21世紀(jì)是人類追求健康的世紀(jì)，科技水平的提高也帶來了醫(yī)療手段的進(jìn)步，越來越多的人選擇了佩戴可穿戴設(shè)備，隨時隨地監(jiān)測身體數(shù)據(jù)是否異常，從以前的“有病治病”到現(xiàn)在的“未病先治”，開啟了人類的大健康時代。
都說人體是一臺精密的機械，既然能有可穿戴設(shè)備幫人預(yù)防疾病，那么是否能有幫助機器提前發(fā)現(xiàn)故障，防患于未然的解決方案呢?答案是肯定的，振動監(jiān)測傳感器可以精確獲取機器數(shù)據(jù)，提前消除機器的亞健康，提高產(chǎn)品精度、減少次品，幫助機器從帶病作業(yè)、有問題再解決的方式轉(zhuǎn)向健康保障、預(yù)防宕機的新模式。本文就以高性能模擬技術(shù)提供商ADI的高精度、超低噪聲MEMS傳感器為例，看機器的大健康發(fā)展如何實現(xiàn)。
如何實現(xiàn)機器健康監(jiān)測
事實上與靈敏電子元器件制造業(yè)一樣，過程監(jiān)控在高價值設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)施中同樣及其重要，裝配線的細(xì)微變化可能會導(dǎo)致工廠產(chǎn)量減少，終設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)變化等。傳統(tǒng)的方法是利用手持式振動探頭進(jìn)行檢測，如下圖所示。這種方法的一個主要缺點是不能進(jìn)行可重復(fù)測量，探頭位置或角度稍有改變，就會產(chǎn)生不一致的振動剖面，從而難以進(jìn)行精確的時間比較，同時還有無法實時指出振動偏移這一局限性。
傳統(tǒng)采用的設(shè)備變化監(jiān)控方法缺乏可重復(fù)性和可靠性
此外，工廠設(shè)備通常有多種振動源(軸承缺陷、不平衡和齒輪嚙合)，其中包括設(shè)計帶來的振動源，例如在正常工作過程中產(chǎn)生振動的鉆孔機或壓制機。振動曲線較復(fù)雜、有時間偏移，并且易受設(shè)備、材質(zhì)和位置的變化影響?；跁r間的分析會產(chǎn)生一個綜合所有這些振動源的復(fù)雜波形，如果不進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)分析，它提供的信息難以辨別。
雖說借助嵌入式FFT功能，自主傳感器可實現(xiàn)實時通知，許多既有解決方案也能夠以壓電傳感器為基礎(chǔ)實現(xiàn)，但通常而言其集成度非常低，需要依賴FFT外部計算和分析。這不僅使得實時通知毫無可能，而且將大部分額外設(shè)計工作推給了設(shè)備開發(fā)人員。如果傳感器內(nèi)嵌FFT分析功能，就能即時確定振動偏移的具體來源，但從完全集成的傳感器開始開發(fā)，也需花費開發(fā)人員6至12個月的開發(fā)時長。還有另一大問題是該解決方案大部分都只有模擬輸出，這會導(dǎo)致信號在傳輸過程中衰減，而且離線數(shù)據(jù)分析非常復(fù)雜。
帶可編程濾波和調(diào)諧控制功能的嵌入式FFT分析
關(guān)鍵的是需要進(jìn)行振動監(jiān)控的大多數(shù)工業(yè)設(shè)備也往往存在于高噪聲、時刻保持運動，無法接近、甚至危險的工作環(huán)境中。因此，業(yè)界迫切希望降低接口電纜的復(fù)雜性，并且在數(shù)據(jù)源頭端執(zhí)行盡可能多的數(shù)據(jù)分析工作，以便捕捉到盡可能準(zhǔn)確的設(shè)備振動狀態(tài)信息。
高性能MEMS傳感器——機器健康監(jiān)測關(guān)鍵
MEMS傳感器在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中起著決定性作用。它們可用于測量傾斜度變化、振動分析以及線性或圓周運動——即使在條件下也能測量，可以更好地利用可用資源并幫助避免服務(wù)故障和中斷。ADI公司作為MEMS創(chuàng)新產(chǎn)品的先行者，專門針對工業(yè)條件監(jiān)測應(yīng)用而設(shè)計的高頻率、低噪聲MEMS傳感器，無懼高沖擊和高振動的環(huán)境，可在狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用中盡早檢測出機器故障，深受市場公司的歡迎。
ADI 高性能MEMS傳感器應(yīng)對更加魯棒的應(yīng)用場景
支持結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的高級特性對于狀態(tài)監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，測量范圍是一個重要參數(shù)。例如，在加速度峰值為幾個g的應(yīng)用中，2g范圍的傳感器就足夠了。但是，工業(yè)自動化設(shè)備器件常常工作在受到強烈振動和沖擊的環(huán)境中，會導(dǎo)致傳感器飽和。一旦飽和，就不可能測量出正確的加速度。在ADI的MEMS傳感器產(chǎn)品中有50-500各種g值。g值高的可以做振動監(jiān)測，使得預(yù)防性設(shè)備健康維護成為可能!其中ADXL1001和ADXL1002是ADI推出的兩款專門針對工業(yè)條件監(jiān)測應(yīng)用而設(shè)計的MEMS加速度計，能夠在具有兩個滿度范圍選項的拓展頻率范圍內(nèi)提供超低的噪聲密度(分別是 30 μg/√Hz 和 25 μg/√Hz )，以及承受高達(dá) 10,000 g 的外部沖擊，所以目前市面上旋轉(zhuǎn)機械中發(fā)生的主要故障(如套筒軸承損壞、對準(zhǔn)誤差、不平衡、摩擦、松動、傳動裝置故障、軸承磨損和空化)都在ADXL100x系列狀態(tài)監(jiān)控加速度計的測量范圍以內(nèi)。
除此之外，ADXL1001和ADXL1002還擁有集成的全靜電自檢 (ST) 功能和超范圍 (OR) 指示器，可以提供先進(jìn)的系統(tǒng)級功能并可用于嵌入式應(yīng)用。在功耗方面，憑借 3.3 V 至 5.25 V 的單電源供電，ADXL1001/ADXL1002 還允許進(jìn)行無線感測產(chǎn)品設(shè)計。
解讀設(shè)備聲音與振動，ADI OtoSense系統(tǒng)帶來體檢報告
事實上，除了提供用于監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的組件、模塊之外，ADI團隊在過去20年里一直致力于理解人類是如何解讀聲音和振動，并研發(fā)了一套設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng) —— OtoSense。該系統(tǒng)旨在使聲音和振動專業(yè)知識在任何設(shè)備上都持續(xù)可用，且無需連接網(wǎng)絡(luò)來執(zhí)行異常檢測和事件識別。
因為在ADI團隊看來，將聲音、振動和原因結(jié)合起來實施診斷人工需要花費大量時間，而具備經(jīng)驗豐富的技工人員和工程師卻又是稀缺資源。于是便有了OtoSense系統(tǒng)。
此外，在與專家之間的日益接觸下OtoSense系統(tǒng)還能夠不斷進(jìn)化，可幫助檢測人員實現(xiàn)從異常檢測到日益復(fù)雜的診斷。目前，在航空航天、汽車和工業(yè)監(jiān)測應(yīng)用中，OtoSense技術(shù)被越來越多地用于設(shè)備健康監(jiān)測，尤其是在復(fù)雜設(shè)備方面該技術(shù)表現(xiàn)出了不錯的性能。
數(shù)字時代的到來促使工業(yè)制造向著智能化發(fā)展，集成式的“智能節(jié)點”解決方案可以為低成本設(shè)備提供經(jīng)濟有效的條件狀態(tài)監(jiān)測，通過有計劃的維護大限度地減少停機時間。采用ADI更小、更低成本的低功耗MEMS傳感器支持實現(xiàn)高集成度嵌入式解決方案，助力機器大健康時代到來。
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