基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)（CbM） 涉及使用傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)器或資產(chǎn)以測(cè)量當(dāng)前的健康狀況。預(yù)測(cè)性維護(hù) （PdM） 涉及 CbM、機(jī)器學(xué)習(xí)和分析等技術(shù)的組合，以預(yù)測(cè)即將發(fā)生的機(jī)器或資產(chǎn)故障。在監(jiān)控機(jī)器的健康狀況時(shí)，選擇合適的傳感器以確保可以檢測(cè)、診斷甚至預(yù)測(cè)故障至關(guān)重要。目前有許多傳感器用于檢測(cè)和檢測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械及其負(fù)載中的故障，終目標(biāo)是避免意外停機(jī)。由于 PdM 技術(shù)應(yīng)用于大量旋轉(zhuǎn)機(jī)器（電機(jī)、齒輪、泵和渦輪機(jī)）和非旋轉(zhuǎn)機(jī)器（閥門、斷路器和電纜），因此很難對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行。

許多工業(yè)電機(jī)設(shè)計(jì)為在連續(xù)生產(chǎn)應(yīng)用中工作長(zhǎng)達(dá) 20 年，例如化學(xué)和食品加工廠以及發(fā)電設(shè)施，但有些電機(jī)無(wú)法達(dá)到其預(yù)計(jì)壽命。1這可能是由于電機(jī)運(yùn)行不充分、維護(hù)計(jì)劃不足、缺乏對(duì) PdM 系統(tǒng)的投資，或者根本沒(méi)有 PdM 系統(tǒng)。PdM 使維護(hù)團(tuán)隊(duì)能夠安排維修并避免計(jì)劃外停機(jī)。通過(guò) PdM 及早預(yù)測(cè)機(jī)器故障還可以幫助維護(hù)工程師識(shí)別和修復(fù)運(yùn)行效率低下的電機(jī)，從而提高性能、生產(chǎn)率、資產(chǎn)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(shù)和傳感器來(lái)及早并以高置信度檢測(cè)故障，因此，沒(méi)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(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器對(duì)于早期檢測(cè) PdM 應(yīng)用程序中的故障至關(guān)重要，以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

系統(tǒng)故障時(shí)間表

圖 1 顯示了從安裝新電機(jī)到電機(jī)故障的事件模擬時(shí)間線以及推薦的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器類型。安裝新電機(jī)時(shí)，它在保修期內(nèi)。幾年后，保修期滿，此時(shí)將實(shí)施更頻繁的人工巡檢團(tuán)。

圖 1：機(jī)器健康狀況與時(shí)間的關(guān)系。（：Analog Devices）

如果在這些定期維護(hù)檢查之間出現(xiàn)故障，則可能會(huì)出現(xiàn)計(jì)劃外停機(jī)。在這種情況下，擁有正確的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器以盡早檢測(cè)潛在故障變得至關(guān)重要，因此，本文將重點(diǎn)關(guān)注振動(dòng)和聲學(xué)傳感器。振動(dòng)分析通常被認(rèn)為是 PdM 的起點(diǎn)。2個(gè)

預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器

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

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

傳感器和系統(tǒng)故障注意事項(xiàng)

工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中超過(guò) 90% 的旋轉(zhuǎn)機(jī)械都使用滾動(dòng)軸承。3電機(jī)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(shí)，重點(diǎn)關(guān)注軸承監(jiān)測(cè)非常重要。為了檢測(cè)、診斷和預(yù)測(cè)潛在故障，振動(dòng)傳感器必須具有低噪聲和寬帶寬能力。

圖 2. 發(fā)生故障的電機(jī)組件的百分比。4（：Analog Devices）

表 2 顯示了與旋轉(zhuǎn)機(jī)器相關(guān)的一些常見(jiàn)故障以及用于 PdM 應(yīng)用的一些相應(yīng)振動(dòng)傳感器要求。為了盡早檢測(cè)到故障，PdM 系統(tǒng)通常需要高性能傳感器。資產(chǎn)上使用的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器的性能水平與資產(chǎn)在整個(gè)過(guò)程中能夠持續(xù)可靠運(yùn)行的重要性相關(guān)，而不是以資產(chǎn)本身為代價(jià)。

表 2. 機(jī)器故障和振動(dòng)傳感器注意事項(xiàng)的簡(jiǎn)要概述（：Analog Devices） 點(diǎn)擊查看大圖

電機(jī)振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)中的能量（峰值、峰峰值和均方根）使我們能夠確定機(jī)器是否不平衡或未對(duì)準(zhǔn)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(guò)振動(dòng)的增加來(lái)識(shí)別或預(yù)測(cè)。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(yù)測(cè)性維護(hù)振動(dòng)傳感器，以及高性能信號(hào)鏈、處理、收發(fā)器和后處理。

用于 PdM 的振動(dòng)、聲波和超聲波傳感器

微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 麥克風(fēng)在 PCB 上包含一個(gè) 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(jìn)入內(nèi)部。MEMS 麥克風(fēng)提供低成本、小尺寸和有效的機(jī)器故障檢測(cè)方法，例如軸承狀況、齒輪嚙合、泵氣蝕、未對(duì)準(zhǔn)和不平衡。這使得 MEMS 麥克風(fēng)成為電池供電應(yīng)用的理想選擇。它們可以位于離噪聲源很遠(yuǎn)的地方并且是非侵入性的。當(dāng)多個(gè)資產(chǎn)在運(yùn)行時(shí)，基于麥克風(fēng)的性能可能會(huì)由于來(lái)自其他機(jī)器的可聞噪聲量或環(huán)境因素（例如灰塵或濕度）進(jìn)入麥克風(fēng)的端口孔而受到影響。

大多數(shù) MEMS 麥克風(fēng)數(shù)據(jù)表仍然列出了相對(duì)良性的應(yīng)用，例如移動(dòng)終端、筆記本電腦、游戲設(shè)備和相機(jī)等。一些 MEMS 麥克風(fēng)數(shù)據(jù)表將振動(dòng)傳感或 PdM 列為潛在應(yīng)用，但他們也提到對(duì)機(jī)械沖擊敏感的傳感器和處理不當(dāng)會(huì)對(duì)零件造成性損壞。其他 MEMS 麥克風(fēng)數(shù)據(jù)表表明機(jī)械沖擊耐受性高達(dá) 10，000 g。對(duì)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(huán)境中操作，仍然不清楚。

MEMS 超聲波麥克風(fēng)分析能夠在可聞噪聲增加的情況下監(jiān)測(cè)復(fù)雜資產(chǎn)中的電機(jī)健康狀況，因?yàn)樗鼤?huì)收聽(tīng)噪聲少得多的非可聽(tīng)頻譜（20 kHz 至 100 kHz）中的聲音。低頻可聽(tīng)信號(hào)的波長(zhǎng)通常在大約 1.7 cm 到 17 m 長(zhǎng)的范圍內(nèi)。高頻信號(hào)的波長(zhǎng)范圍從大約 0.3 厘米到 1.6 厘米長(zhǎng)。當(dāng)波長(zhǎng)的頻率增加時(shí)，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(shí)非常有用。

加速度計(jì)是常用的振動(dòng)傳感器，振動(dòng)分析是常用的 PdM 技術(shù)，主要用于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，例如渦輪機(jī)、泵、電機(jī)和齒輪箱。表 3 和表 4 顯示了在選擇高性能 MEMS 振動(dòng)和聲學(xué)傳感器與黃金標(biāo)準(zhǔn)壓電振動(dòng)傳感器時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵規(guī)格。每列中的數(shù)據(jù)代表該類別中的/變化，與相鄰列無(wú)關(guān)。

CbM 行業(yè)將在未來(lái)五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，其中無(wú)線安裝將占這一增長(zhǎng)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(jì)不太適合無(wú)線 CbM 系統(tǒng)，但確實(shí)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(jì)和麥克風(fēng)非常適合電池供電的 PdM 系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兂叽缧　⒐牡颓倚阅芨摺?/p>

所有傳感器都具有合適的帶寬和低噪聲，但 MEMS 加速度計(jì)是可以提供低至直流響應(yīng)的傳感器，可用于檢測(cè)極低轉(zhuǎn)速下的不平衡和傾斜感測(cè)。MEMS 加速度計(jì)還具有自檢功能，可以驗(yàn)證傳感器是否 100% 正常工作。這在安全關(guān)鍵型安裝中可能很有用，在這些安裝中，通過(guò)能夠驗(yàn)證傳感器是否仍能正常工作，可以更輕松地滿足系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

可以完全密封陶瓷封裝的 MEMS 加速度計(jì)和機(jī)械封裝的壓電加速度計(jì)，以在惡劣、骯臟的環(huán)境中使用。表 4 側(cè)重于傳感器的物理、機(jī)械和環(huán)境性能。在這里可以看出每個(gè)傳感器之間的主要區(qū)別，例如集成度、對(duì)惡劣環(huán)境的耐受性、機(jī)械性能以及與旋轉(zhuǎn)機(jī)器或支架的連接。

表 3. 預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器性能規(guī)格（：Analog Devices） 點(diǎn)擊查看大圖

表 4. 預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器機(jī)械規(guī)格（：Analog Devices） 點(diǎn)擊查看大圖

檢測(cè)三個(gè)軸上的振動(dòng)數(shù)據(jù)可提供更多診斷見(jiàn)解，并可導(dǎo)致更好的故障檢測(cè)。雖然這在每個(gè) PdM 安裝中都不是必需的，但它是壓電和 MEMS 加速度計(jì)在數(shù)據(jù)質(zhì)量、布線和空間節(jié)省方面提供的明顯優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間暴露在增加的濕度中時(shí)，MEMS 麥克風(fēng)顯示出高達(dá) –8 dB 的失真。7 雖然這不是一個(gè)明顯的弱點(diǎn)，但如果您的 PdM 應(yīng)用程序存在于高濕度的惡劣環(huán)境中，則值得考慮。在這種情況下，駐極體電容式麥克風(fēng) （ECM） 已顯示出優(yōu)于 MEMS 麥克風(fēng)的優(yōu)勢(shì)。其他可能影響麥克風(fēng)的環(huán)境條件包括風(fēng)、大氣壓力、電磁場(chǎng)和機(jī)械沖擊。8個(gè)

在良性環(huán)境中，MEMS 麥克風(fēng)可在 PdM 應(yīng)用中提供出色的性能。目前，缺乏關(guān)于在振動(dòng)、灰塵或濕度過(guò)高的惡劣操作環(huán)境中安裝 MEMS 麥克風(fēng)的可用信息。振動(dòng)會(huì)影響 MEMS 麥克風(fēng)的性能，這是一個(gè)需要考慮的領(lǐng)域；但是，它們的振動(dòng)靈敏度確實(shí)低于 ECM。9如果無(wú)線 PdM 解決方案使用 MEMS 麥克風(fēng)，則安裝盒需要有一個(gè)孔或端口以允許聲學(xué)信號(hào)到達(dá)傳感器，這進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并可能使其他電子設(shè)備容易受到灰塵或濕氣的影響。

電容式 MEMS 加速度計(jì)技術(shù)的進(jìn)展允許在優(yōu)先級(jí)較低的資產(chǎn)上實(shí)施小型、低成本、低功耗的無(wú)線 CbM 解決方案，從而進(jìn)一步深入了解設(shè)施管理并維持關(guān)鍵系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間。這些進(jìn)步還使 MEMS 加速度計(jì)更接近壓電性能，以用于更傳統(tǒng)的有線 CbM 系統(tǒng)。壓電加速度計(jì)具有如此低的噪聲和寬帶寬，加上行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接（ICP 和 IEPE），幾十年來(lái)一直是振動(dòng)測(cè)量中使用的黃金標(biāo)準(zhǔn)傳感器。MEMS 加速度計(jì)已經(jīng)過(guò)調(diào)整以與 IEPE 標(biāo)準(zhǔn)模塊接口，如圖 3 所示。轉(zhuǎn)換電路基于 Circuits from the Lab ？ 參考設(shè)計(jì)。該電路是在一個(gè)特殊的 PCB 上設(shè)計(jì)的，該 PCB 具有在寬帶寬上運(yùn)行的特點(diǎn)，并準(zhǔn)備好在后期設(shè)計(jì)到機(jī)械模塊中。

圖 3. MEMS 加速度計(jì)、IEPE 參考、PCB 設(shè)計(jì)允許在 IEPE 機(jī)械模塊中改造 ADXL100x 系列 CbM 加速度計(jì)。注：Analog Devices 不生產(chǎn) IEPE 機(jī)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(shè)計(jì)方法。例如，圖 4 中所示的設(shè)備包含三個(gè)單軸 MEMS 加速度計(jì)、三個(gè) ADC、一個(gè)處理器、存儲(chǔ)器和算法，所有這些都位于一個(gè)諧振頻率超過(guò) 50 kHz 的機(jī)械模塊中。這突出了 MEMS 加速度計(jì)在傳感器節(jié)點(diǎn)集成智能的能力，確保傳感器與信號(hào)鏈和處理配對(duì)以實(shí)現(xiàn)性能。該模塊可以執(zhí)行 FFT，觸發(fā)各種時(shí)域或頻域警報(bào)，并生成對(duì)算法或機(jī)器學(xué)習(xí)工具預(yù)測(cè)故障至關(guān)重要的時(shí)域靜態(tài)數(shù)據(jù)。

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

在為您的 PdM 解決方案選擇合適的振動(dòng)傳感器時(shí)，真正的挑戰(zhàn)在于配對(duì)傳感器以滿足資產(chǎn)可能的潛在故障模式。MEMS 麥克風(fēng)尚未被證明足夠穩(wěn)健，無(wú)法在惡劣的環(huán)境中可靠地檢測(cè)所有基于振動(dòng)的故障模式，而振動(dòng)傳感、加速度計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已成功實(shí)施并可靠地運(yùn)行了幾十年。MEMS 超聲波麥克風(fēng)在檢測(cè)軸承故障方面表現(xiàn)出比加速度計(jì)更早的有前途的性能，這種潛在的共生關(guān)系可以為您未來(lái)的資產(chǎn)振動(dòng)分析需求提供 PdM 解決方案。

雖然很難推薦在 PdM 系統(tǒng)中使用單個(gè)振動(dòng)傳感器，但加速度計(jì)有成功的歷史，并且會(huì)繼續(xù)發(fā)展和改進(jìn)。Analog Devices 等制造商提供一系列 MEMS 加速度計(jì)，從通用、低功耗、低噪聲、高穩(wěn)定性和高g到智能邊緣節(jié)點(diǎn)模塊，以滿足應(yīng)用的不同要求。