本文转载自：贸泽电子微信公众号
机器设备的维护，是工业生产中面临的一个重要课题。传统上，判断机器的状态是否需要维护，是由操作员依靠自己的直觉和经验来决定的，这显然不太靠谱；另一种方法则是严格按照运维手册进行定期保养，做预防性维护，这又会多做不少无用功，而且真的遇到突发事件，还是很难及时检测出来；而如果等到机器出了问题，再被动地进行纠正性的维护和维修，这造成的损失可能会更大……是否能够对机器的状态做出更主动、更及时、更精准的监测和评估，让维护工作做得恰到好处？这一直是人们求索的方向。
随着物联网、机器学习等技术的兴起，预测性维护和基于条件的维护（PdM / CbM）等新概念进入了人们的视野。简单来讲，预测性维护就是基于从生产现场收集的大量实时数据，利用专门训练出来的预测模型，对机器设备状态做出预判，帮助专业运维人员及时发现存在的问题和隐患，并根据需要主动进行维护的方式。这无疑有助于提高机器设备运作的可靠性，减少停机时间，提高工作效率。
根据Markets and markets的研究报告 ，全球机器状态监控市场规模预计将从2021年的26亿美元增长到2026年的36亿美元，年复合增长率将达7.1%。人们对工业领域预测性维护的兴趣，由此可见一斑。
预测性维护中的加速度传感器
实现预测性维护，一个重要的基础性工作就是数据的采集，这个工作是由传感器来完成的，它们会感测并汇集包括温度、压力、振动、旋转速度、电流、液体特性等有价值的数据，作为预测的依据。
在诸多数据中，振动是最为关键的一个，因为旋转机器一旦出现问题（如滚珠轴承故障、轴偏差、不平衡、过度松散等），就会通过振动频谱反映出来，而且可以根据频谱的特征判断出问题根源出在哪里。而这些振动相关数据的感测和获取工作，则需要加速度传感器来完成。
图1：机械冲击造成的有断裂（黄色）和无断裂（蓝色）情况下的频谱图，可以明显观察到两者的差别（图源：TE）
为了对振动进行有效而可靠的感测，传统的方法是将加速度传感器安装在机器上，再通过硬连接方式接回中央机械保护系统（例如振动监视器）。这种方式虽然可靠，但价格昂贵，因此通常仅用于高价值的大型旋转机器。但随着工业4.0落地，预测性维护应用也逐渐下探到更多的中小型设备和系统中，这也就催热了体积更小、综合成本更低、易用性和灵活性更强的嵌入式加速度计市场。
要想实现长期、可靠、稳定和准确的感测，为工业状态监测和预见性维护提供精准的数据，嵌入式加速度计需要具备以下一些特性：
宽频率响应
由于不同故障的振动频谱分布很广，为了尽可能检测到所有机械设备的故障，加速度传感器需要有较宽的频率响应范围。一般对于轴承监测，加速度传感器的频率响应应为轴转速的40至50倍；而对于风扇和变速箱，加速度传感器的最小频响上限应为叶片通过频响的4至5倍。
分辨率和动态范围
加速度传感器的测量分辨率，是输出信号幅度与板载电子器件宽带噪声比值的函数。分辨率高，则意味着加速度传感器可测量到更小振幅的振动相比于使用动态范围较低的传感器，这种对较低振幅的“捕获”能力使得用户能够更早地发现故障。噪声会影响测量分辨率，因此一般而言，输出信号应当比传感器噪声水平高出10倍，才能保证输出可靠的测量结果。
长期稳定性
随着使用时间的增加，加速度传感器的性能会发生漂移，这种变化可能会触发误报警，因此对于持续运转的工业设备，加速度计的长期可靠、稳定性十分关键。
易用性
易用性主要体现在两个方面：一是需要加速度传感器根据不同设计需要，能够提供不同的封装选项，方便“嵌入”到最终的应用场景中；二是由于传感器检测到的模拟信号，最终是要转换为数字信号交由主控设备处理的，所以提供数字输出，也成为了传统模拟输出之外一个提升产品易用性的重要选项。
两种嵌入式加速度计如何选？
目前用于预测性维护的嵌入式加速度计主要有两种类型：
为了适应预测性维护应用的要求，VC MEMS和PE两种加速度传感器技术都在不断地演进。对照上文所述的嵌入式加速度计的特性要求。我们会发现，相较而言，PE加速度计在预测性维护中的优势更明显一些，这主要体现在以下几个方面——
首先，大多数PE传感器都是基于锆钛酸铅陶瓷 (PZT)，这些陶瓷经过极化处理，可排列偶极子并使晶体产生压电效应。由于PZT晶体具有较大的频率响应范围——可支持>20KHz的应用——因此它们是状态监测应用的理想选择。从图中可以看出，VC MEMS传感器在低频端有较好的频率响应特性，而在3kHz以上就会有明显的偏差；而PE传感器的表现在10kHz的频率范围内则一直都很稳定。
图2：PE和VC MEMS加速度传感器的频率响应特性（图源：TE）
其次，PE加速度计具有更高的分辨率以及更好的动态范围，便于用户在更早的阶段检测到潜在的问题。下图展示的是基于0.03-10KHz带宽对几款PE和VC MEMS加速度计产品进行测量的结果。可以看到， PE传感器的分辨率约高出VC MEMS传感器9倍。
图3：PE比VC MEMS加速度传感器具有更高的分辨率和动态范围（图源：TE）
再有，从长期稳定性来看，PZT压电晶体具有更佳的稳定性，基于该材料的PE加速度计随着时间的推移也表现出了优异的稳定性。虽然从原理上讲，采用体硅微机械加工的MEMS传感器具有最佳的长期漂移特性，但其成本比较高，因此通常使用在惯性应用中；而针对状态监测，采用的则是基于表面微机械加工工艺的 VC MEMS 传感器，这类传感器的成本较低，但在分辨率和长期稳定性上的表现会有折中。因此综合比较下来，采用PZT材料的PE加速度计是能够兼顾性能和成本的最佳选择。
此外，PE传感元件本身不需要电源，电荷到电压转换的信号调节可以在电流要求极低的器件中实现；而VC MEMS传感器由于在使用中需要不断被激活，功耗通常明显高于压电传感器。
归纳一下，对于那些频率响应带宽较低、对成本更为敏感的振动感测应用，VC MEMS可能是不错的选择；而对于在频率响应范围、分辨率和动态范围、长期稳定性、功耗等方面有更高要求的工业领域的状态监控应用，PE加速度计则应该是优先考虑的选项。
图4：PE比VC MEMS加速度传感器特性比较（图源：TE）
TE的嵌入式状态监测加速度计产品组合
为了响应工业状态监控和预测性维护市场的需求，TE Connectivity（以下简称TE）可以提供一系列嵌入式PE加速度计，它们包括单轴和三轴的产品，具有不同的测量范围和封装形式，以适应不同终端应用的设计要求。
图5：TE主要的嵌入式PE加速度计（图源：TE）
其中，830M1三轴状态监测加速度计是一款低成本、小型化、SMT安装式的加速度计专为嵌入式状态监测与预防性维护应用而设计。其测量范围为±25g至±2000g，在所有三个轴上均具有高达15kHz的平坦频率响应，且具有低功耗的特性。
830M1加速度计采用剪切模式设计，具有三个独立且稳定的压电陶瓷晶体。它采用完全密封的无引线芯片载体 (LCC) 封装，封装内还包括一个Ni1000镍薄膜RTD温度传感器，可在单个封装中实现“振动+温度”组合式感测。
对于那些小型化设备的高性价比状态监控，830M1再合适不过了。如果你需要单轴的版本，还可以选择同系列的820M1。
图6：830M1三轴PE加速度计框图（图源：TE）
如果你在设计中，需要将PE传感器直接安装到轴承座上，TE还可提供采用坚固的TO-5罐状封装、带有不锈钢外壳的805M1单轴3线加速度计，它的动态量程为±20g至±500g，可提供12kHz的平坦频率响应，灵敏范围为4-100mV/g，支持粘合剂或螺钉两种安装方式。由于805M1将稳定的压电陶瓷晶体与低功率处理电路相结合，封装在一个屏蔽外壳中，因而适用于很多工业现场的状态监测应用。
图7：805M1 TO-5单轴3线加速度计（图源：TE）
“全能”的无线加速度传感器
在高性能、全系列的PE状态监控加速度传感器基础上，TE还向前迈了一步，将传感器、数据收集器、数字信号处理器和LoRaWAN™无线电整合成一个外形紧凑、可以通过电池供电的完整无线加速度传感器系统——这就是8911无线加速度传感器。
图8：8911无线加速度传感器（图源：TE）
采用8911无线加速度传感器，有助于客户快速完成设计概念的验证，轻松地将远程无线状态监测功能添加到机器设备中。这款无线加速度传感器主要的优势特性包括：
低功耗无线连接
8911无线加速度计采用了LoRaWAN™这一低功耗广域网络协议，可以实现电池驱动设备的无线连网，且具有传输距离长、不易受到外部信号干扰的特点，可以安全、快捷地将状态监控和预测性维护植入到有线网络难于达到的工厂区域。
实现边缘计算
8911无线加速度传感器中内置微处理器，提供环境温度传感并在设备中计算FFT（快速傅里叶变换），实现在边缘进行数据处理。
外形小巧
该产品采用抗腐蚀的不锈钢外壳和塑料盖设计以及外形紧凑型设计（1.25" 六角 x 3.1" 高度），其安装规格和螺柱尺寸是标准的，因此可以快速安装在现有和全新的机械装置上。
性能可靠
一方面，8911无线加速度传感器稳健的信号能够防止干扰和中断；另一方面，坚固耐用的不锈钢传感器护套，以及O型环密封圈，使其达到了IP66防护等级，可确保在严苛、恶劣的环境中有效运行。
超长工作时间
8911无线加速度传感器具有极低的休眠待机功耗，如果合理设定采样间隔，此传感器的电池寿命可长达10年。由于采用压电式传感元件，与 MEMS解决方案相比，其具有高带宽、高测量分辨率和超低功耗的优势，有利于在增强机器故障检测能力的同时，延长电池使用寿命。
图8：8911无线加速度传感器框图（图源：TE）
有数据显示，工业传感器市场规模将从2020年的182亿美元增长到2025年的290亿美元，复合年增长率达到了9.8%。与此同时，工业传感器正在朝向更加智能、更低功耗、更小尺寸、更高性能、更简便易用的方向发展。这一趋势，在面向状态监控和预测性维护的加速度传感器身上，更是体现得淋漓尽致。
因应市场的发展，TE依托自身在PE加速度传感器领域的技术优势，从广度上延展出丰富的产品系列，在深度上开发出了8911这样的完整无线加速度计方案，可以说为预测性维护应用的落地，提供了一种“先知先觉”的关键能力，在未来工业领域中，是一种不可或缺的存在。
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