如何构建基于MEMS的解决方案以在状态监视期间实施振动检测

对于使用电动机，发电机和齿轮的机械设备和技术系统，状态监视是当前的核心挑战之一。

在最大程度地减少生产停机风险方面，计划维护的重要性日益突出，不仅在工业领域，而且在使用机械系统的任何地方。

此外，本文还分析了机器的振动模式。

变速箱引起的振动在频域中反映为轴速的倍数。

不同频率点的异常现象，例如磨损，不平衡或零件松动。

我们通常使用基于MEMS（微机电系统）的加速度计来测量频率。

与压电传感器相比，它们具有更高的分辨率，出色的漂移特性和灵敏度以及更高的信噪比（SNR）。

此外，它们可以检测到几乎接近DC范围的极低频振动。

本文介绍了基于ADXL1002 MEMS加速度计的高线性度，低噪声，宽带振动测量解决方案。

该解决方案可用于执行轴承分析或发动机监控，适用于要求动态范围最高为±50 g且频率响应范围为DC至11 kHz的所有应用。

图1显示了一个示例电路。

ADXL1002的模拟输出信号通过二阶RC滤波器馈入逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器（ADC）AD4000，后者将模拟信号转换为数字值以进一步处理该信号。

图1. ADXL1002的示例电路ADXL1002是Analog Devices的高频单轴MEMS加速度计，可提供远远超出传感器谐振频率范围的输出信号通带。

使用该设备后，还可以监视3 dB带宽以外的频率。

为了实现这种监视，ADXL1002的输出放大器需要支持70 kHz的小信号带宽。

使用ADXL1002的输出放大器还可以直接驱动高达100 pF的电容负载。

为了实现高于100 pF的负载，需要不小于8kΩ的串联电阻。

ADXL1002的输出需要配备一个外部滤波器，以消除由ADXL1002的输出放大器产生的混叠噪声和其他内部噪声成分，例如通过耦合内部200 kHz时钟信号产生的噪声。

因此，需要相应地采用滤波器带宽。

采用图1所示的尺寸（R1 = 16kΩ，C1 = 300 pF，R2 = 32kΩ，C2 = 300 pF），在200 kHz时可获得约84 dB的衰减。

此外，所选的ADC采样率应高于放大器的带宽（例如32 kHz）。

对于ADC，选择ADXL1002的电源电压作为其基准电压源，因为输出放大器与电源电压成正比。

在此示例中，电源电压容差和电压温度系数（通常连接到外部稳压器）位于加速度计和ADC之间，因此可以抵消与电源和参考电压有关的隐式误差。

频率响应加速度计的频率响应是系统最重要的特性，如图2所示。

在高于约2 kHz至3 kHz的频率下，增益会增加。

对于谐振频率（11 kHz），在输出电压下会产生大约12 dB（4倍）的最大增益值。

图2. ADXL1002的频率响应为了显示范围过冲（超范围），ADXL1002配备了相应的输出（OR引脚）。

当发生重大的超范围事件时，集成监视器将发出警报。

机械安装注意事项应特别注意将加速度计放置在正确的位置。

加速度计应安装在电路板的刚性放置点附近，以避免电路板本身的任何振动以及电路板不受抑制的振动所引起的测量误差。

这种布置可以确保加速度计每次接收到的电路板振动的频率都高于机械传感器的共振频率，因此加速度计实际上是看不见的。

通过多个安装点，接近传感器和较厚的板还有助于减少系统共振对传感器性能的影响。

结论当使用图1所示的电路时，可以相对容易地构建基于MEMS的解决方案，而ADI的解决方案可以检测到11 kHz直流范围内的振动（此范围通常是旋转状态监测所必需的）机器）。