傳感器性能如何實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)解決方案

作者：Pete Sopcik and Dara O’Sullivan

半導(dǎo)體技術(shù)和功能的進(jìn)步為工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)檢測(cè)、測(cè)量、解釋和分析提供了新的機(jī)會(huì)，特別是基于狀態(tài)的監(jiān)控解決方案?；?a target="_blank">MEMS技術(shù)的下一代傳感器與用于診斷和預(yù)后應(yīng)用的先進(jìn)算法相結(jié)合，擴(kuò)大了測(cè)量各種機(jī)器的機(jī)會(huì)，提高了有效監(jiān)控設(shè)備的能力，延長(zhǎng)了正常運(yùn)行時(shí)間，提高了過程質(zhì)量和增加吞吐量的能力。

為了實(shí)現(xiàn)這些新功能并獲取基于狀態(tài)的監(jiān)控的優(yōu)勢(shì)，新的解決方案必須準(zhǔn)確、可靠且穩(wěn)健，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控可以擴(kuò)展到潛在設(shè)備故障的基本檢測(cè)之外，以提供有見地和可操作的信息。下一代技術(shù)的性能與系統(tǒng)級(jí)洞察力相結(jié)合，可以更深入地了解解決這些挑戰(zhàn)所需的應(yīng)用和要求。

振動(dòng)是機(jī)器診斷的關(guān)鍵組成部分之一，已被可靠地用于監(jiān)測(cè)各種工業(yè)應(yīng)用中最關(guān)鍵的設(shè)備。有大量文獻(xiàn)支持實(shí)現(xiàn)高級(jí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)解決方案所需的各種診斷和預(yù)測(cè)功能。不太清楚的是振動(dòng)傳感器性能參數(shù)（如帶寬和噪聲密度）與最終應(yīng)用故障診斷能力之間的關(guān)系。本文介紹了工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中的主要機(jī)器故障類型，并確定了與特定故障相關(guān)的關(guān)鍵振動(dòng)傳感器性能參數(shù)。

下面重點(diǎn)介紹幾種常見的故障類型及其特征，以深入了解在開發(fā)基于狀態(tài)的監(jiān)控解決方案時(shí)必須考慮的一些關(guān)鍵系統(tǒng)要求。這些包括但不限于不平衡、不對(duì)中、齒輪故障和滾動(dòng)軸承缺陷。

不平衡

什么是不平衡，是什么原因造成的？

不平衡是質(zhì)量分布不均，導(dǎo)致載荷將質(zhì)心從旋轉(zhuǎn)中心移開。系統(tǒng)不平衡可歸因于安裝不當(dāng)，例如耦合偏心率、系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、組件故障，甚至碎屑或其他污染物的堆積。例如，大多數(shù)感應(yīng)電機(jī)內(nèi)置的冷卻風(fēng)扇可能會(huì)由于灰塵和油脂的不均勻積累或風(fēng)扇葉片損壞而變得不平衡。

為什么不平衡的系統(tǒng)是一個(gè)問題？

不平衡系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生過度振動(dòng)，這些振動(dòng)以機(jī)械方式耦合到系統(tǒng)內(nèi)的其他組件，例如軸承、聯(lián)軸器和負(fù)載，從而可能加速處于良好運(yùn)行狀態(tài)的組件的劣化。

如何檢測(cè)和診斷不平衡

整體系統(tǒng)振動(dòng)的增加可能表明不平衡系統(tǒng)造成的潛在故障，但通過頻域分析來診斷振動(dòng)增加的根本原因。不平衡系統(tǒng)以系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速率（通常稱為 1×）產(chǎn)生信號(hào)，其幅度與旋轉(zhuǎn)速率的平方成正比，F(xiàn) = m × w2.1×分量通常始終存在于頻域中，因此通過測(cè)量1×和諧波的幅度來識(shí)別不平衡系統(tǒng)。如果1×的幅度高于基線測(cè)量值，諧波遠(yuǎn)小于1×，則系統(tǒng)可能是不平衡的。水平和垂直相移振動(dòng)分量也可能處于不平衡系統(tǒng)中。1

診斷不平衡系統(tǒng)時(shí)必須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

需要低噪聲來減少傳感器的影響，并能夠檢測(cè)不平衡系統(tǒng)產(chǎn)生的小信號(hào)。這對(duì)于傳感器、信號(hào)調(diào)理和采集平臺(tái)非常重要。

需要采集系統(tǒng)具有足夠的分辨率來提取信號(hào)（尤其是基線信號(hào)），以檢測(cè)這些小的不平衡。

帶寬對(duì)于捕獲除旋轉(zhuǎn)速率之外的足夠信息是必要的，以提高診斷的準(zhǔn)確性和可信度。1×諧波可能受到其他系統(tǒng)故障的影響，例如未對(duì)準(zhǔn)或機(jī)械松動(dòng)，因此分析旋轉(zhuǎn)速率或1×頻率的諧波有助于區(qū)分系統(tǒng)噪聲和其他潛在故障。1對(duì)于旋轉(zhuǎn)速度較慢的機(jī)器，基波轉(zhuǎn)速可能遠(yuǎn)低于 10 rpm，這意味著傳感器的低頻響應(yīng)對(duì)于捕獲基波轉(zhuǎn)速至關(guān)重要。ADI公司的MEMS傳感器技術(shù)能夠檢測(cè)低至直流的信號(hào)，并能夠測(cè)量較慢的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，同時(shí)還能夠測(cè)量通常與軸承和齒輪箱缺陷相關(guān)的更高頻率內(nèi)容的寬帶寬。

圖1.基于旋轉(zhuǎn)速率或1×頻率下振幅的增加，存在不平衡系統(tǒng)的可能性。

失調(diào)

什么是錯(cuò)位，是什么原因造成的？

顧名思義，當(dāng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸未對(duì)齊時(shí)，就會(huì)發(fā)生系統(tǒng)未對(duì)中。圖2顯示了一個(gè)理想的系統(tǒng)，從電機(jī)開始，然后是軸，聯(lián)軸器，一直到負(fù)載（在本例中為泵）實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。

圖2.一個(gè)理想的對(duì)齊系統(tǒng)。

錯(cuò)位可能發(fā)生在平行方向和角度方向上，也可能是兩者的組合（見圖3）。當(dāng)兩個(gè)軸在水平或垂直方向上移位時(shí)，就會(huì)發(fā)生平行不對(duì)中。當(dāng)其中一個(gè)軸與另一個(gè)軸成相關(guān)角度時(shí)，就會(huì)發(fā)生角度不對(duì)中。2

圖3.不同錯(cuò)位的例子包括（a）角度，（b）平行或兩者的組合。

為什么錯(cuò)位是一個(gè)問題？

未對(duì)準(zhǔn)誤差會(huì)迫使組件在比組件最初設(shè)計(jì)處理的更高的應(yīng)力或負(fù)載下運(yùn)行，從而影響更大的系統(tǒng)，并最終導(dǎo)致過早失效。

如何檢測(cè)和診斷錯(cuò)位

未對(duì)準(zhǔn)誤差通常表現(xiàn)為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)速率的二次諧波，稱為2×。頻率響應(yīng)中并不總是存在2×分量，但是當(dāng)它存在時(shí)，幅度與1×的關(guān)系可用于確定是否存在未對(duì)準(zhǔn)。增加的錯(cuò)位可以將諧波激發(fā)到10×具體取決于錯(cuò)位的類型、測(cè)量位置和方向信息。1圖 4 突出顯示了與潛在未對(duì)準(zhǔn)故障相關(guān)的特征。

圖4.2×次諧波增加，加上高次諧波增加，表明存在潛在的失調(diào)。

診斷未對(duì)準(zhǔn)的系統(tǒng)時(shí)必須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

需要低噪聲和足夠的分辨率來檢測(cè)小的錯(cuò)位。機(jī)器類型、系統(tǒng)和工藝要求以及轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了允許的錯(cuò)位公差。

帶寬對(duì)于捕獲足夠的頻率范圍并提高診斷的準(zhǔn)確性和可信度是必要的。1×諧波可能受到其他系統(tǒng)故障的影響，例如未對(duì)準(zhǔn)，因此分析1×頻率的諧波有助于與其他系統(tǒng)故障區(qū)分開來。對(duì)于更高轉(zhuǎn)速的機(jī)器尤其如此。例如，運(yùn)行在 10，000 rpm 以上的機(jī)器（如機(jī)床）通常需要超過 2 kHz 的質(zhì)量信息，以便以高置信度準(zhǔn)確檢測(cè)不平衡。

多向信息還可以提高診斷的準(zhǔn)確性，并提供對(duì)錯(cuò)誤差類型和未對(duì)準(zhǔn)方向的洞察。

系統(tǒng)的相位與方向振動(dòng)信息相結(jié)合，進(jìn)一步改善了對(duì)錯(cuò)位誤差的診斷。通過測(cè)量機(jī)器上不同點(diǎn)的振動(dòng)并確定相位測(cè)量或整個(gè)系統(tǒng)的差異，可以深入了解未對(duì)準(zhǔn)是角度、平行還是兩種未對(duì)準(zhǔn)類型的組合。1

滾動(dòng)體軸承缺陷

什么是滾動(dòng)軸承缺陷，是什么原因造成的？

滾動(dòng)軸承缺陷通常是機(jī)械引起的應(yīng)力或潤(rùn)滑問題的產(chǎn)物，這些問題在軸承的機(jī)械部件內(nèi)產(chǎn)生小裂紋或缺陷，導(dǎo)致振動(dòng)增加。

為什么滾動(dòng)軸承故障是一個(gè)問題？

滾動(dòng)軸承幾乎存在于所有類型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，從大型渦輪機(jī)到較慢的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，從相對(duì)簡(jiǎn)單的泵和風(fēng)扇到高速CNC主軸。軸承缺陷可能是潤(rùn)滑污染（圖 5）、安裝不當(dāng)、高頻放電電流（圖 5）或系統(tǒng)負(fù)載增加的跡象。故障可能導(dǎo)致災(zāi)難性的系統(tǒng)損壞，并對(duì)其他系統(tǒng)組件產(chǎn)生重大影響。

如何檢測(cè)和診斷滾動(dòng)體軸承故障？

有許多技術(shù)用于診斷軸承故障，并且由于軸承設(shè)計(jì)背后的物理原理，可以根據(jù)軸承幾何形狀、旋轉(zhuǎn)速度和缺陷類型計(jì)算每個(gè)軸承的缺陷頻率，這有助于診斷故障。軸承缺陷頻率如圖6所示。

圖6.軸承缺陷頻率取決于軸承類型、幾何形狀和旋轉(zhuǎn)速率。

對(duì)特定機(jī)器或系統(tǒng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析通常依賴于時(shí)域和頻域分析的組合。時(shí)域分析對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)水平總體增加的趨勢(shì)非常有用。然而，該分析中包含的診斷信息很少。頻域分析可提高診斷見解，但由于其他系統(tǒng)振動(dòng)的影響，識(shí)別故障頻率可能很復(fù)雜。

為了早期診斷軸承缺陷，缺陷頻率的諧波用于識(shí)別早期或初期故障，以便在災(zāi)難性故障發(fā)生之前對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。為了檢測(cè)、診斷和理解軸承故障的系統(tǒng)影響，包絡(luò)檢測(cè)等技術(shù)（如圖7所示）與頻域頻譜分析相結(jié)合，通?？商峁└钊氲男畔?。

圖7.包絡(luò)檢測(cè)等技術(shù)可以從寬帶寬振動(dòng)數(shù)據(jù)中提取早期軸承缺陷特征。

診斷滾動(dòng)體軸承故障時(shí)必須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

低噪音和足夠的分辨率對(duì)于檢測(cè)早期軸承缺陷至關(guān)重要。通常，這些缺陷特征在缺陷發(fā)作期間的振幅較低。由于設(shè)計(jì)公差，軸承固有的機(jī)械滑移通過將振幅信息分散到軸承頻率響應(yīng)中的多個(gè)箱中來進(jìn)一步降低振動(dòng)幅度，因此需要低噪聲才能更早地檢測(cè)到信號(hào)。2

帶寬對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)軸承缺陷至關(guān)重要。在旋轉(zhuǎn)過程中，每次撞擊缺陷時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生包含高頻成分的脈沖（見圖7）。監(jiān)測(cè)軸承缺陷頻率的諧波，而不是旋轉(zhuǎn)速率，以發(fā)現(xiàn)這些早期故障。由于軸承缺陷頻率與旋轉(zhuǎn)速率的關(guān)系，這些早期特征可能發(fā)生在幾千赫茲范圍內(nèi)，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出10 kHz至20 kHz范圍。2即使對(duì)于低速設(shè)備，軸承缺陷的固有性質(zhì)也需要更寬的帶寬進(jìn)行早期檢測(cè)，以避免系統(tǒng)諧振和系統(tǒng)噪聲的影響，從而影響較低頻段。3

動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于軸承缺陷監(jiān)測(cè)也很重要，因?yàn)橄到y(tǒng)負(fù)載和缺陷會(huì)影響系統(tǒng)經(jīng)歷的振動(dòng)。載荷增加會(huì)導(dǎo)致作用在軸承和缺陷上的力增加。軸承缺陷還會(huì)產(chǎn)生激發(fā)結(jié)構(gòu)共振的脈沖，從而放大系統(tǒng)和傳感器所經(jīng)歷的振動(dòng)。2隨著機(jī)器在停止/啟動(dòng)條件或正常運(yùn)行期間速度的上升和下降，速度的變化為系統(tǒng)共振創(chuàng)造了潛在的激發(fā)機(jī)會(huì)，從而導(dǎo)致更高的振幅振動(dòng)。4傳感器飽和會(huì)導(dǎo)致信息缺失、誤診，以及（在某些技術(shù)的情況下）傳感器元件損壞。

齒輪缺陷

什么是齒輪缺陷，是什么原因造成的？

齒輪故障通常由于疲勞、剝落或點(diǎn)蝕而發(fā)生在齒輪機(jī)構(gòu)的齒上。這些可以表現(xiàn)為齒根裂紋或齒面上的金屬去除。它們可能是由磨損、過載、潤(rùn)滑不良、間隙以及偶爾不正確的安裝或制造缺陷引起的。5

為什么齒輪故障是一個(gè)問題？

在許多工業(yè)應(yīng)用中，齒輪是動(dòng)力傳輸?shù)闹饕⒊惺芫薮蟮膽?yīng)力和負(fù)載。它們的健康對(duì)于整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要?？稍偕茉搭I(lǐng)域一個(gè)眾所周知的例子是，風(fēng)力渦輪機(jī)停機(jī)（以及隨之而來的收入侵蝕）的最大因素是主動(dòng)力系統(tǒng)中多級(jí)齒輪箱的故障。5類似的考慮也適用于工業(yè)應(yīng)用。

如何檢測(cè)和診斷齒輪故障？

由于難以在故障附近安裝振動(dòng)傳感器，并且由于系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)機(jī)械激勵(lì)而存在明顯的背景噪聲，因此齒輪故障很難檢測(cè)。在更復(fù)雜的齒輪箱系統(tǒng)中尤其如此，其中可以有多個(gè)旋轉(zhuǎn)頻率、齒輪比和嚙合頻率。6因此，在齒輪故障檢測(cè)中可以采取多種互補(bǔ)的方法，包括聲發(fā)射分析、電流特征分析和油屑分析。

在振動(dòng)分析方面，齒輪箱外殼是加速度計(jì)的典型安裝位置，其中主要的振動(dòng)模式是軸向。7健康的齒輪以稱為齒輪嚙合頻率的頻率產(chǎn)生振動(dòng)特征。這等于軸頻率和齒輪齒數(shù)的乘積。通常還存在一些與制造和裝配公差相關(guān)的調(diào)制邊帶。圖 8 中說明了一個(gè)健康的齒輪。當(dāng)發(fā)生局部故障（例如齒裂）時(shí)，每轉(zhuǎn)的振動(dòng)信號(hào)將包括系統(tǒng)在相對(duì)較低的能量水平下對(duì)短時(shí)間沖擊的機(jī)械響應(yīng)。這通常是一種低幅度的寬帶信號(hào)，通常被認(rèn)為是非周期和非平穩(wěn)的。7,8

圖8.曲軸轉(zhuǎn)速為 ~1000 rpm、齒輪速度為 ~290 rpm、齒輪齒數(shù) = 24 的健康齒輪的頻譜。

由于這些特殊特性，標(biāo)準(zhǔn)頻域技術(shù)本身被認(rèn)為不適合準(zhǔn)確識(shí)別齒輪故障。頻譜分析可能無法檢測(cè)到早期齒輪故障，因?yàn)闆_擊能量包含在邊帶調(diào)制中，邊帶調(diào)制也可能包含來自其他齒輪副和機(jī)械部件的能量。時(shí)域技術(shù)（如時(shí)間同步平均）或混合域方法（如小波分析和包絡(luò)解調(diào)）通常更合適。9

診斷齒輪故障時(shí)必須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

寬帶寬在齒輪故障檢測(cè)中通常非常關(guān)鍵，因?yàn)辇X輪齒數(shù)在頻域中充當(dāng)乘法器。即使對(duì)于相對(duì)低速的系統(tǒng)，所需的檢測(cè)頻率范圍也會(huì)迅速推高到多個(gè)kHz區(qū)域。此外，局部故障進(jìn)一步擴(kuò)展了帶寬要求。

由于幾個(gè)原因，分辨率和低噪聲非常關(guān)鍵。將振動(dòng)傳感器安裝在靠近特定故障帶的困難意味著機(jī)械系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的衰減可能更高，因此能夠檢測(cè)低能量信號(hào)至關(guān)重要。此外，由于信號(hào)不是靜態(tài)周期信號(hào)，因此不能依賴從高本底噪聲中提取低幅度信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)FFT技術(shù)——傳感器本身的本底噪聲必須較低。在齒輪箱環(huán)境中尤其如此，其中混合了來自齒輪箱不同元件的多個(gè)振動(dòng)特征。除了這些考慮之外，早期檢測(cè)的重要性不僅在于資產(chǎn)保護(hù)原因，還在于信號(hào)調(diào)理原因。研究表明，在單齒斷裂故障的情況下，振動(dòng)嚴(yán)重程度可能更高，而不是具有兩個(gè)或更多齒斷裂的故障，這意味著在早期階段檢測(cè)可能相對(duì)容易。

總結(jié)

雖然常見，不平衡、不對(duì)中、滾動(dòng)體軸承缺陷和齒輪齒故障只是高性能振動(dòng)傳感器可以檢測(cè)和診斷的眾多故障類型中的一小部分。更高的傳感器性能與適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)級(jí)考慮相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)下一代基于狀態(tài)的監(jiān)控解決方案，從而更深入地了解各種工業(yè)設(shè)備和應(yīng)用的機(jī)械操作。這些解決方案將改變維護(hù)方式和機(jī)器運(yùn)行方式，最終減少停機(jī)時(shí)間，提高效率，并為下一代設(shè)備提供新功能。

對(duì)于表1，低帶寬<1 kHz，中等帶寬在1 kHz至5 kHz之間，高帶寬>5 kHz。低噪聲密度>1 m g/√Hz，中等噪聲密度在 100 μ g/√Hz 至 1 m g/√Hz 之間，高噪聲密度<100 μ g/√Hz。低動(dòng)態(tài)范圍<5 g，中動(dòng)態(tài)范圍在5 g至20 g之間，高動(dòng)態(tài)范圍>20 g。

審核編輯：郭婷