【導讀】工業4.0的到來
，正在改變製造業的遊戲規則。基於大數據的洞察
，將使得整個生產鏈變得更加透明、靈ling活huo而er富fu有you彈dan性xing
，在zai滿man足zu定ding製zhi化hua生sheng產chan的de同tong時shi仍reng能neng夠gou實shi現xian盈ying利li，而er這zhe一yi切qie在zai傳chuan統tong製zhi造zao業ye的de模mo式shi下xia是shi無wu法fa想xiang象xiang的de。而er且qie，由you此ci引yin發fa的de變bian革ge是shi全quan方fang位wei的de，其qi影ying響xiang力li滲shen透tou到dao了le生sheng產chan製zhi造zao環huan節jie的de方fang方fang麵mian麵mian，也ye包bao括kuo生sheng產chan設she備bei的de維wei護hu。

zhizaoyezhongchuantongdeshebeiweihutongchangbaokuojiuzhengxingweihuheyufangxingweihuliangzhongfangshi，qianzheshizhizaishebeifashengguzhangzhihoujinxingbeidongdiganyu，houzheyibanzeshianzhaoyudinghaodezhouqihuotiaojianjinxingzhudongdeweihu。zheliangzhongfangshixianrandoubushishebeiweihudezuiyoujie——前者往往要承擔計劃外停機的巨大損失（計劃外停機的成本會占到總製造成本的近四分之一），而後者則不可避免地會在設備運轉良好地情況下實施不必要的幹預
，進而產生較大的成本。

如果有一種建立在大數據分析和洞察基礎上的方法
，可以實時地了解設備的實時工作狀態
，及時發現故障隱患，有的放矢地進行“恰到好處”的維護，這當然是更理想的解決方案。這種針對機器設備健康狀況的分析被稱為基於狀態的監控（CbM），而基於CbM的維護方法就是“預測性維護”。

xianeryijian，zaiyucexingweihudekuangjianei，zhiyouzaijiqishebeichuxianmouxiezaoqiyujingzhengzhuangshi，caixuyaocaozuozhejinxingganyu。yuchuantongdeweihufangshixiangbi
，qizaijianshaoshebeitingji、降低維護成本、延長設備壽命、提高產能等方麵帶來的效益是巨大的。

圖1：預測性維護與傳統維護方式的成本分析

（圖源：ADI）

針對電機的預測性維護

由於電機等具有旋轉機構的機器設備是製造業中的主力
，因此針對電機的CbM或者預測性維護自然也就成了一個重點課題。這也是當今不少頭部技術供應商（如Analog Devices
，ADI）追逐的熱點。

在判斷電機的工作狀態是否“健康”時
，需要很多數據的支持
，比如壓力、振動、噪聲、溫度等等，其中在可測量的物理量中，振動是一個尤為關鍵的參數，這是因為很多故障早期的症狀——如滾珠軸承故障、軸偏差、不平衡、過度鬆動等——都會表現為異常的振動，並且在測量頻譜時會呈現出各自不同的特征，由此就可以基於振動數據做出“診斷”，決定是否需要進行維護，以及進行哪種類型的維護。

比(bi)如(ru)在(zai)滾(gun)珠(zhu)軸(zhou)承(cheng)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)時(shi)，當(dang)滾(gun)珠(zhu)碰(peng)觸(chu)到(dao)軸(zhou)承(cheng)的(de)開(kai)裂(lie)處(chu)，或(huo)者(zhe)內(nei)環(huan)或(huo)外(wai)環(huan)的(de)缺(que)陷(xian)位(wei)置(zhi)，就(jiu)會(hui)發(fa)生(sheng)撞(zhuang)擊(ji)
，引(yin)起(qi)振(zhen)動(dong)，甚(shen)至(zhi)導(dao)致(zhi)旋(xuan)轉(zhuan)軸(zhou)輕(qing)微(wei)移(yi)位(wei)，這(zhe)種(zhong)撞(zhuang)擊(ji)有(you)時(shi)會(hui)產(chan)生(sheng)可(ke)以(yi)聽(ting)見(jian)的(de)聲(sheng)音(yin)（即衝擊波），其在頻譜中通常表現為大於5kHzdedinengliangpufenliang。ersuizhewentiehua，dinengliangpufenlianghuibuduanzengjia，dangwomentongguojiasuduchuanganqibuzhuodaozhexiezhendongxinhaozhihou
，jiukeyizaijinkenengduandeshijianneizuochufanying。

圖2：不同電機的故障類型對應著不同的振動頻譜特征（圖源：ADI）

因此不難得出結論，隻要我們圍繞著電機異常振動，建立起一個從狀態感知、數據采集，到數據傳輸
、分析處理的係統，就可以構建起一套完整的CbM和預測性維護解決方案，並讓其承擔起電機健康問題“吹哨人”的角色，將故障消除在萌芽狀態。

圖3：電機CbM和預測性維護解決方案架構

（圖源：ADI）

選擇合適的加速度計

從圖3中我們可以看到
，一個完整電機CbM和預測性維護方案的設計，需要在多個技術環節進行技術決策，而其中作為整個方案的“起點”，就是要選擇能夠準確捕捉到振動信號的加速度傳感器。這種測量振動的加速度傳感器，需要裝配在被監測對象的附近

，而且帶寬
、可靠性、尺寸
、功耗
、成本等都是在選型時需要綜合考量的要素。

以往CbM中振動測量比較常用的是壓電加速度計
，因為這類傳感器具有較寬的帶寬（典型範圍為3Hz至30kHz
，甚至可以高達數百kHz）
，這就意味著其可以“觀察”到更寬頻譜範圍內異常振動的信號。同時，壓電加速度計具有良好的線性度、SNR
，以及高溫工作性能，這都是工業應用中十分看重的特性。不過
，壓電加速度計在DC範圍下的性能欠佳，因此對於風力渦輪機這種低轉速的低頻應用不太適合，而且其成本也偏高，會影響應用範圍的進一步拓展。

相較而言

，MEMS電容式加速度計近年來在電機CbM和預測性維護中則表現出更強的發展勢頭。MEMS電容式加速度計具有DC響應特性
，以及很強的抗衝擊能力

，而且其尺寸更小
，重量更輕
，更適合批量生產，因而成本也更具優勢。

更重要的是，隨著技術的進步，以往“帶寬較低”這一困擾MEMS電容式加速度計的問題

，也得到了極大的改善。可以想見，MEMS電容式加速度計的發展正在拉低CbM和預測性維護的“門檻”，使得這一技術能夠滲透到電機應用的更多場景。

圖4：兩種用於電機振動測量的加速度傳感器比較

（圖源：ADI）

ADI的ADXL100x係列就是MEMS電容式加速度計中綜合表現非常搶眼的產品。這個係列的單軸加速度計，測量帶寬高達50kHz，其頻率響應可以覆蓋旋轉機械中常見的主要故障，包括套筒軸承損壞

、對準誤差、不平衡、摩擦

、鬆動、傳動裝置故障
、軸承磨損和空化等等。

圖5：ADXL100x係列MEMS加速度計

（圖源：ADI）

ADXL100x MEMS加速度計可實現高分辨率振動測量，可提供從±50g到±500g不同量程範圍的產品，且在較寬的頻率範圍內具有25μg/√Hz至125μg/√Hz的超低噪聲密度，提供穩定和可重複的靈敏度，並可承受高達10,000g的外部衝擊。

圖6：ADXL1001/ADXL1002可支持>5kHz的高頻振動響應（圖源：ADI）

值得一提的是，ADXL100x係列MEMS加速度計還提供了一個通常壓電加速度計不具備的特性
，即集成了諸多智能特性，如超量程檢測電路——當發生超過指定g值範圍約2倍的嚴重超量程事件時，該電路會報警；同時ADXL100x可(ke)基(ji)於(yu)某(mou)種(zhong)內(nei)部(bu)時(shi)鍾(zhong)智(zhi)能(neng)禁(jin)用(yong)機(ji)製(zhi)在(zai)持(chi)續(xu)發(fa)生(sheng)超(chao)量(liang)程(cheng)事(shi)件(jian)時(shi)保(bao)護(hu)傳(chuan)感(gan)器(qi)元(yuan)件(jian)
，這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)可(ke)以(yi)減(jian)輕(qing)主(zhu)機(ji)處(chu)理(li)器(qi)的(de)負(fu)擔(dan)，並(bing)能(neng)增(zeng)加(jia)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)的(de)智(zhi)能(neng)化(hua)程(cheng)度(du)。

此外
，ADXL100x係列MEMS加速度計緊湊的LFCSP封裝、-40°C至+125°C的寬工作溫度範圍
、低功耗的特性
，都有助於將其更便利地融合到工業物聯網的應用中，成為工業4.0中不可或缺的一部分。

圖7：ADI為CbM提供豐富的MEMS加速度計產品

（圖源：ADI）

打造高性能的信號鏈

當然，MEMS加速度計性能再突出
，其在整個電機CbM的信號和數據鏈處理中
，也隻是邁出了第一步。想要打造一個高性能的電機CbM和預測性維護方案，需要一個完整的係統做支撐。其中主要包括以下幾個關鍵部分：

檢測模塊

主要是基於MEMS加速度計的振動和衝擊檢測單元，提供高精度的測量。有時還需要集成溫度傳感等其他感測功能。

數據采集

高保真的數據采集可以將傳感器捕獲的振動、衝擊、溫度
、聲學、壓力、電壓和電流信號轉換為數字信號，從而轉化為有價值的數據，成為洞察和決策的基礎。

電源管理

小尺寸、高效率的解決方案，確保小型化的智能傳感器能夠在惡劣的工業應用中可靠運行。

數據處理

超低功耗MCU或其他主控器件可以對工業邊緣節點上發生的事件做出本地決策
，並經過篩選將更重要的數據發送至雲端，以建立更全麵的洞察。

有線/無線連接

通信模塊可以在惡劣的工業環境中
，確保相關電機健康狀況數據可靠地傳送到PLC和製造執行係統（MES），加速CbM部署。

基於AI的雲洞察力

建立在雲端更強大計算資源基礎上的人工智能（AI），可以檢測和解譯聲音
、振動、壓力、電流或溫度等數據，以實現連續狀態監控和按需診斷
，並通過與CbM領域專家交互不斷學習和升級。

圖8：電機CbM和預測性維護方案係統架構

（圖源：ADI）

在這樣一個長長的信號和數據鏈中
，想要確保數據的可靠性和準確性
，就需要為各個功能模塊選擇合適的高性能器件。

比如
，為了保證數據采集模塊能夠實現高性能的信號調理，就要在放大器
、ADC、基準電壓源等模擬器件的選型上花一番心思（如圖8）。

在運算放大器的選型上，ADI的LT6015 Over-The-Top® 精密運算放大器是一款值得推薦的器件。這是一款單通道軌到軌輸入運算放大器，具有低於50μV的輸入失調電壓。這些放大器可采用單電源和分離電源工作（總電壓為3V至50V），每個放大器僅吸收315μA電流。它們具有反向電池保護功能，在高達50V的反向電源電壓下。其吸收電流非常小。

LT6015能驅動高達25mA的負載


，並可在使用200pF的容性負載時保持穩定的單位增益。該放大器的Over-The-Top® 輸入級可在嚴酷環境中提供額外的保護。其輸入共模範圍從V-擴展至V+及以上，具體來講這些放大器可在輸入為V-至76V的條件下工作，內部電阻器負責保護輸入免遭低於負電源25V的瞬變故障的損壞。

圖9：LT6015 Over-The-Top精密運算放大器

（圖源：ADI）

在高精度、低功耗基準電壓源的選型上
，ADR45xx基準電壓源是一個不錯的選擇。該係列產品的最大初始誤差為±0.02%，具有出色的溫度穩定性和低輸出噪聲。由於使用了新的內核拓撲結構來提高精度，ADR45xxjizhundianyayuantongshitigongchusedewenduwendingxinghezaoshengxingneng。gaikuanjizhundianyayuanjuyoudirezhishuchudianyachizhihedichangqishuchudianyapiaoyi
，yincitigaoleshouminghewendufanweineidexitongjingdu。

同時，ADR45xx係列的最大工作電流為950μA
，提供了出色的低功耗特性；而-40°C至+125°C的寬溫度範圍使其適合於廣泛的工業應用。

圖10：ADR45xx基準電壓源

（圖源：ADI）

當然，ADI為實現高精度數據采集所提供的產品遠不止上述兩款，而是包括一整套CbM信號鏈和數據鏈解決方案
，這就省去了大家選料、調試等繁複的開發工作。

本文小結

隨著工業4.0的推進
，以基於CbM的de預yu測ce性xing維wei護hu替ti代dai傳chuan統tong的de電dian機ji維wei護hu方fang式shi，已yi經jing成cheng為wei大da家jia普pu遍bian的de共gong識shi。而er想xiang要yao打da造zao這zhe樣yang一yi套tao能neng夠gou實shi時shi感gan知zhi電dian機ji健jian康kang狀zhuang態tai，按an需xu進jin行xing維wei護hu工gong作zuo的de係xi統tong，需xu要yao圍wei繞rao整zheng個ge信xin號hao鏈lian和he數shu據ju鏈lian構gou建jian一yi個ge整zheng體ti的de解jie決jue方fang案an。其qi中zhong不bu僅jin需xu要yao高gao性xing價jia比bi的de傳chuan感gan器qi，也ye需xu要yao高gao精jing度du的de信xin號hao調tiao理li器qi件jian、可靠的電源管理器件，以及高效的數據傳輸和處理解決方案。

這時

，與ADI這樣具有豐富產品組合
、能夠提供一站式解決方案的技術廠商合作，其價值就凸顯出來了。由此帶來的便利性和可擴展性，能夠讓工業4.0的理念深入到未來製造業的每一根“毛細血管”，讓製造業的“肌體”更為健壯和有力。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題
，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

MEMS麥克風已成消費市場的主流產品選擇

在開關模式電源中
，當脈衝被忽略時...

直流快速充電係統：通過LLC 變壓器驅動最大限度提高功率密度

看似簡單的整流二極管電路詳解（一）

數字功放領域電感應用指南