以及高性能信號鏈、處理、收發器和后處理。

用于 PdM 的振動、聲波和超聲波傳感器

微機電系統 （MEMS） 麥克風在 PCB 上包含一個 MEMS 元件，通常包含在帶有底部或頂部端口的金屬外殼中，以允許聲壓波進入內部。MEMS 麥克風提供低成本、小尺寸和有效的機器故障檢測方法，例如軸承狀況、齒輪嚙合、泵氣蝕、未對準和不平衡。這使得 MEMS 麥克風成為電池供電應用的理想選擇。它們可以位于離噪聲源很遠的地方并且是非侵入性的。當多個資產在運行時，基于麥克風的性能可能會由于來自其他機器的可聞噪聲量或環境因素（例如灰塵或濕度）進入麥克風的端口孔而受到影響。

大多數 MEMS 麥克風數據表仍然列出了相對良性的應用，例如移動終端、筆記本電腦、游戲設備和相機等。一些 MEMS 麥克風數據表將振動傳感或 PdM 列為潛在應用，但他們也提到對機械沖擊敏感的傳感器和處理不當會對零件造成性損壞。其他 MEMS 麥克風數據表表明機械沖擊耐受性高達 10，000 g。對于這些傳感器中的一些是否適合在存在潛在沖擊事件的非常惡劣的操作環境中操作，仍然不清楚。

MEMS 超聲波麥克風分析能夠在可聞噪聲增加的情況下監測復雜資產中的電機健康狀況，因為它會收聽噪聲少得多的非可聽頻譜（20 kHz 至 100 kHz）中的聲音。低頻可聽信號的波長通常在大約 1.7 cm 到 17 m 長的范圍內。高頻信號的波長范圍從大約 0.3 厘米到 1.6 厘米長。當波長的頻率增加時，能量增加，使超聲波更具指向性。這在試圖查明軸承或外殼中的故障時非常有用。

加速度計是常用的振動傳感器，振動分析是常用的 PdM 技術，主要用于大型旋轉設備，例如渦輪機、泵、電機和齒輪箱。表 3 和表 4 顯示了在選擇高性能 MEMS 振動和聲學傳感器與黃金標準壓電振動傳感器時需要考慮的一些關鍵規格。每列中的數據代表該類別中的/變化，與相鄰列無關。

CbM 行業將在未來五年內實現顯著增長，其中無線安裝將占這一增長的很大一部分。6由于尺寸、缺乏集成功能和功耗的組合，壓電加速度計不太適合無線 CbM 系統，但確實存在典型功耗范圍為 0.2 mA 至 0.5 mA 的解決方案。MEMS 加速度計和麥克風非常適合電池供電的 PdM 系統，因為它們尺寸小、功耗低且性能高。

所有傳感器都具有合適的帶寬和低噪聲，但 MEMS 加速度計是可以提供低至直流響應的傳感器，可用于檢測極低轉速下的不平衡和傾斜感測。MEMS 加速度計還具有自檢功能，可以驗證傳感器是否 100% 正常工作。這在安全關鍵型安裝中可能很有用，在這些安裝中，通過能夠驗證傳感器是否仍能正常工作，可以更輕松地滿足系統標準。

可以完全密封陶瓷封裝的 MEMS 加速度計和機械封裝的壓電加速度計，以在惡劣、骯臟的環境中使用。表 4 側重于傳感器的物理、機械和環境性能。在這里可以看出每個傳感器之間的主要區別，例如集成度、對惡劣環境的耐受性、機械性能以及與旋轉機器或支架的連接。

表 3. 預測性維護傳感器性能規格（：Analog Devices） 點擊查看大圖

表 4. 預測性維護傳感器機械規格（：Analog Devices） 點擊查看大圖

檢測三個軸上的振動數據可提供更多診斷見解，并可導致更好的故障檢測。雖然這在每個 PdM 安裝中都不是必需的，但它是壓電和 MEMS 加速度計在數據質量、布線和空間節省方面提供的明顯優勢。

當長時間暴露在增加的濕度中時，MEMS 麥克風顯示出高達 –8 dB 的失真。7 雖然這不是一個明顯的弱點，但如果您的 PdM 應用程序存在于高濕度的惡劣環境中，則值得考慮。在這種情況下，駐極體電容式麥克風 （ECM） 已顯示出優于 MEMS 麥克風的優勢。其他可能影響麥克風的環境條件包括風、大氣壓力、電磁場和機械沖擊。8個

在良性環境中，MEMS 麥克風可在 PdM 應用中提供出色的性能。目前，缺乏關于在振動、灰塵或濕度過高的惡劣操作環境中安裝 MEMS 麥克風的可用信息。振動會影響 MEMS 麥克風的性能，這是一個需要考慮的領域；但是，它們的振動靈敏度確實低于 ECM。9如果無線 PdM 解決方案使用 MEMS 麥克風，則安裝盒需要有一個孔或端口以允許聲學信號到達傳感器，這進一步增加了設計的復雜性，并可能使其他電子設備容易受到灰塵或濕氣的影響。

電容式 MEMS 加速度計技術的進展允許在優先級較低的資產上實施小型、低成本、低功耗的無線 CbM 解決方案，從而進一步深入了解設施管理并維持關鍵系統正常運行時間。這些進步還使 MEMS 加速度計更接近壓電性能，以用于更傳統的有線 CbM 系統。壓電加速度計具有如此低的噪聲和寬帶寬，加上行業標準連接（ICP 和 IEPE），幾十年來一直是振動測量中使用的黃金標準傳感器。MEMS 加速度計已經過調整以與 IEPE 標準模塊接口，如圖 3 所示。轉換電路基于 Circuits from the Lab ？ 參考設計。該電路是在一個特殊的 PCB 上設計的，該 PCB 具有在寬帶寬上運行的特點，并準備好在后期設計到機械模塊中。

圖 3. MEMS 加速度計、IEPE 參考、PCB 設計允許在 IEPE 機械模塊中改造 ADXL100x 系列 CbM 加速度計。注：Analog Devices 不生產 IEPE 機械模塊。（：Analog Devices）

專用 PdM 模塊，如Analog Devices 的ADcmXL3021 ，提供了一種集成的傳感器設計方法。例如，圖 4 中所示的設備包含三個單軸 MEMS 加速度計、三個 ADC、一個處理器、存儲器和算法，所有這些都位于一個諧振頻率超過 50 kHz 的機械模塊中。這突出了 MEMS 加速度計在傳感器節點集成智能的能力，確保傳感器與信號鏈和處理配對以實現性能。該模塊可以執行 FFT，觸發各種時域或頻域警報，并生成對算法或機器學習工具預測故障至關重要的時域靜態數據。

圖 4. 具有集成 ADC、處理器、FFT 和統計功能的三軸 MEMS CbM 模塊，以及諧振頻率超過 50 kHz 的機械封裝。（：Analog Devices）

在為您的 PdM 解決方案選擇合適的振動傳感器時，真正的挑戰在于配對傳感器以滿足資產可能的潛在故障模式。MEMS 麥克風尚未被證明足夠穩健，無法在惡劣的環境中可靠地檢測所有基于振動的故障模式，而振動傳感、加速度計的行業標準已成功實施并可靠地運行了幾十年。MEMS 超聲波麥克風在檢測軸承故障方面表現出比加速度計更早的有前途的性能，這種潛在的共生關系可以為您未來的資產振動分析需求提供 PdM 解決方案。

雖然很難推薦在 PdM 系統中使用單個振動傳感器，但加速度計有成功的歷史，并且會繼續發展和改進。Analog Devices 等制造商提供一系列 MEMS 加速度計，從通用、低功耗、低噪聲、高穩定性和高g到智能邊緣節點模塊，以滿足應用的不同要求。