MEMS傳感器技術(shù)使制造業(yè)能夠改善預(yù)測性維護(hù)

制造商可以使用振動(dòng)傳感器來監(jiān)控機(jī)械，預(yù)測零件故障，從而避免代價(jià)高昂的損壞和生產(chǎn)力損失。

被動(dòng)的、可避免的設(shè)備維修是工業(yè)制造運(yùn)營生產(chǎn)力損失的主要原因。平均售價(jià)僅為幾美元的零件一旦出現(xiàn)故障，制造商的維修和未實(shí)現(xiàn)收入可能會(huì)花費(fèi)許多倍。在最壞的情況下，未檢測到的故障可能會(huì)級聯(lián)到整個(gè)系統(tǒng)，造成廣泛的損壞并引發(fā)重大且代價(jià)高昂的生產(chǎn)中斷。從歷史上看，制造商一直依靠預(yù)防措施來保持其生產(chǎn)車間的正常運(yùn)行。

雖然預(yù)防性維護(hù)比事后維修有所改進(jìn)，但通常需要昂貴的服務(wù)合同，并且最終確保設(shè)備持續(xù)正常運(yùn)行時(shí)間的能力有限?？紤]轉(zhuǎn)動(dòng) 200 英尺風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的轉(zhuǎn)子軸承。緊急維修和現(xiàn)場維護(hù)是昂貴的，在這種情況下，甚至可能是危險(xiǎn)的，因?yàn)榧夹g(shù)人員需要在高海拔地區(qū)工作。此外，如果渦輪機(jī)連接到當(dāng)?shù)厥姓?dāng)局的電網(wǎng)，計(jì)劃外停機(jī)可能會(huì)導(dǎo)致能源生產(chǎn)損失，并可能中斷電力服務(wù)。

一種新的工業(yè)傳感技術(shù)通過使用一種預(yù)測零件故障的預(yù)測性維護(hù)形式來幫助制造商優(yōu)化其設(shè)備。雖然存在許多形式的工業(yè)傳感，但振動(dòng)傳感可能是最有效和最有效的。根據(jù)位于加利福尼亞州卡馬里奧的預(yù)測性維護(hù)產(chǎn)品和服務(wù)提供商 Lindsay Engineering 的一項(xiàng)研究，振動(dòng)傳感提供的投資回報(bào)率是定期更換齒輪或機(jī)油等步驟的三倍（見圖 1）。

圖1.旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的振動(dòng)通常發(fā)生在 6 KHz 至 10 KHz 的頻率下。

振動(dòng)分析的優(yōu)勢

振動(dòng)分析通常用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，以檢測可能導(dǎo)致振動(dòng)變化的軸承松動(dòng)或磨損、設(shè)備不對中或低液位。通常，這種振動(dòng)發(fā)生在6 kHz和10 kHz之間的頻率。其他數(shù)據(jù)也可以在更高的頻率下獲得，但由于響應(yīng)的大小，通常很難測量，并且需要昂貴的技術(shù)，如超聲波。通過測量該頻率范圍并監(jiān)控響應(yīng)變化，制造商可以在最方便的時(shí)候安排維護(hù)或關(guān)閉設(shè)備，以免零件損壞到可能導(dǎo)致代價(jià)更高的二次系統(tǒng)故障的程度。

此外，各種統(tǒng)計(jì)公式，如平均故障時(shí)間 （MTTF） 和平均故障間隔時(shí)間 （MTBF），可用于預(yù)測系統(tǒng)的使用壽命。使用這些公式以及來自系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)，客戶可以直接關(guān)注潛在問題。例如，使用MTTF，您會(huì)發(fā)現(xiàn)某個(gè)軸承具有很高的故障程度。您可以使用振動(dòng)傳感器仔細(xì)監(jiān)控該特定機(jī)器和軸承，以確保不會(huì)發(fā)生故障。

實(shí)現(xiàn)工業(yè)振動(dòng)傳感的兩種最常見方法是使用傳感器系統(tǒng)改造現(xiàn)有設(shè)備，或與定期進(jìn)行設(shè)備測試的第三方服務(wù)簽訂合同。后一種選擇可能很昂貴，定期檢查不如直接在設(shè)備上安裝傳感器有效。系統(tǒng)安裝方法為制造商提供了持續(xù)監(jiān)控，但也存在歷史局限性。

當(dāng)今的大多數(shù)振動(dòng)傳感器通常在5 kHz帶寬以下工作，這明顯低于可以檢測到大多數(shù)設(shè)備故障的頻率。此外，傳統(tǒng)傳感器通?；?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓壓電技術(shù)，需要笨重的金屬罐封裝，并且這些器件需要頻繁校準(zhǔn)并且不容易大批量生產(chǎn)。此外，它們通常處于低集成水平，需要大量的外部調(diào)節(jié)和處理才能提取有用的數(shù)據(jù)。

微機(jī)電系統(tǒng)方法

基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的振動(dòng)傳感器正在成為傳統(tǒng)傳感方法的重要替代方案，因?yàn)閷υ缙诤统杀靖偷念A(yù)測性維護(hù)替代方案的需求增加。最重要的是，任何替代解決方案都必須在更高更寬的頻率范圍內(nèi)工作，這對于早期檢測至關(guān)重要。例如，ADI公司提供寬帶寬MEMS傳感器產(chǎn)品組合（ADXL001、ADIS16220、ADIS16223和ADIS16227），具有22 kHz諧振帶寬和高采樣速率，非常適合機(jī)器健康應(yīng)用。 它們允許系統(tǒng)操作員在遭受代價(jià)高昂的損壞之前很久就識別故障設(shè)備。

振動(dòng)監(jiān)測的復(fù)雜性，特別是捕獲振動(dòng)曲線的準(zhǔn)確表示，然后正確解釋數(shù)據(jù)，是高度復(fù)雜的學(xué)科。對于許多希望實(shí)施振動(dòng)監(jiān)測的人來說，最佳解決方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳感器元件的范圍。大部分復(fù)雜性在于數(shù)據(jù)分析，其中典型的基于時(shí)間的設(shè)備分析會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)雜的波形，該波形結(jié)合了多個(gè)誤差源，并且在FFT分析之前提供很少的可識別信息。

大多數(shù)基于壓電陶瓷的傳感器解決方案依賴于FFT的外部計(jì)算和分析。這種方法消除了實(shí)時(shí)通知的可能性，大大增加了設(shè)備開發(fā)人員的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。ADI公司ADIS16227振動(dòng)監(jiān)測器等專用MEMS傳感器解決了這種復(fù)雜性，具有嵌入式頻域處理、512點(diǎn)實(shí)值FFT和板載存儲(chǔ)功能，能夠識別和分類各個(gè)振動(dòng)源，監(jiān)控其隨時(shí)間的變化，并對可編程閾值電平做出反應(yīng)。

該器件還包括可配置的頻譜報(bào)警頻段和窗口選項(xiàng)，允許通過配置六個(gè)頻段、Alarm1（警告閾值）和 Alarm2（故障閾值）來分析全頻譜，以便更早、更準(zhǔn)確地檢測問題。

為了確保準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集，人們強(qiáng)烈希望實(shí)現(xiàn)嵌入式和自主傳感。在適當(dāng)?shù)募杉墑e（即傳感器分析、存儲(chǔ)和報(bào)警功能）下，傳感器系統(tǒng)可以嵌入到更靠近潛在誤差源的位置，從而更準(zhǔn)確地表示機(jī)器振動(dòng)，并顯著降低接口復(fù)雜性，例如布線、異地分析和數(shù)據(jù)捕獲調(diào)度。ADIS16227等器件是完整的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳感器處理解決方案，可通過串行外設(shè)接口（SPI）訪問處理后的寬帶寬傳感器數(shù)據(jù)。這些器件提供對用戶編程報(bào)警閾值的連續(xù)監(jiān)控和中斷驅(qū)動(dòng)通知，以及安排（用戶編程）定期喚醒和記錄電源問題的操作的能力。

審核編輯：郭婷