【導讀】MEMS加速度計對于檢測故障情況、幫助防止意外斷電或避免發(fā)生其他代價(jià)高昂的事件至關(guān)重要，但我們在選擇和安裝合適的MEMS傳感器之前，需要仔細考慮多個(gè)關(guān)鍵參數，然而這些參數常常被忽視。本文將討論您在做出選擇時(shí)應特別留意的一些關(guān)鍵標準。
CbM是利用傳感器監測機械系統可能出現的潛在缺陷或損壞的過(guò)程。CbM用于監測滾珠軸承、齒輪、泵和許多其他應用中的缺陷。通常的做法是采用多種不同類(lèi)型原理的傳感器來(lái)確保實(shí)現出色監控效果。使用此類(lèi)傳感器可以盡早發(fā)現異常情況，并采取預防措施以避免可能的損壞或事故。一種方法是預測性維護(PdM)，根據從傳感器讀數收集到的數據來(lái)預測系統內的潛在故障。這有助于減少停機時(shí)間并提高運營(yíng)效率。盡管在CbM應用中常常使用多種類(lèi)型的傳感器，包括加速度計、溫度傳感器、磁力計和MEMS麥克風(fēng)等，但本文將特別關(guān)注MEMS加速度計。
MEMS加速度計用于將機械振動(dòng)轉換為電壓或數字值。MEMS傳感器由活動(dòng)和固定的硅元件組成，它們相互交叉形成電容，如圖1a所示。機械運動(dòng)會(huì )使得活動(dòng)元件向固定元件移動(dòng)。該結構在數學(xué)上可以描述為質(zhì)量彈簧系統，其中的加速度可以根據測得的力來(lái)計算。在模擬MEMS傳感器中（圖1b），機械振動(dòng)可以轉換為電壓。數字傳感器額外使用集成模數轉換器來(lái)輸出數字值，如圖1c所示。ADI公司提供類(lèi)型豐富的MEMS加速度計，例如低噪底、高帶寬和多軸傳感器。
圖1.(a) MEMS結構，沿z軸運動(dòng)；(b) MEMS模擬輸出；(c) MEMS數字輸出。
量程
所選擇的MEMS傳感器的量程應涵蓋系統中出現的所有加速度。如果傳感器的量程太小，信號可能會(huì )被削波。這會(huì )導致測量結果出現不對稱(chēng)信號/信號偏移，導致出現加速度解讀誤差。在此過(guò)程中，應在傳感器中記為1 g的重力加速度常被忽略。
帶寬
此外，還應結合帶寬考慮系統中出現的加速度所對應的頻率。缺陷的早期檢測，例如與滾珠軸承、泵等相關(guān)的缺陷，在CbM應用中至關(guān)重要。缺陷的最初跡象通常出現在高頻頻譜。如果選擇的帶寬太小，則這些缺陷甚至可能無(wú)法被檢測到。在此類(lèi)應用中，加速度是頻率平方的函數。例如，在位移為250 nm且頻率為1 kHz時(shí)，實(shí)際加速度為1 g。如果此位移發(fā)生在10 kHz，則實(shí)際加速度為100 g，或者說(shuō)比之前高出100倍。也就是說(shuō)，為了能夠盡早發(fā)現系統中的缺陷，必須選擇帶寬和量程足夠大的傳感器。為了滿(mǎn)足高度關(guān)鍵應用的需求，ADI公司提供帶寬高達24 kHz和量程達到500 g的傳感器。
傳感器諧振頻率
選擇帶寬時(shí)要考慮的另一個(gè)因素是傳感器的諧振。當加速度發(fā)生在傳感器的諧振頻率上時(shí)，傳感器的靈敏度會(huì )增加，進(jìn)而造成可用信號失真的糟糕情況，影響測量結果的準確性。為系統提供機械阻尼/濾波可以解決這個(gè)問(wèn)題。除帶寬外，低本底噪聲對于實(shí)現故障或偏差的早期檢測也很重要。出色的MEMS加速度計的本底噪聲應小于100 μg/√Hz。
基于MEMS的加速度計現在可以很好地替代壓電傳感器。MEMS加速度計具有高達24 kHz的高帶寬和低本底噪聲，非常適合用于預測和檢測缺陷的早期跡象，從而降低系統故障率和相關(guān)成本。ADI公司為CbM應用提供廣泛的傳感器選擇，包括ADXL100x和 ADXL356/ADXL357。
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