作者：Shuai Ren，軟件系統(tǒng)應(yīng)用工程師

Tomasz Potacza?a，AMC TECH技術(shù)總監(jiān)

摘要

本文深入探討了一款先進(jìn)的智能振動傳感器，重點(diǎn)介紹它基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的設(shè)計、功能和應(yīng)用。這款傳感器的核心目標(biāo)是在各種工業(yè)和研究環(huán)境中提供高精度、高可靠性和實時監(jiān)測能力，展現(xiàn)ADI公司不同MEMS傳感技術(shù)的實際應(yīng)用價值。

引言

在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中，對機(jī)械健康狀態(tài)進(jìn)行精確、可靠且實時的監(jiān)測變得空前重要。狀態(tài)監(jiān)控(CbM)系統(tǒng)已成為預(yù)測性維護(hù)策略的基石，旨在盡可能地減少停機(jī)時間、提高生產(chǎn)率并降低維護(hù)成本。采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的先進(jìn)傳感器，結(jié)合復(fù)雜的診斷算法，正在拓寬能夠評估的各類機(jī)械的范圍。MEMS加速度計的性能近年來取得了進(jìn)步，已具備與壓電振動傳感器分庭抗禮的實力。這類MEMS振動傳感器不僅擁有低功耗、小尺寸、高集成度、寬帶寬等關(guān)鍵優(yōu)勢，噪聲水平更低于100μg/√Hz，為維護(hù)和設(shè)備工程師開辟了全新的CbM范式，助力檢測、診斷、預(yù)測和規(guī)避機(jī)器故障。得益于MEMS加速度計的超低功耗特性，有線系統(tǒng)逐步被無線解決方案替代，單軸壓電傳感器也升級為小巧輕便的三軸模擬器件，更廣泛的機(jī)械設(shè)備得以通過經(jīng)濟(jì)高效的方式實現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測。本文將探討基于MEMS技術(shù)的振動傳感器最新成果，尤其是先進(jìn)的AVS 1001HF（高頻）與AVS 1003LF（低頻）加速度計。

狀態(tài)監(jiān)控

面向機(jī)器人及渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)控傳感器(CMS)，可實時記錄與機(jī)械健康狀態(tài)及運(yùn)行性能相關(guān)的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)針對性的預(yù)測性維護(hù)和優(yōu)化控制。在機(jī)械生命周期的早期階段，開展針對性的預(yù)測性維護(hù)可降低生產(chǎn)停機(jī)風(fēng)險，進(jìn)而提高可靠性并顯著節(jié)省成本，讓工廠車間的生產(chǎn)效率更上一層樓。據(jù)統(tǒng)計，對于遭遇過意外停機(jī)的企業(yè)而言，平均每次停機(jī)持續(xù)4小時，每次造成200萬美元損失，且這類企業(yè)平均每年會發(fā)生2次停機(jī)事件。1,2

CbM的重要性

CbM的主要功能是提供實時數(shù)據(jù)，為機(jī)械的維護(hù)計劃提供依據(jù)。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式確保僅在必要時才進(jìn)行維護(hù)，從而預(yù)防意外故障并延長設(shè)備的使用壽命。通過減少意外停機(jī)，CbM系統(tǒng)有助于維持連續(xù)的生產(chǎn)流程并優(yōu)化資源分配。

具體的解決方案是什么？

這些加速度計代表了工業(yè)資產(chǎn)健康監(jiān)測領(lǐng)域的重大進(jìn)步。這款傳感器的核心目標(biāo)是在各種工業(yè)和研究環(huán)境中提供高精度、高可靠性和實時監(jiān)測能力，展現(xiàn)ADI公司不同MEMS傳感技術(shù)的實際應(yīng)用價值。

通過整合高頻與低頻振動測量能力，結(jié)合實時數(shù)據(jù)處理與傳輸功能，這些傳感器為預(yù)測性維護(hù)提供了全方位解決方案。它們易于集成、用途廣泛且精度出眾，成為工業(yè)環(huán)境中提升生產(chǎn)效率、減少停機(jī)時間、優(yōu)化維護(hù)策略的得力助手。

AVS傳感器系列重新定義了狀態(tài)監(jiān)控，不僅提高了機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率，更為工業(yè)資產(chǎn)健康管理樹立了新標(biāo)桿。隨著各行各業(yè)不斷采用智能技術(shù)，像AVS系列這樣的先進(jìn)傳感器將在推動下一代工業(yè)自動化與維護(hù)發(fā)展方面發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。

此解決方案有何優(yōu)勢？

全新AVS傳感器系列的一大核心優(yōu)勢在于重新定義了狀態(tài)監(jiān)控。傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控(CbM)需要傳感器、大量布線以及專用的數(shù)據(jù)采集/處理單元。而借助智能AVS傳感器，所有這些功能如今都可在傳感器內(nèi)部完成。分析結(jié)果能直接發(fā)送至可編程邏輯控制器(PLC)或監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)。通過使用數(shù)字RS-485接口，僅需一根線纜就能連接多個傳感器。

另一重要優(yōu)勢是AVS傳感器應(yīng)用的靈活性：器件正常運(yùn)行時，僅需發(fā)送計算得出的參數(shù)；若需要更深入的分析，則可發(fā)送原始振動信號并進(jìn)行解析。

AVS 1001HF和AVS 1003LF傳感器

AVS 1001HF傳感器

AVS 1001HF是一款單軸數(shù)字式高頻加速度計，除了可測量振動外，還具備溫度檢測功能。這款傳感器可對振動加速度信號進(jìn)行處理，通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-485數(shù)字接口及Modbus協(xié)議輸出數(shù)據(jù)。它能提供兩類數(shù)據(jù)：振動原始數(shù)據(jù)流或經(jīng)計算得出的振動信號參數(shù)（見圖1）。

圖1.AVS 1001HF傳感器

AVS 1003LF傳感器

AVS 1003LF是一款三軸數(shù)字式低頻加速度計。與AVS 1001HF類似，它可同時測量振動與溫度，并通過RS-485接口及Modbus協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，旨在實現(xiàn)三個軸向的全方位監(jiān)測（見圖2）。

圖2.AVS 1003LF傳感器。

這兩款傳感器的詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)參見表1。

表1.技術(shù)規(guī)格

應(yīng)用：

-保護(hù)

-機(jī)器監(jiān)測

-狀態(tài)評估

-動態(tài)狀態(tài)測量

新型AVS傳感器系列的優(yōu)勢

直接訪問數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)

集成了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接訪問功能后，無需大量布線，也無需專用的數(shù)據(jù)采集/處理單元，所有功能均在傳感器內(nèi)部完成，不僅顯著簡化了安裝流程，還降低了整體成本。

應(yīng)用的多功能性

AVS傳感器具備出色的多功能性。正常運(yùn)行時，僅發(fā)送計算得出的參數(shù)，可節(jié)省帶寬和處理能力；如需更深入的分析，可傳輸并解析原始振動信號，從而更透徹地掌握機(jī)械的狀態(tài)。

可靠的數(shù)據(jù)傳輸

通過使用數(shù)字RS-485接口，單根線纜即可連接多個傳感器，確保在1公里范圍內(nèi)實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，從而盡可能地減少了工業(yè)噪聲干擾，同時為傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展提供了便利。

高精度與低噪聲

兩款傳感器均具有高靈敏度和低噪聲特性，提升了振動數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。AVS 1001HF的靈敏度高達(dá)100 mV/g，噪聲密度為4 µg/√Hz；AVS 1003LF的噪聲密度為80 µg/√Hz，即便在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，也能保證測量的精準(zhǔn)性。

MEMS技術(shù)

此類傳感器的核心優(yōu)勢源于MEMS技術(shù)，能夠?qū)⑽⑿统叽缗c高性能有效結(jié)合。MEMS傳感器具備堅固耐用的特性，對于高要求的工業(yè)應(yīng)用而言至關(guān)重要。

高帶寬和三軸傳感的重要性

高帶寬：用于捕捉故障

ADXL1002單軸加速度計擁有11 kHz、3 dB的帶寬，對捕捉高頻軸承及齒輪故障而言不可或缺，因為低帶寬傳感器極易遺漏此類故障。憑借高帶寬能力，可對關(guān)鍵部件進(jìn)行精細(xì)化分析，確保及早發(fā)現(xiàn)并預(yù)防潛在故障（見圖 3）。

圖3.ADXL1002的頻率響應(yīng)、高頻(>5 kHz)振動響應(yīng)；

三軸傳感：實現(xiàn)全方位監(jiān)測

三軸傳感解決方案（如AVS 1003LF所提供的方案）對于預(yù)測單軸傳感器可能遺漏的故障至關(guān)重要。通過捕捉三個軸向的數(shù)據(jù)，這些傳感器能夠更全面地呈現(xiàn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，從而優(yōu)化故障預(yù)測與維護(hù)計劃的制定。

案例研究

AVS 1001HF與AVS 1003LF加速度計已整合至AMC云端狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中。傳感器采集的原始信號傳輸至邊緣處理單元，計算出診斷特征后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器。客戶可快速便捷地獲取有關(guān)機(jī)械健康狀態(tài)的信息。系統(tǒng)提供的圖表包括：設(shè)備分布圖、自定義模擬圖（含柱狀圖等多種組件）、報警信息、趨勢圖、波形圖、頻譜圖等。圖4展示了系統(tǒng)提供的部分圖表。

圖4.可配置的柱狀圖

可配置的柱狀圖方便操作人員快速評估。若出現(xiàn)超限情況，柱形會改變顏色：黃色表示警告，紅色表示報警。還可添加圖片及其他組件，使信息更通俗易懂且直觀易用。

此外，通過數(shù)字協(xié)議（如Modbus、OPC UA和MQTT），可輕松實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。另一實用功能是能夠?qū)㈥P(guān)注的數(shù)據(jù)導(dǎo)出至文件，以便進(jìn)行深入透徹的分析（見圖7）。

圖5.事件/警報視圖。

另一種一級圖表是事件/警報視圖（圖5）。操作人員可查看當(dāng)前活躍的閾值超限情況，也可查閱歷史變化記錄。當(dāng)然，系統(tǒng)提供了多種篩選選項，能讓操作人員大幅節(jié)省時間。

圖6.所選振動參數(shù)的歷史記錄。

趨勢圖展示了所選振動參數(shù)（均方根值和速度均方根值）的歷史變化（圖6）。用戶可快速掌握這些參數(shù)隨時間的變化特征，例如波動性、上升趨勢，或與其他測量值的相關(guān)性。

有時，我們需要更深入的分析。多數(shù)情況下，需找出振動水平升高的原因，而對原始振動信號的分析正是探究根源的關(guān)鍵所在。振動專家可通過波形圖和頻譜圖對這些信號進(jìn)行分析。

圖7.實時數(shù)據(jù)監(jiān)測

這些數(shù)據(jù)來自一臺篩分機(jī)，其上總共使用了8個傳感器（4個高頻傳感器和4個低頻傳感器）。圖8展示了其中一個安裝在軸承上的傳感器。

圖8.安裝于惡劣環(huán)境中的AVS傳感器解決方案。

安裝結(jié)果表明，這些傳感器不僅功能完備，且具備在惡劣環(huán)境中持續(xù)監(jiān)測資產(chǎn)狀態(tài)的能力。

結(jié)語

AVS 1001HF和AVS 1003LF加速度計代表了工業(yè)資產(chǎn)健康監(jiān)測領(lǐng)域的重大進(jìn)步。通過整合高頻與低頻振動測量能力，結(jié)合實時數(shù)據(jù)處理與傳輸功能，這些傳感器為預(yù)測性維護(hù)提供了全方位解決方案。它們易于集成、用途廣泛且精度出眾，成為工業(yè)環(huán)境中提升生產(chǎn)效率、減少停機(jī)時間、優(yōu)化維護(hù)策略的得力助手。

AVS傳感器系列重新定義了狀態(tài)監(jiān)控，不僅提高了機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率，更為工業(yè)資產(chǎn)健康管理樹立了新標(biāo)桿。隨著各行各業(yè)不斷采用智能技術(shù)，像AVS系列這樣的先進(jìn)傳感器將在推動下一代工業(yè)自動化與維護(hù)發(fā)展方面發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。

參考文獻(xiàn)

1 Graham Immerman，“The Actual Cost of Downtime in the Manufacturing Industry”，IIoT World，2018年11月。

2 “What Downtime Really Costs—and Why Maintenance Contracts Make Sense”，Sumitomo Drive Technologies，2025年4月

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

作者簡介

Shuai Ren是ADI公司工業(yè)自動化業(yè)務(wù)部智能運(yùn)動與機(jī)器人團(tuán)隊的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，主要研究領(lǐng)域包括狀態(tài)監(jiān)控、工業(yè)通信設(shè)計及磁傳感技術(shù)。他擁有愛爾蘭高威大學(xué)工程碩士學(xué)位。

Tomasz Potacza?a現(xiàn)任技術(shù)總監(jiān)，在嵌入式系統(tǒng)部門的任務(wù)規(guī)劃、流程建立及運(yùn)營活動組織方面擁有15年以上經(jīng)驗。作為電子工程師，他在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、項目管理及質(zhì)量保障領(lǐng)域積淀了深厚專業(yè)素養(yǎng)，畢業(yè)于AGH科技大學(xué)，獲電子工程碩士學(xué)位。目前，他擔(dān)任AMC TECH股份有限公司嵌入式系統(tǒng)部門負(fù)責(zé)人，已參與近20個研發(fā)項目。