为什么MEMS加速度计正在成为设计人员在CbM应用中的最佳选择
状态监控简介
全球状态监测（cbm）市场在过去几年中经历了显着增长，并且这种情况似乎将继续下去。1这种增长恰逢mems加速度计用于振动传感应用的快速发展，现在可以与曾经占主导地位的压电或pzt加速度计相媲美。不太重要的资产对cbm的需求不断增加，无线cbm系统的采用率也在不断提高，而mems加速度计是实现这一目标的关键。本文将mems加速度计与压电加速度计进行比较，以重点介绍mems传感器在其短暂的使用寿命中取得了多大的进步。还将通过比较来自三个不同供应商的五个mems传感器来讨论cbm应用中mems加速度计的关键设计考虑因素。
振动传感的当前技术水平——mems 与压电技术
振动传感器早在 1930 年代就被用于检测机器健康状况。即使是现在，振动分析也被认为是预测性维护（pdm）最重要的方式。压电加速度计长期以来一直被认为是用于最关键资产的黄金标准振动传感器，以确保它们保持运行和高效运行。直到最近，mems加速度计有限的带宽、噪声性能和g范围能力阻碍了其在关键资产的cbm中的使用。虽然有许多高g范围加速度计可用（专为汽车碰撞检测而设计），但它们的噪声性能和带宽非常有限，因此不适合cbm。 同样，一些低噪声mems加速度计（专门设计用于检测倾斜）可用，但带宽和g范围不足。
少数mems制造商一直在努力克服噪声、带宽和g范围的缺点，因此生产了几种中高性能mems加速度计，后者可与压电加速度计相媲美。mems传感器基于与压电传感器完全不同的工作原理，这就是关键差异所在。图1显示了mems如何测量低至直流，允许从非常慢的旋转机械进行测量以及倾斜检测。众所周知，压电传感器在较高频率下可以提供比mems更好的噪声性能，但在低频下，mems传感器在直流时提供更低的噪声。能够测量这些低频对于风力涡轮机以及金属加工、纸浆/造纸加工和食品/饮料行业中使用的其他类型的慢速旋转机械非常有用，在这些行业中，低于 60 rpm （1 hz） 的资产低转速很常见。
图1.噪声密度：mems与压电。
图2显示，当压电传感器暴露于大冲击事件时，它们可能会饱和，并且由于rc时间常数很大，它们可能需要很长时间才能恢复正常。另一方面，mems与非接触式参考传感器相匹配，几乎立即恢复正常。压电传感器承受严重冲击的影响意味着存在资产/过程中有价值的信息或故障可能无法被发现的风险，而mems传感器将可靠地检测冲击事件和后续事件。
图2.过载响应：mems 与带激光参考的压电。
表1重点介绍了mems加速度计在cbm应用中的更多优势。2由于尺寸、功耗和缺乏集成功能的组合，压电加速度计不太适合无线cbm系统，但确实存在典型功耗在0.2 ma至0.5 ma范围内的解决方案。
传感器 成本 1k u.p. 噪声 3 db 带宽 潜在的电池寿命 直流响应 自检 集成功能
压电加速度计 $25 至 $500+ <1 μ克/√赫兹至 50 μ克/√赫兹 2.5 khz 至 30 khz+ 短到中 不 不 不
微机电系统加速度计 $10 至 $30 25 μ克/√赫兹至 100 μ克/√赫兹 3 khz 至 20 khz+ 中到长 是的 是的 是的
mems加速度计还具有自检功能，可以验证传感器是否100%正常工作。这在安全关键型安装中可能很有用，在这些安装中，通过验证部署的传感器是否仍然正常工作的能力，更容易满足系统标准。在某些应用中，此功能是最重要的功能之一，因为它使维护专业人员能够绝对确定地了解资产的当前状态以及他们正在测量的内容的准确性和可靠性。
cbm应用中mems加速度计的设计考虑因素
与通用加速度计相比，专为cbm应用设计的mems加速度计具有一些不同的特性。在本节中，我们将讨论适用于cbm的mems加速度计的关键数据手册参数，以及它们与检测机器故障的关系。例如，我们如何选择具有正确g范围或噪声性能的传感器来检测300 kw感应电机上的轴承故障？表2列出了针对cbm应用的五款mems加速度计的最重要规格。以下各节将详细讨论每个规范。
adxl1002 adxl317 其他微机电系统供应商
哈哈轴 1 3 3
±3 db 带宽 11 千赫 4 千赫 （x， y） 2 千赫 （z）
2.9 khz 至 8.5 khz
共鸣 21千赫 5.1 千赫 （x， y） 3.1 千赫 （z）
未列出，或高达 7 khz
噪声密度 25 μ克/√赫兹 55 μ克/√赫兹（x， y） 120 μ克/√赫兹（z）
75 μ克/√赫兹至 300 μ克/√赫兹
g-范围 50 克 16 克 2 g 至 64 g
跨轴灵敏度 1% 1% 未列出，或最高 2%
温度范围 –40°c 至 +125°c –40°c 至 +125°c –40°c 至 +105°c
将mems连接到机器的解决方案 是的 不 不
带宽
振动传感器的带宽通常与其将要监控的资产的关键程度相关联。关键资产或电机对于保持过程或大型机器的运行和在线至关重要。如果此类资产发生故障，将导致计划外停机和潜在的收入损失。为了尽早发现和诊断故障，避免计划外停机，必须有一个宽带宽和低噪声的振动传感器。在低幅度和宽频率下检测故障或偏差需要低噪声，因为轴承、齿轮啮合和泵气蚀的常见故障都会在大于 5 khz 甚至高达 20 khz 甚至更高的频率下发生，或者至少最早可以检测到。因此，mems传感器有责任与工业应用中数十年来使用的事实上的振动传感器竞争：压电加速度计。低于 100 μg/√hz 的噪声水平和 5 khz 或更高的带宽被认为是用于 cbm 的高性能 mems 加速度计。 表3对cbm和pdm应用中使用的mems加速度计的两个最重要的标准进行了分类。3
微机电系统加速度计性能 噪声 带宽
高 5 千赫
中等 >100 μ克/√赫兹和1000 μ克/√赫兹 高达 1 khz
并非所有传感器都需要超低噪声或宽带宽;振动传感的级别取决于保持资产运行的重要性。核反应堆中的水冷泵可能被认为是极其关键的，在这种情况下，需要及早发现故障。这意味着要监控的资产的关键性通常决定了所需的振动传感器水平，这取决于以下标准。
故障检测
为了简单地检测振动是否超过阈值或警告水平，可以使用低性能mems加速度计。此方法通常用于较低关键性的资产。
故障诊断
为了检测和识别故障的潜在来源，需要更高水平的mems加速度计以及算法。
故障预测
这需要最高水平的mems加速度计性能，以便尽早检测问题，并允许算法识别故障源。这还需要对资产有很好的领域知识。
故障预后
这是最高水平的pdm，需要最好的mems加速度计以及算法、机器学习等，以及资产的专家领域知识。故障预测的目的是让 pdm 系统提出建议，以延长资产的使用寿命，甚至优化资产的性能。
请记住，资产上使用的预测性维护传感器的性能水平与该资产保持在线的重要性或关键性相关联，而不是以牺牲资产本身为代价。
表4显示了最适合cbm的mems加速度计的可用带宽范围，由于其机械性质，各种移动硅元件和集成的调节电子元件，制造宽带宽mems加速度计并不容易，尤其是低噪声。通常，机械谐振距离目标带宽几khz。最近，一些mems加速度计已经设法通过增强的滤波方法将可用带宽移近机械谐振。然而，一些制造商仍然选择不说明其振动传感器的共振频率，这表明它要么非常接近可用带宽，要么揭示有关其零件工作原理的敏感信息。
adxl1002 adxl317 其他微机电系统供应商
高 5 千赫
带宽 11 千赫 4 千赫/2 千赫 2.9 khz 至 8.5 khz
共鸣 21 千赫 5.1千赫/3.1千赫 未列出，或高达 7 khz
噪声密度
mems加速度计噪声来自多个固有源，如闪烁噪声、布朗噪声或电子噪声。它通常以μg/√hz表示。mems加速度计的噪声输出取决于表5所示的输出滤波器设置。一些数据手册规定了均方根噪声，但要小心，因为这通常会超过非常小的带宽。
筛选顺序 系数
第一 1.57
第二 1.11
第三 1.05
第四 1.025
砖墙 1
mems加速度计的输出均方根噪声可通过以下公式确定：
了解传感器噪声后，请务必将最合适的传感器与机器类型相匹配，同时牢记一些重要问题，例如：传感器的噪声是否会阻止其测量重要的振动，传感器的g范围是否能够承受潜在的故障振动水平？幸运的是，有一些标准可以帮助解决这个问题，例如iso 10816。
iso 10816规定了测量和评估资产和机器振动的条件和程序。它定义了振动严重性标准，其中已安装机器外壳的均方根速度（10 hz至1 khz）用作状态指示器，如表6所示。测量的机器振动根据机器尺寸、安装策略和机器类别（i = 小型，ii = 中型，iii = 大型，小基础，iv = 大，刚性基础）。
有效值振动速度（毫米/秒） 第一类 第二类 第三类 第四类
0.28 一个 一个 一个 一个
0.45
0.71
1.12 b
1.8 b
2.8 c b
4.5 c b
7.1 d c
11.2 d c
18 d
28 d
45
a—最近调试的电机安装
b—无限制、令人满意的长时间运行 c—短时运行
d—对电机造成损坏的振动水平
请注意，加速度计通常以g为单位输出加速度，而iso 10816使用以mm/s或in/s为单位的速度。等式2可以帮助我们将加速度（g）转换为速度（mm/s）。它确定，在最小振动频率为 10 hz 时，加速度测量中的噪声必须小于 7.18 mg，以检测 2 类机器的良好范围 （a） 内的振动严重程度，符合 iso 10816-1 （v最低= 1.12 mm/s），如表 6 所示。4
公式3以通用形式提供此内容√μ，并举例说明，当加速度计与截止频率为1000 hz（fc= 1000 hz）。在3.17 mg时，加速度计似乎满足公式2中的边界条件：
表7显示了每类机器从已知良好状态到危险故障水平振动的规定振动水平，以及mems加速度计检测a区域已知良好振动所需的相应最小噪声（i类为4.5 mg，ii类为7.2 mg，iii类为11.5 m g，iv类为17.9 mg）。
所需的最小噪音
噪声密度 （μg) 带宽（赫兹） 传感器噪声（mg) i 类 0.71 毫米/秒 4.5 米克 ii 类 1.12 毫米/秒 7.2 米克 iii 类 1.8 毫米/秒 11.5 米克 iv 级 2.8 毫米/秒 17.9 米克
adxl317 [x， y] 55 4000 4.4 通过 通过 通过 通过
adxl1002 25 10,000 3.1 通过 通过 通过 通过
adxl317 [z] 120 2000 6.7 失败 通过 通过 通过
微机电系统 b [x， y] 75 6300 7.5 失败 失败 通过 通过
微机电系统 b [z] 110 6300 10.9 失败 失败 通过 通过
微机电系统 c1 [x， y] 130 4200 10.6 失败 失败 通过 通过
微机电系统 c1 [z] 130 2900 8.8 失败 失败 通过 通过
微机电系统 c2 [x] 300 8200 34.0 失败 失败 失败 失败
微机电系统 c2 [y] 300 8500 34.7 失败 失败 失败 失败
微机电系统 c2 [z] 300 5600 28.1 失败 失败 失败 失败
这些数据表明，mems c2、mems c1、mems b和adxl317（z轴）不适合在噪声水平低于0.71 mm/s或4.5 mgis才能检测已知良好振动水平（a）的机器上使用。mems b、mems c2 和 mems c1 不适合在噪声低于 1.12 mm/s 或 7.2 mg 的机器上使用。mems c2 没有足够的噪声性能，无法在所示的任何类别的机器上使用，以检测已知良好的振动严重性级别 （a）。
请注意，表7中报告的所有传感器噪声值均适用于全带宽测量，即使iso 10816仅涉及高达1 khz的带宽。假设如果振动传感器具有更宽的带宽，则通常不仅用于检测振动严重程度，还用于诊断更高频率下的任何潜在故障。由于带宽限制为1 khz，mems c1无法达到i类噪声水平，而mems c2仅通过iv类噪声水平。
g-范围
这告诉我们传感器在保证数据手册性能的同时可以可靠地检测到的可接受的加速度范围。任何曾经测试过 ±2 g 传感器的人都可以在握手中的传感器时产生超过 2 g 的热量。大多数mems加速度计，特别是模拟输出，由于机械元件和信号调理电子元件，具有一定的裕量。对于cbm，对于较小的资产（iso 10816-7泵），典型的g范围要求从±16 g开始，但有些部件一直高达±500 g，用于工业齿轮箱，压缩机，中高压感应电机等。
测量振动时，了解加速度、速度和位移之间的关系非常重要。如果在一轴上测量的振动在以 1 khz 振动时导致 250 nm 的位移，则生成的峰值加速度将为 apk（250 nm， 1 khz） = 1 g.对于 10 khz 时的相同位移，峰值加速度现在将为 apk（250 nm， 10 khz） = 100 g.
图3.加速度、速度、位移和 g 范围之间的关系。5
在选择振动传感器之前，了解资产中可能发生的潜在振动至关重要。一些电机制造商会提供此类信息。还有一些标准（如iso 10816）可以帮助解决这个问题，如“噪声密度”部分所述。
在选择与iso 10816涵盖的机器一起使用的mems加速度计时，我们可以按照一些简单的步骤来确定g范围是否可以接受使用。公式4给出了一个具体示例，该示例确定根据iso 10816-1（v.max= 28 毫米/秒），频率为 1000 hz （f.max） 的测量范围至少为 ±25.3 g。4
应该注意的是，这些故障等级没有考虑mems传感器承受基本负载振动的能力。通常，g量程或满量程范围的传感器对其机械元件的磨损抵抗力较差。此外，满量程范围越小，感兴趣的振动更容易被基线振动掩盖。
表 8 显示了每类资产的 iso 10816 振动严重性图表，以 mm/s 和 g 为单位。比较了一系列适用于cbm应用的mems加速度计。±16 g 的 g 范围不足以用于 iii 类和 iv 类资产，但对于 i 类和 ii 类资产是可以接受的。仅有的两个具有足够g范围的传感器是adxl1002和mems c2。
根据 iso 10816，用于 cbm （<±16 g） 的低 g 范围 mems 加速度计仅限于在 i 类和 ii 类机器上使用，因为 iii 类和 iv 类机器的最大振动严重性超过 ±16 g。这意味着用于cbm的低g范围mems加速度计的噪声性能变得更加重要，以确保它们可以在i类和ii类机器上使用，如“噪声密度”部分所述。
峰值加速度 （g)
g-范围 i.1 级 7.1 毫米/秒 6.4 克 ii 类 11.2 毫米/秒 10.1 克 iii 类 18 毫米/秒 16.3 克 iv 类 28 毫米/秒 25.3 克
adxl1002 50 克 通过 通过 通过 通过
adxl317 16 克 通过 通过 失败 失败
微机电系统 b 16 克 通过 通过 失败 失败
微机电系统 c1 16 克 通过 通过 失败 失败
微机电系统 c2 64 克 通过 通过 通过 通过
在选择用于cbm应用的mems加速度计时，您必须参考资产制造商的规格，以查找潜在的故障振动严重性信息，执行您自己的测试和/或参考iso 10816等标准。通过结合表7和表8中的信息，可以清楚地看出，市场上的大多数cbm mems加速度计在噪声性能方面都不符合iso 10816中概述的标准，无法测量已知良好的振动严重程度水平和g范围以检测每类电机的潜在故障。唯一具有足够噪声性能和g范围的传感器是adxl1002，它是adi公司专为cbm应用设计的传感器系列之一。很明显，用于cbm的mems加速度计的当前技术水平需要根据这一证据进行分类，如表9所示。噪声和带宽被认为是最重要的，因此权重。其次是g范围，其次是温度范围和跨轴灵敏度。
参数 [重量] adxl1002 adxl317 其他微机电系统供应商
±3 db 带宽 [5] 1 5 3 4 2
噪声密度 [4] 1 2 3 4 5
g 范围 [3] 2 3 3 3 1
温度范围 [2] 1 1 1 2 2
跨轴灵敏度 [1] 1 1 3 2 2
总 18 45 43 51 42
排 第一 第四 第三 第五 第二
adxl1002在性能方面是显而易见的领导者，因此被归类为cbm应用中性能最高的mems加速度计。所有其他传感器虽然仍提供出色的性能，但由于性能差距，被归类为中等性能cbm加速度计。
温度
在mems加速度计的温度性能方面，需要考虑几种规格。表10显示了关键温度相关数据手册规格之间的一些非常有趣的比较。显然，就数字而言，这是一个很大的范围，但这在性能方面意味着什么？对 cbm（石油和天然气、金属加工、食品和饮料以及发电）最常见应用的回顾表明，由于各种因素，资产的潜在温度很容易超过 105°c，例如负载能力过驱动，导致过电流被消耗、污染（灰尘、碎屑）升高电机内部温度并阻止其冷却， 甚至产生振动，产生多余的热量。外部因素，如潜在的气体或蒸汽泄漏，也会在选择传感器时发挥作用。压电制造商似乎倾向于大多数通用振动传感器的最大温度范围为120°c，某些特定应用的传感器具有150°c的最高工作温度。对高频传感器（高达10 khz及更高）的调查显示，74%的传感器的最大工作温度范围低于125°c，24%低于或等于80°c。 有一些专用的压电传感器可以承受200°c或更高的温度，就像有专用的mems加速度计可以工作到175°c一样，但本文不关注用于非常特定应用的传感器。
参数 [重量] adxl1002 adxl317 其他微机电系统供应商
温度范围 –40°c 至 +125°c –40°c 至 +125°c –40°c 至 +105°c
灵敏度变化 ±5% ±2.5% （x， y） ±4.5% （z） ±1% 至 ±4.35%
0 g 偏置误差 ±10% ±9% ±0.1% 至 ±1%
灵敏度定义每单位加速度的输出变化量。灵敏度随温度的变化定义了传感器的灵敏度如何随温度变化。压电加速度计在整个温度范围内的比例因子误差高达20%，这可能导致明显的漂移，尽管5%更为典型。此类误差需要在生产过程中进行校准。mems加速度计在整个温度范围内的比例因子或灵敏度误差非常出色，因为在生产过程中进行了电气调整，因此传感器不会随温度漂移。例如，如果adxl1002暴露在25°c至85°c的温度变化中，灵敏度（40 mv/g）将在60 = 1.8%×变化0.03%/°c，这意味着60°c范围内的灵敏度变化在39.28 mv/g至40.72 mv/g之间。这表明mems加速度计的灵敏度相对于温度变化相当稳定。对于大多数应用，不需要对灵敏度进行温度补偿。
零g偏移是加速度计在未施加加速度时的输出。理想情况下，这应该是零，但由于mems传感器内部固有的缺陷，我们看到直流偏移。在大多数情况下，维护专业人员主要关注动态数据（加速度计的交流输出），例如与基线的偏差或偏离操作正常的趋势。因此，当将mems加速度计用于cbm时，零g偏移不是主要问题，零g偏移可以很容易地从测量中校准出来，大多数高性能数字传感器将提供寄存器来轻松执行此操作。在对直流或倾斜检测感兴趣的情况下，也可以校准温度范围内的零g偏移。工作温度范围越小，就越容易做到这一点。
轴数
mems加速度计提供单轴、双轴和三轴版本。与压电加速度计不同，单轴和三轴mems加速度计之间没有实际尺寸差异。更小的尺寸是mem sover压电的主要优势之一，同时功耗更低，集成度更高。3轴压电加速度计存在一些明显的缺点，例如成本，与三轴mems加速度计相比，成本可能高出三个数量级，尺寸和精度，但使用三轴压电加速度计的主要驱动因素之一是更容易地为便携式振动读取器收集数据。一个三轴传感器可以单独完成这项工作，而不必准备三个站点（单轴传感器）然后获取三个单独的读数。对于访问受限的资产，这可能是一个主要优势。此外，在测量多个方向的振动时，保持轴之间的相位关系非常重要，三轴装置将确保这一点。对于复杂的振动分析，重要的是要看到所有轴上的事件，没有相位不匹配，因为这可能导致对事件的误解。
使用三轴压电传感器测量x、y和z方向的振动，可以测量旋转轴的切向运动/振动。旋转机器产生的许多机械力（例如软基础）会产生外壳的切向运动。这是用单轴压电传感器无法检测到的。使用单轴mems加速度计，可以检测到此类事件，因为测量信号的直流成分对应于倾斜，假设资产的摇摆发生在敏感轴上。
振动激励通常是定向的，具体取决于故障，例如外轴承座圈上的剥落、机械松动、不对中或齿轮齿不良。故障振动的方向并不总是可预测的，因此无法知道振动将传播哪个方向（轴向、径向或切向）。也可能有多个故障导致异常振动。一项研究的重点是证明使用三轴压电传感器与单轴径向和轴向传感器相比，提高诊断能力的潜力。6研究表明，如果传感器仅径向或切向放置，单轴加速度计可能会错过前面概述的近50%的机械故障诊断，如图4所示。鉴于故障振动的方向是问题所在，在同一轴上添加更多传感器并不能解决这个问题。添加轴向加速度计将故障检测提高到近70%。再增加一个轴向传感器，检测率提高到80%。这表明来自不同轴的额外诊断信息可以带来更好的故障检测，但这并不是说必须使用三轴传感器来完成。这项研究发现，在许多情况下，拥有所有三个轴的数据是多余的，但如果可能的话，仍然建议在三个轴上进行测量。
图4.电机振动轴。
虽然拥有更多数据总是有益的，但并不总是需要的，特别是在无线系统中，测量或传输冗余数据会缩短电池寿命。正确放置传感器，无论是单轴、双轴还是三轴传感器都至关重要，但根据上述研究，基于有线压电传感器，应尽可能使用三轴传感器。
对于mems加速度计，与压电传感器相比，任何现有的三轴传感器的性能都会降低，因此它们可能无法检测到尽可能多的故障。此外，如表11所示，大多数三轴mems加速度计中的z轴在噪声、带宽或两者兼而有之方面的性能较低，可能会削弱基于三轴压电加速度计的研究报告的额外轴的潜在附加值。在某些情况下，所有轴在噪声和/或带宽方面具有不同的性能，这是cbm的两个最重要的规格。
adxl1002 adxl317 其他微机电系统供应商
带宽 x 11 千赫 4 千赫 4.2 khz 至 8.2 khz
带宽 y 4 千赫 4.2 khz 至 8.5 khz
带宽 z 2 千赫 2.9 khz 至 6.3 khz
噪声 x 25 μ克/√赫兹 55 μ克/√赫兹 75 μ克/√赫兹至 300 μ克/√赫兹
噪声 y 55 μ克/√赫兹 75 μ克/√赫兹至 300 μ克/√赫兹
噪声 z 120 μ克/√赫兹 110 μ克/√赫兹至 300 μ克/√赫兹
这种不匹配在噪声和/或带宽性能方面的影响首先似乎在某种程度上否定了在资产的一个位置具有额外轴（y，z）的优势。熟悉mems传感器的设计人员对此非常了解，但需要考虑一些事项。mems三轴加速度计的成本可以降低几个数量级，性能与压电加速度计相当，而且体积要小得多，因此即使在不太重要的资产上的无线安装中，也可以放置更多的传感器。这为资产的一般操作提供了更多诊断见解。
跨轴灵敏度
跨轴灵敏度 （cas） 是指当加速度施加到另一个轴上时，在一个轴上看到多少输出，通常以百分比表示。对于主要是单轴的压电加速度计，这将作为横向灵敏度给出，它描述了对与其设计测量的轴不同的任何运动的灵敏度。对于仅在其 y 轴上经历加速度的三轴加速度计，由于 cas 的原因，将在 x 轴和 z 轴上测量一些加速度。图 5 显示了 1% 的 cas 在 y（或 z） 轴经历 1.5 g 的加速度时;在 x 轴上也观察到 15 m g 或 1.5g 的 1%。这种现象也会影响单轴mems加速度计。此百分比越低，可以测量并用于检测故障、异常和漂移趋势线的振动数据就越准确和可靠。
图5.在 3 轴加速度计的 x 轴上观察到的交叉轴灵敏度在 y 轴或 z 轴上加速。
如表12所示，一些mems制造商将cas等关键信息排除在数据手册之外，但对于cbm和pdm，这是一个至关重要的规范，在尝试及早检测可能接近传感器本底噪声的故障时，必须了解该规范。adxl1002列出的1%可以被认为是保守的，因为测试显示性能略好。
adxl1002 adxl317 其他微机电系统供应商
跨轴灵敏度 1% 1% 未列出，或最高 2%
图6a显示了mems加速度计上的cas测试。振动仅在 z 轴上施加。图6a显示z轴测得的加速度约为1.1 g峰值，而图6b中的x轴测量的峰值加速度约为0.05 g，y轴在0.0425 g处略小。
图6.（a） mems b 交叉轴灵敏度约为 2.5%，（b） 缩放 x 轴。
表 13 显示了 x 轴上 2.6% 和 y 轴上 2.2% 的最坏情况 cas。测试设置中可能存在错位，因此cas的可能性至少为2%，但低于2.6%。虽然可以校准cas，但最好将该值接近1%，这是mems cbm加速度计的行业领先值。压电cas通常约为5%，但在某些情况下，据报道高达15%。7一些压电供应商可应要求提供低于5%的横向灵敏度值，但需额外付费。
加速度峰值 （g) 加速度有效值（g) cas % （有效值）
z 轴 1.1 0.76
y 轴 0.0425 0.017 2.2
z 轴 0.05 0.02 2.6
将mems传感器机械连接到机器的解决方案
压电加速度计是当今最常用的振动传感器。它们具有 iepe 和 4 ma 至 20 ma 等标准接口，以及螺柱、磁铁和粘合剂等各种安装方法。为了使mems加速度计与振动传感的长期黄金标准竞争，不仅要匹配其性能，而且要使mems传感器易于连接到资产。一段时间以来，这一直是mems加速度计客户的痛点。任何振动测量设置中都会存在多个共振，因此将其对测量的影响降至最低非常重要。在 1 khz 带宽以上，安装变得至关重要，因为谐振会显著影响测量。
对于压电加速度计，有无数的安装策略，螺柱安装提供最宽的频率响应，一直到具有最低频率响应范围的手持式探头尖端。mems加速度计对磁体没有敏感性，可以并且已经成功地与磁性安装策略一起使用。
为了便于将mems传感器安装到资产上，adi公司创建了一个安装立方体，如图7所示。直径为 0.2 英寸的中央安装孔和 0.38 英寸（深 0.3 英寸）的周围唇口允许使用 #10 机器螺钉将安装块固定到资产上。适用于多个加速度计系列（eval-adxl100xz、eval-adxl35xz 和 eval-adxl37xz）的分线板与此机械安装座兼容。通过使用这个安装块并将其牢固地固定在机械源上，可以在受控环境中评估加速度计的频率响应。
图7.用于加速度计分线板 （eval-xlmount1） 的机械优化安装块。
在捕获高频事件时，加速度计的安装保真度至关重要。这在振动台上得到了验证，如图8所示，所得频率响应如图9所示。
图8.振动测量测试设置板使用铝块连接到振动台上。
图9.带iepe接口的adxl1002的频率响应。
传感器pcb设计得稍厚（3 mm），并使用特定的焊膏来帮助保留memssensor在安装到资产时的数据手册频率响应。
图8所示的参考设计pcb将mems加速度计数据转换为iepe格式。它从现有的iepe设置为mems加速度计供电，并以iepe格式输出数据，允许将mems加速度计无缝简单地集成到新的或现有的iepe基础设施中。
adi公司在将业界领先的传感器、信号调理和处理集成到模块中方面有着悠久的历史。最新的cbm模块是基于adcmxl1021和adcmxl3021的单轴或三轴（1×或3×adxl1002）加速度计的spi输出解决方案，能够直接安装到资产上。它们的机械封装共振频率高于 50 khz，远高于 10 khz 的目标带宽。安装孔采用 m2.5 螺钉将模块固定到位。adcmxl3021数据手册中显示的许多特性曲线都使用扭矩约为25英寸磅的不锈钢螺钉。在某些情况下，当可以选择永久安装时，除了安装螺钉外，还可以使用工业环氧树脂或粘合剂（例如氰基丙烯酸酯粘合剂）来增强机械耦合。
图 10.adcmxl3021 宽带宽、低噪声、三轴振动传感器。
我们已经看到，adxl100x mems加速度计具有与压电加速度计相似的性能水平，具有几个明显的优势，现在使cbm和pdm能够应用于不太重要的资产。同时，adxl100x系列mems加速度计（如表14所示）正安装在高度关键的资产上，这对于mems加速度计来说是前所未有的。在adi公司，我们简化了将cbm传感器连接到资产（xlmount1、adcmxl3021）的过程。由于我们的转换参考设计（mems到iepe或4 ma到20 ma），用mems替换压电传感器也非常容易。
我们的cbm参考设计、评估系统、开发平台和系统解决方案都旨在使我们的客户能够开发最佳的cbm和pdm系统，以保持资产和工厂的运行。我们已经解决并解决了cbm设计人员不仅使用mems，还使用压电加速度计所经历的大部分痛点，我们将继续投资于行业领先的cbm解决方案。下一节将讨论一个高保真、高速数据采集管道的示例，该管道使cbm系统开发人员能够检测重要的振动数据并将其保存到其机器学习开发环境（python，tensorflow，mathworks等）中。
部件号 轴数 加速度计范围 噪声密度（典型值）g/√hz 带宽（典型值）赫兹 是（典型）a vs+ （最小值） v vs+ （最大值） v
adxl1001 1 100 克 0.00003 11,000 0.001 3.3 5.25
adxl1002 1 50 克 0.000025 11,000 0.001 3.3 5.25
adxl1003 1 200 克 0.000045 15,000 0.001 3 5.5
adxl1004 1 500 克 0.000125 24,000 0.001 3.3 5.25
adxl1005 1 100 克 0.000075 23,000 0.001 3 5.25
煤层气开发平台
cn-0549 cbm开发平台（如图11所示）汇集了上述所有mems设计考虑因素，为cbm提供了性能最高的mems加速度计，可轻松安装到资产上，同时保持数据手册的性能。该数据采集板提供高速、24位分辨率信号调理和数据采集硬件解决方案，可与iepe压电和mems加速度计配合使用。还提供了开箱即用的所有必要固件和评估软件。
图 11.cn-0549框图和图像。
cbm开发平台旨在使cbm设计人员能够收集大量高质量的振动数据，以了解其资产的运行行为。一旦理解了这一点，就可以对故障进行种子设定或模拟，以便开发趋势信息，使机器学习算法能够识别和分析潜在的故障。必须以最高的保真度捕获此故障数据，并将其流式传输到机器学习环境，以开发模型以更好地了解资产的行为。
cbm开发平台支持将高性能iepe振动传感器数据流式传输到机器学习环境，如tensorflow，开箱即用。多种iepe压电传感器（请注意，这些传感器不需要安装立方体即可连接到资产）或adxl1002 iepe解决方案cn-0532可与cbm开发平台一起使用。daq板cn-0540是另一个为iepe传感器提供最高精度数据采集信号链的参考设计，它为fpga提供了一个全带宽数据管道，系统可以在其中监控机器的数据配置文件。在fpga上运行的示波器应用，只需通过hdmi连接到监视器，即可提供频谱信息，并允许用户快速可视化其机器的健康状况或通过以太网将数据流式传输到云。python 和 matlab 绑定使设计人员能够将机器学习数据直接连接到这些流行的工具中。然后，设计人员可以获取他们的机器学习数据，并开始为他们的设备创建算法，以改进维护策略，并预测故障和潜在的工厂停机时间。®®
结论
本文讨论了在cbm系统中使用mems加速度计时要考虑的最重要标准。结果表明，少量mems加速度计可以提供压电加速度计的可行替代方案;然而，mems加速度计在性能方面存在显著差距，概述了对这些传感器进行分类的要求。这些与现有的iso 10816振动标准进行了讨论和比较，进一步确定了用于cbm的mems传感器的性能差异。 mems传感器根据最重要的规格进行分类，例如噪声，带宽，g范围等。由于其宽带宽、超低噪声和高g范围，adxl100x系列传感器显然是唯一能够与压电加速度计竞争的传感器，并且与mems竞争产品进行了广泛比较，可以被认为是目前可用于cbm和pdm应用的唯一高性能mems传感器。在所有其他mems cbm传感器所在的中等性能类别中，adi公司提供各种三轴数字传感器，如adxl317，这是噪声最低、宽带宽数字mems加速度计之一，能够及早检测振动，帮助保持资产甚至工厂运行。
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全球状态监测（cbm）市场在过去几年中经历了显着增长，并且这种情况似乎将继续下去。1这种增长恰逢mems加速度计用于振动传感应用的快速发展，现在可以与曾经占主导地位的压电或pzt加速度计相媲美。不太重要的资产对cbm的需求不断增加，无线cbm系统的采用率也在不断提高，而mems加速度计是实现这一目标的关键。本文将mems加速度计与压电加速度计进行比较，以重点介绍mems传感器在其短暂的使用寿命中取得了多大的进步。还将通过比较来自三个不同供应商的五个mems传感器来讨论cbm应用中mems加速度计的关键设计考虑因素。
振动传感的当前技术水平——mems 与压电技术
振动传感器早在 1930 年代就被用于检测机器健康状况。即使是现在，振动分析也被认为是预测性维护（pdm）最重要的方式。压电加速度计长期以来一直被认为是用于最关键资产的黄金标准振动传感器，以确保它们保持运行和高效运行。直到最近，mems加速度计有限的带宽、噪声性能和g范围能力阻碍了其在关键资产的cbm中的使用。虽然有许多高g范围加速度计可用（专为汽车碰撞检测而设计），但它们的噪声性能和带宽非常有限，因此不适合cbm。 同样，一些低噪声mems加速度计（专门设计用于检测倾斜）可用，但带宽和g范围不足。
少数mems制造商一直在努力克服噪声、带宽和g范围的缺点，因此生产了几种中高性能mems加速度计，后者可与压电加速度计相媲美。mems传感器基于与压电传感器完全不同的工作原理，这就是关键差异所在。图1显示了mems如何测量低至直流，允许从非常慢的旋转机械进行测量以及倾斜检测。众所周知，压电传感器在较高频率下可以提供比mems更好的噪声性能，但在低频下，mems传感器在直流时提供更低的噪声。能够测量这些低频对于风力涡轮机以及金属加工、纸浆/造纸加工和食品/饮料行业中使用的其他类型的慢速旋转机械非常有用，在这些行业中，低于 60 rpm （1 hz） 的资产低转速很常见。
图1.噪声密度：mems与压电。
图2显示，当压电传感器暴露于大冲击事件时，它们可能会饱和，并且由于rc时间常数很大，它们可能需要很长时间才能恢复正常。另一方面，mems与非接触式参考传感器相匹配，几乎立即恢复正常。压电传感器承受严重冲击的影响意味着存在资产/过程中有价值的信息或故障可能无法被发现的风险，而mems传感器将可靠地检测冲击事件和后续事件。
图2.过载响应：mems 与带激光参考的压电。
表1重点介绍了mems加速度计在cbm应用中的更多优势。2由于尺寸、功耗和缺乏集成功能的组合，压电加速度计不太适合无线cbm系统，但确实存在典型功耗在0.2 ma至0.5 ma范围内的解决方案。
传感器 成本 1k u.p. 噪声 3 db 带宽 潜在的电池寿命 直流响应 自检 集成功能
压电加速度计 $25 至 $500+ <1 μ克/√赫兹至 50 μ克/√赫兹 2.5 khz 至 30 khz+ 短到中 不 不 不
微机电系统加速度计 $10 至 $30 25 μ克/√赫兹至 100 μ克/√赫兹 3 khz 至 20 khz+ 中到长 是的 是的 是的
mems加速度计还具有自检功能，可以验证传感器是否100%正常工作。这在安全关键型安装中可能很有用，在这些安装中，通过验证部署的传感器是否仍然正常工作的能力，更容易满足系统标准。在某些应用中，此功能是最重要的功能之一，因为它使维护专业人员能够绝对确定地了解资产的当前状态以及他们正在测量的内容的准确性和可靠性。
cbm应用中mems加速度计的设计考虑因素
与通用加速度计相比，专为cbm应用设计的mems加速度计具有一些不同的特性。在本节中，我们将讨论适用于cbm的mems加速度计的关键数据手册参数，以及它们与检测机器故障的关系。例如，我们如何选择具有正确g范围或噪声性能的传感器来检测300 kw感应电机上的轴承故障？表2列出了针对cbm应用的五款mems加速度计的最重要规格。以下各节将详细讨论每个规范。
adxl1002 adxl317 其他微机电系统供应商
哈哈轴 1 3 3
±3 db 带宽 11 千赫 4 千赫 （x， y） 2 千赫 （z）
2.9 khz 至 8.5 khz
共鸣 21千赫 5.1 千赫 （x， y） 3.1 千赫 （z）
未列出，或高达 7 khz
噪声密度 25 μ克/√赫兹 55 μ克/√赫兹（x， y） 120 μ克/√赫兹（z）
75 μ克/√赫兹至 300 μ克/√赫兹
g-范围 50 克 16 克 2 g 至 64 g
跨轴灵敏度 1% 1% 未列出，或最高 2%
温度范围 –40°c 至 +125°c –40°c 至 +125°c –40°c 至 +105°c
将mems连接到机器的解决方案 是的 不 不
带宽
振动传感器的带宽通常与其将要监控的资产的关键程度相关联。关键资产或电机对于保持过程或大型机器的运行和在线至关重要。如果此类资产发生故障，将导致计划外停机和潜在的收入损失。为了尽早发现和诊断故障，避免计划外停机，必须有一个宽带宽和低噪声的振动传感器。在低幅度和宽频率下检测故障或偏差需要低噪声，因为轴承、齿轮啮合和泵气蚀的常见故障都会在大于 5 khz 甚至高达 20 khz 甚至更高的频率下发生，或者至少最早可以检测到。因此，mems传感器有责任与工业应用中数十年来使用的事实上的振动传感器竞争：压电加速度计。低于 100 μg/√hz 的噪声水平和 5 khz 或更高的带宽被认为是用于 cbm 的高性能 mems 加速度计。 表3对cbm和pdm应用中使用的mems加速度计的两个最重要的标准进行了分类。3
微机电系统加速度计性能 噪声 带宽
高 5 千赫
中等 >100 μ克/√赫兹和1000 μ克/√赫兹 高达 1 khz
并非所有传感器都需要超低噪声或宽带宽;振动传感的级别取决于保持资产运行的重要性。核反应堆中的水冷泵可能被认为是极其关键的，在这种情况下，需要及早发现故障。这意味着要监控的资产的关键性通常决定了所需的振动传感器水平，这取决于以下标准。
故障检测
为了简单地检测振动是否超过阈值或警告水平，可以使用低性能mems加速度计。此方法通常用于较低关键性的资产。
故障诊断
为了检测和识别故障的潜在来源，需要更高水平的mems加速度计以及算法。
故障预测
这需要最高水平的mems加速度计性能，以便尽早检测问题，并允许算法识别故障源。这还需要对资产有很好的领域知识。
故障预后
这是最高水平的pdm，需要最好的mems加速度计以及算法、机器学习等，以及资产的专家领域知识。故障预测的目的是让 pdm 系统提出建议，以延长资产的使用寿命，甚至优化资产的性能。
请记住，资产上使用的预测性维护传感器的性能水平与该资产保持在线的重要性或关键性相关联，而不是以牺牲资产本身为代价。
表4显示了最适合cbm的mems加速度计的可用带宽范围，由于其机械性质，各种移动硅元件和集成的调节电子元件，制造宽带宽mems加速度计并不容易，尤其是低噪声。通常，机械谐振距离目标带宽几khz。最近，一些mems加速度计已经设法通过增强的滤波方法将可用带宽移近机械谐振。然而，一些制造商仍然选择不说明其振动传感器的共振频率，这表明它要么非常接近可用带宽，要么揭示有关其零件工作原理的敏感信息。
adxl1002 adxl317 其他微机电系统供应商
高 5 千赫
带宽 11 千赫 4 千赫/2 千赫 2.9 khz 至 8.5 khz
共鸣 21 千赫 5.1千赫/3.1千赫 未列出，或高达 7 khz
噪声密度
mems加速度计噪声来自多个固有源，如闪烁噪声、布朗噪声或电子噪声。它通常以μg/√hz表示。mems加速度计的噪声输出取决于表5所示的输出滤波器设置。一些数据手册规定了均方根噪声，但要小心，因为这通常会超过非常小的带宽。
筛选顺序 系数
第一 1.57
第二 1.11
第三 1.05
第四 1.025
砖墙 1
mems加速度计的输出均方根噪声可通过以下公式确定：
了解传感器噪声后，请务必将最合适的传感器与机器类型相匹配，同时牢记一些重要问题，例如：传感器的噪声是否会阻止其测量重要的振动，传感器的g范围是否能够承受潜在的故障振动水平？幸运的是，有一些标准可以帮助解决这个问题，例如iso 10816。
iso 10816规定了测量和评估资产和机器振动的条件和程序。它定义了振动严重性标准，其中已安装机器外壳的均方根速度（10 hz至1 khz）用作状态指示器，如表6所示。测量的机器振动根据机器尺寸、安装策略和机器类别（i = 小型，ii = 中型，iii = 大型，小基础，iv = 大，刚性基础）。
有效值振动速度（毫米/秒） 第一类 第二类 第三类 第四类
0.28 一个 一个 一个 一个
0.45
0.71
1.12 b
1.8 b
2.8 c b
4.5 c b
7.1 d c
11.2 d c
18 d
28 d
45
a—最近调试的电机安装
b—无限制、令人满意的长时间运行 c—短时运行
d—对电机造成损坏的振动水平
请注意，加速度计通常以g为单位输出加速度，而iso 10816使用以mm/s或in/s为单位的速度。等式2可以帮助我们将加速度（g）转换为速度（mm/s）。它确定，在最小振动频率为 10 hz 时，加速度测量中的噪声必须小于 7.18 mg，以检测 2 类机器的良好范围 （a） 内的振动严重程度，符合 iso 10816-1 （v最低= 1.12 mm/s），如表 6 所示。4
公式3以通用形式提供此内容√μ，并举例说明，当加速度计与截止频率为1000 hz（fc= 1000 hz）。在3.17 mg时，加速度计似乎满足公式2中的边界条件：
表7显示了每类机器从已知良好状态到危险故障水平振动的规定振动水平，以及mems加速度计检测a区域已知良好振动所需的相应最小噪声（i类为4.5 mg，ii类为7.2 mg，iii类为11.5 m g，iv类为17.9 mg）。
所需的最小噪音
噪声密度 （μg) 带宽（赫兹） 传感器噪声（mg) i 类 0.71 毫米/秒 4.5 米克 ii 类 1.12 毫米/秒 7.2 米克 iii 类 1.8 毫米/秒 11.5 米克 iv 级 2.8 毫米/秒 17.9 米克
adxl317 [x， y] 55 4000 4.4 通过 通过 通过 通过
adxl1002 25 10,000 3.1 通过 通过 通过 通过
adxl317 [z] 120 2000 6.7 失败 通过 通过 通过
微机电系统 b [x， y] 75 6300 7.5 失败 失败 通过 通过
微机电系统 b [z] 110 6300 10.9 失败 失败 通过 通过
微机电系统 c1 [x， y] 130 4200 10.6 失败 失败 通过 通过
微机电系统 c1 [z] 130 2900 8.8 失败 失败 通过 通过
微机电系统 c2 [x] 300 8200 34.0 失败 失败 失败 失败
微机电系统 c2 [y] 300 8500 34.7 失败 失败 失败 失败
微机电系统 c2 [z] 300 5600 28.1 失败 失败 失败 失败
这些数据表明，mems c2、mems c1、mems b和adxl317（z轴）不适合在噪声水平低于0.71 mm/s或4.5 mgis才能检测已知良好振动水平（a）的机器上使用。mems b、mems c2 和 mems c1 不适合在噪声低于 1.12 mm/s 或 7.2 mg 的机器上使用。mems c2 没有足够的噪声性能，无法在所示的任何类别的机器上使用，以检测已知良好的振动严重性级别 （a）。
请注意，表7中报告的所有传感器噪声值均适用于全带宽测量，即使iso 10816仅涉及高达1 khz的带宽。假设如果振动传感器具有更宽的带宽，则通常不仅用于检测振动严重程度，还用于诊断更高频率下的任何潜在故障。由于带宽限制为1 khz，mems c1无法达到i类噪声水平，而mems c2仅通过iv类噪声水平。
g-范围
这告诉我们传感器在保证数据手册性能的同时可以可靠地检测到的可接受的加速度范围。任何曾经测试过 ±2 g 传感器的人都可以在握手中的传感器时产生超过 2 g 的热量。大多数mems加速度计，特别是模拟输出，由于机械元件和信号调理电子元件，具有一定的裕量。对于cbm，对于较小的资产（iso 10816-7泵），典型的g范围要求从±16 g开始，但有些部件一直高达±500 g，用于工业齿轮箱，压缩机，中高压感应电机等。
测量振动时，了解加速度、速度和位移之间的关系非常重要。如果在一轴上测量的振动在以 1 khz 振动时导致 250 nm 的位移，则生成的峰值加速度将为 apk（250 nm， 1 khz） = 1 g.对于 10 khz 时的相同位移，峰值加速度现在将为 apk（250 nm， 10 khz） = 100 g.
图3.加速度、速度、位移和 g 范围之间的关系。5
在选择振动传感器之前，了解资产中可能发生的潜在振动至关重要。一些电机制造商会提供此类信息。还有一些标准（如iso 10816）可以帮助解决这个问题，如“噪声密度”部分所述。
在选择与iso 10816涵盖的机器一起使用的mems加速度计时，我们可以按照一些简单的步骤来确定g范围是否可以接受使用。公式4给出了一个具体示例，该示例确定根据iso 10816-1（v.max= 28 毫米/秒），频率为 1000 hz （f.max） 的测量范围至少为 ±25.3 g。4
应该注意的是，这些故障等级没有考虑mems传感器承受基本负载振动的能力。通常，g量程或满量程范围的传感器对其机械元件的磨损抵抗力较差。此外，满量程范围越小，感兴趣的振动更容易被基线振动掩盖。
表 8 显示了每类资产的 iso 10816 振动严重性图表，以 mm/s 和 g 为单位。比较了一系列适用于cbm应用的mems加速度计。±16 g 的 g 范围不足以用于 iii 类和 iv 类资产，但对于 i 类和 ii 类资产是可以接受的。仅有的两个具有足够g范围的传感器是adxl1002和mems c2。
根据 iso 10816，用于 cbm （<±16 g） 的低 g 范围 mems 加速度计仅限于在 i 类和 ii 类机器上使用，因为 iii 类和 iv 类机器的最大振动严重性超过 ±16 g。这意味着用于cbm的低g范围mems加速度计的噪声性能变得更加重要，以确保它们可以在i类和ii类机器上使用，如“噪声密度”部分所述。
峰值加速度 （g)
g-范围 i.1 级 7.1 毫米/秒 6.4 克 ii 类 11.2 毫米/秒 10.1 克 iii 类 18 毫米/秒 16.3 克 iv 类 28 毫米/秒 25.3 克
adxl1002 50 克 通过 通过 通过 通过
adxl317 16 克 通过 通过 失败 失败
微机电系统 b 16 克 通过 通过 失败 失败
微机电系统 c1 16 克 通过 通过 失败 失败
微机电系统 c2 64 克 通过 通过 通过 通过
在选择用于cbm应用的mems加速度计时，您必须参考资产制造商的规格，以查找潜在的故障振动严重性信息，执行您自己的测试和/或参考iso 10816等标准。通过结合表7和表8中的信息，可以清楚地看出，市场上的大多数cbm mems加速度计在噪声性能方面都不符合iso 10816中概述的标准，无法测量已知良好的振动严重程度水平和g范围以检测每类电机的潜在故障。唯一具有足够噪声性能和g范围的传感器是adxl1002，它是adi公司专为cbm应用设计的传感器系列之一。很明显，用于cbm的mems加速度计的当前技术水平需要根据这一证据进行分类，如表9所示。噪声和带宽被认为是最重要的，因此权重。其次是g范围，其次是温度范围和跨轴灵敏度。
参数 [重量] adxl1002 adxl317 其他微机电系统供应商
±3 db 带宽 [5] 1 5 3 4 2
噪声密度 [4] 1 2 3 4 5
g 范围 [3] 2 3 3 3 1
温度范围 [2] 1 1 1 2 2
跨轴灵敏度 [1] 1 1 3 2 2
总 18 45 43 51 42
排 第一 第四 第三 第五 第二
adxl1002在性能方面是显而易见的领导者，因此被归类为cbm应用中性能最高的mems加速度计。所有其他传感器虽然仍提供出色的性能，但由于性能差距，被归类为中等性能cbm加速度计。
温度
在mems加速度计的温度性能方面，需要考虑几种规格。表10显示了关键温度相关数据手册规格之间的一些非常有趣的比较。显然，就数字而言，这是一个很大的范围，但这在性能方面意味着什么？对 cbm（石油和天然气、金属加工、食品和饮料以及发电）最常见应用的回顾表明，由于各种因素，资产的潜在温度很容易超过 105°c，例如负载能力过驱动，导致过电流被消耗、污染（灰尘、碎屑）升高电机内部温度并阻止其冷却， 甚至产生振动，产生多余的热量。外部因素，如潜在的气体或蒸汽泄漏，也会在选择传感器时发挥作用。压电制造商似乎倾向于大多数通用振动传感器的最大温度范围为120°c，某些特定应用的传感器具有150°c的最高工作温度。对高频传感器（高达10 khz及更高）的调查显示，74%的传感器的最大工作温度范围低于125°c，24%低于或等于80°c。 有一些专用的压电传感器可以承受200°c或更高的温度，就像有专用的mems加速度计可以工作到175°c一样，但本文不关注用于非常特定应用的传感器。
参数 [重量] adxl1002 adxl317 其他微机电系统供应商
温度范围 –40°c 至 +125°c –40°c 至 +125°c –40°c 至 +105°c
灵敏度变化 ±5% ±2.5% （x， y） ±4.5% （z） ±1% 至 ±4.35%
0 g 偏置误差 ±10% ±9% ±0.1% 至 ±1%
灵敏度定义每单位加速度的输出变化量。灵敏度随温度的变化定义了传感器的灵敏度如何随温度变化。压电加速度计在整个温度范围内的比例因子误差高达20%，这可能导致明显的漂移，尽管5%更为典型。此类误差需要在生产过程中进行校准。mems加速度计在整个温度范围内的比例因子或灵敏度误差非常出色，因为在生产过程中进行了电气调整，因此传感器不会随温度漂移。例如，如果adxl1002暴露在25°c至85°c的温度变化中，灵敏度（40 mv/g）将在60 = 1.8%×变化0.03%/°c，这意味着60°c范围内的灵敏度变化在39.28 mv/g至40.72 mv/g之间。这表明mems加速度计的灵敏度相对于温度变化相当稳定。对于大多数应用，不需要对灵敏度进行温度补偿。
零g偏移是加速度计在未施加加速度时的输出。理想情况下，这应该是零，但由于mems传感器内部固有的缺陷，我们看到直流偏移。在大多数情况下，维护专业人员主要关注动态数据（加速度计的交流输出），例如与基线的偏差或偏离操作正常的趋势。因此，当将mems加速度计用于cbm时，零g偏移不是主要问题，零g偏移可以很容易地从测量中校准出来，大多数高性能数字传感器将提供寄存器来轻松执行此操作。在对直流或倾斜检测感兴趣的情况下，也可以校准温度范围内的零g偏移。工作温度范围越小，就越容易做到这一点。
轴数
mems加速度计提供单轴、双轴和三轴版本。与压电加速度计不同，单轴和三轴mems加速度计之间没有实际尺寸差异。更小的尺寸是mem sover压电的主要优势之一，同时功耗更低，集成度更高。3轴压电加速度计存在一些明显的缺点，例如成本，与三轴mems加速度计相比，成本可能高出三个数量级，尺寸和精度，但使用三轴压电加速度计的主要驱动因素之一是更容易地为便携式振动读取器收集数据。一个三轴传感器可以单独完成这项工作，而不必准备三个站点（单轴传感器）然后获取三个单独的读数。对于访问受限的资产，这可能是一个主要优势。此外，在测量多个方向的振动时，保持轴之间的相位关系非常重要，三轴装置将确保这一点。对于复杂的振动分析，重要的是要看到所有轴上的事件，没有相位不匹配，因为这可能导致对事件的误解。
使用三轴压电传感器测量x、y和z方向的振动，可以测量旋转轴的切向运动/振动。旋转机器产生的许多机械力（例如软基础）会产生外壳的切向运动。这是用单轴压电传感器无法检测到的。使用单轴mems加速度计，可以检测到此类事件，因为测量信号的直流成分对应于倾斜，假设资产的摇摆发生在敏感轴上。
振动激励通常是定向的，具体取决于故障，例如外轴承座圈上的剥落、机械松动、不对中或齿轮齿不良。故障振动的方向并不总是可预测的，因此无法知道振动将传播哪个方向（轴向、径向或切向）。也可能有多个故障导致异常振动。一项研究的重点是证明使用三轴压电传感器与单轴径向和轴向传感器相比，提高诊断能力的潜力。6研究表明，如果传感器仅径向或切向放置，单轴加速度计可能会错过前面概述的近50%的机械故障诊断，如图4所示。鉴于故障振动的方向是问题所在，在同一轴上添加更多传感器并不能解决这个问题。添加轴向加速度计将故障检测提高到近70%。再增加一个轴向传感器，检测率提高到80%。这表明来自不同轴的额外诊断信息可以带来更好的故障检测，但这并不是说必须使用三轴传感器来完成。这项研究发现，在许多情况下，拥有所有三个轴的数据是多余的，但如果可能的话，仍然建议在三个轴上进行测量。
图4.电机振动轴。
虽然拥有更多数据总是有益的，但并不总是需要的，特别是在无线系统中，测量或传输冗余数据会缩短电池寿命。正确放置传感器，无论是单轴、双轴还是三轴传感器都至关重要，但根据上述研究，基于有线压电传感器，应尽可能使用三轴传感器。
对于mems加速度计，与压电传感器相比，任何现有的三轴传感器的性能都会降低，因此它们可能无法检测到尽可能多的故障。此外，如表11所示，大多数三轴mems加速度计中的z轴在噪声、带宽或两者兼而有之方面的性能较低，可能会削弱基于三轴压电加速度计的研究报告的额外轴的潜在附加值。在某些情况下，所有轴在噪声和/或带宽方面具有不同的性能，这是cbm的两个最重要的规格。
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带宽 x 11 千赫 4 千赫 4.2 khz 至 8.2 khz
带宽 y 4 千赫 4.2 khz 至 8.5 khz
带宽 z 2 千赫 2.9 khz 至 6.3 khz
噪声 x 25 μ克/√赫兹 55 μ克/√赫兹 75 μ克/√赫兹至 300 μ克/√赫兹
噪声 y 55 μ克/√赫兹 75 μ克/√赫兹至 300 μ克/√赫兹
噪声 z 120 μ克/√赫兹 110 μ克/√赫兹至 300 μ克/√赫兹
这种不匹配在噪声和/或带宽性能方面的影响首先似乎在某种程度上否定了在资产的一个位置具有额外轴（y，z）的优势。熟悉mems传感器的设计人员对此非常了解，但需要考虑一些事项。mems三轴加速度计的成本可以降低几个数量级，性能与压电加速度计相当，而且体积要小得多，因此即使在不太重要的资产上的无线安装中，也可以放置更多的传感器。这为资产的一般操作提供了更多诊断见解。
跨轴灵敏度
跨轴灵敏度 （cas） 是指当加速度施加到另一个轴上时，在一个轴上看到多少输出，通常以百分比表示。对于主要是单轴的压电加速度计，这将作为横向灵敏度给出，它描述了对与其设计测量的轴不同的任何运动的灵敏度。对于仅在其 y 轴上经历加速度的三轴加速度计，由于 cas 的原因，将在 x 轴和 z 轴上测量一些加速度。图 5 显示了 1% 的 cas 在 y（或 z） 轴经历 1.5 g 的加速度时;在 x 轴上也观察到 15 m g 或 1.5g 的 1%。这种现象也会影响单轴mems加速度计。此百分比越低，可以测量并用于检测故障、异常和漂移趋势线的振动数据就越准确和可靠。
图5.在 3 轴加速度计的 x 轴上观察到的交叉轴灵敏度在 y 轴或 z 轴上加速。
如表12所示，一些mems制造商将cas等关键信息排除在数据手册之外，但对于cbm和pdm，这是一个至关重要的规范，在尝试及早检测可能接近传感器本底噪声的故障时，必须了解该规范。adxl1002列出的1%可以被认为是保守的，因为测试显示性能略好。
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跨轴灵敏度 1% 1% 未列出，或最高 2%
图6a显示了mems加速度计上的cas测试。振动仅在 z 轴上施加。图6a显示z轴测得的加速度约为1.1 g峰值，而图6b中的x轴测量的峰值加速度约为0.05 g，y轴在0.0425 g处略小。
图6.（a） mems b 交叉轴灵敏度约为 2.5%，（b） 缩放 x 轴。
表 13 显示了 x 轴上 2.6% 和 y 轴上 2.2% 的最坏情况 cas。测试设置中可能存在错位，因此cas的可能性至少为2%，但低于2.6%。虽然可以校准cas，但最好将该值接近1%，这是mems cbm加速度计的行业领先值。压电cas通常约为5%，但在某些情况下，据报道高达15%。7一些压电供应商可应要求提供低于5%的横向灵敏度值，但需额外付费。
加速度峰值 （g) 加速度有效值（g) cas % （有效值）
z 轴 1.1 0.76
y 轴 0.0425 0.017 2.2
z 轴 0.05 0.02 2.6
将mems传感器机械连接到机器的解决方案
压电加速度计是当今最常用的振动传感器。它们具有 iepe 和 4 ma 至 20 ma 等标准接口，以及螺柱、磁铁和粘合剂等各种安装方法。为了使mems加速度计与振动传感的长期黄金标准竞争，不仅要匹配其性能，而且要使mems传感器易于连接到资产。一段时间以来，这一直是mems加速度计客户的痛点。任何振动测量设置中都会存在多个共振，因此将其对测量的影响降至最低非常重要。在 1 khz 带宽以上，安装变得至关重要，因为谐振会显著影响测量。
对于压电加速度计，有无数的安装策略，螺柱安装提供最宽的频率响应，一直到具有最低频率响应范围的手持式探头尖端。mems加速度计对磁体没有敏感性，可以并且已经成功地与磁性安装策略一起使用。
为了便于将mems传感器安装到资产上，adi公司创建了一个安装立方体，如图7所示。直径为 0.2 英寸的中央安装孔和 0.38 英寸（深 0.3 英寸）的周围唇口允许使用 #10 机器螺钉将安装块固定到资产上。适用于多个加速度计系列（eval-adxl100xz、eval-adxl35xz 和 eval-adxl37xz）的分线板与此机械安装座兼容。通过使用这个安装块并将其牢固地固定在机械源上，可以在受控环境中评估加速度计的频率响应。
图7.用于加速度计分线板 （eval-xlmount1） 的机械优化安装块。
在捕获高频事件时，加速度计的安装保真度至关重要。这在振动台上得到了验证，如图8所示，所得频率响应如图9所示。
图8.振动测量测试设置板使用铝块连接到振动台上。
图9.带iepe接口的adxl1002的频率响应。
传感器pcb设计得稍厚（3 mm），并使用特定的焊膏来帮助保留memssensor在安装到资产时的数据手册频率响应。
图8所示的参考设计pcb将mems加速度计数据转换为iepe格式。它从现有的iepe设置为mems加速度计供电，并以iepe格式输出数据，允许将mems加速度计无缝简单地集成到新的或现有的iepe基础设施中。
adi公司在将业界领先的传感器、信号调理和处理集成到模块中方面有着悠久的历史。最新的cbm模块是基于adcmxl1021和adcmxl3021的单轴或三轴（1×或3×adxl1002）加速度计的spi输出解决方案，能够直接安装到资产上。它们的机械封装共振频率高于 50 khz，远高于 10 khz 的目标带宽。安装孔采用 m2.5 螺钉将模块固定到位。adcmxl3021数据手册中显示的许多特性曲线都使用扭矩约为25英寸磅的不锈钢螺钉。在某些情况下，当可以选择永久安装时，除了安装螺钉外，还可以使用工业环氧树脂或粘合剂（例如氰基丙烯酸酯粘合剂）来增强机械耦合。
图 10.adcmxl3021 宽带宽、低噪声、三轴振动传感器。
我们已经看到，adxl100x mems加速度计具有与压电加速度计相似的性能水平，具有几个明显的优势，现在使cbm和pdm能够应用于不太重要的资产。同时，adxl100x系列mems加速度计（如表14所示）正安装在高度关键的资产上，这对于mems加速度计来说是前所未有的。在adi公司，我们简化了将cbm传感器连接到资产（xlmount1、adcmxl3021）的过程。由于我们的转换参考设计（mems到iepe或4 ma到20 ma），用mems替换压电传感器也非常容易。
我们的cbm参考设计、评估系统、开发平台和系统解决方案都旨在使我们的客户能够开发最佳的cbm和pdm系统，以保持资产和工厂的运行。我们已经解决并解决了cbm设计人员不仅使用mems，还使用压电加速度计所经历的大部分痛点，我们将继续投资于行业领先的cbm解决方案。下一节将讨论一个高保真、高速数据采集管道的示例，该管道使cbm系统开发人员能够检测重要的振动数据并将其保存到其机器学习开发环境（python，tensorflow，mathworks等）中。
部件号 轴数 加速度计范围 噪声密度（典型值）g/√hz 带宽（典型值）赫兹 是（典型）a vs+ （最小值） v vs+ （最大值） v
adxl1001 1 100 克 0.00003 11,000 0.001 3.3 5.25
adxl1002 1 50 克 0.000025 11,000 0.001 3.3 5.25
adxl1003 1 200 克 0.000045 15,000 0.001 3 5.5
adxl1004 1 500 克 0.000125 24,000 0.001 3.3 5.25
adxl1005 1 100 克 0.000075 23,000 0.001 3 5.25
煤层气开发平台
cn-0549 cbm开发平台（如图11所示）汇集了上述所有mems设计考虑因素，为cbm提供了性能最高的mems加速度计，可轻松安装到资产上，同时保持数据手册的性能。该数据采集板提供高速、24位分辨率信号调理和数据采集硬件解决方案，可与iepe压电和mems加速度计配合使用。还提供了开箱即用的所有必要固件和评估软件。
图 11.cn-0549框图和图像。
cbm开发平台旨在使cbm设计人员能够收集大量高质量的振动数据，以了解其资产的运行行为。一旦理解了这一点，就可以对故障进行种子设定或模拟，以便开发趋势信息，使机器学习算法能够识别和分析潜在的故障。必须以最高的保真度捕获此故障数据，并将其流式传输到机器学习环境，以开发模型以更好地了解资产的行为。
cbm开发平台支持将高性能iepe振动传感器数据流式传输到机器学习环境，如tensorflow，开箱即用。多种iepe压电传感器（请注意，这些传感器不需要安装立方体即可连接到资产）或adxl1002 iepe解决方案cn-0532可与cbm开发平台一起使用。daq板cn-0540是另一个为iepe传感器提供最高精度数据采集信号链的参考设计，它为fpga提供了一个全带宽数据管道，系统可以在其中监控机器的数据配置文件。在fpga上运行的示波器应用，只需通过hdmi连接到监视器，即可提供频谱信息，并允许用户快速可视化其机器的健康状况或通过以太网将数据流式传输到云。python 和 matlab 绑定使设计人员能够将机器学习数据直接连接到这些流行的工具中。然后，设计人员可以获取他们的机器学习数据，并开始为他们的设备创建算法，以改进维护策略，并预测故障和潜在的工厂停机时间。®®
结论
本文讨论了在cbm系统中使用mems加速度计时要考虑的最重要标准。结果表明，少量mems加速度计可以提供压电加速度计的可行替代方案;然而，mems加速度计在性能方面存在显著差距，概述了对这些传感器进行分类的要求。这些与现有的iso 10816振动标准进行了讨论和比较，进一步确定了用于cbm的mems传感器的性能差异。 mems传感器根据最重要的规格进行分类，例如噪声，带宽，g范围等。由于其宽带宽、超低噪声和高g范围，adxl100x系列传感器显然是唯一能够与压电加速度计竞争的传感器，并且与mems竞争产品进行了广泛比较，可以被认为是目前可用于cbm和pdm应用的唯一高性能mems传感器。在所有其他mems cbm传感器所在的中等性能类别中，adi公司提供各种三轴数字传感器，如adxl317，这是噪声最低、宽带宽数字mems加速度计之一，能够及早检测振动，帮助保持资产甚至工厂运行。
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