在高級狀態監測和預測性維護中，振動傳感器起著至關重要的作用。本文我們將介紹不同加速度計設計的利弊。

 

數字化正在給工業領域帶來巨大變革，無論是製造業、公用事業、采礦業還是鋼鐵業，采用基於傳感器的數字網絡可以實時地采集
、傳輸和分析數據，從而可為相關機構提供比以往任何時候都更好的資產可視性。

 

這(zhe)種(zhong)智(zhi)能(neng)正(zheng)在(zai)給(gei)許(xu)多(duo)關(guan)鍵(jian)領(ling)域(yu)帶(dai)來(lai)巨(ju)大(da)進(jin)步(bu)。下(xia)麵(mian)給(gei)出(chu)的(de)一(yi)個(ge)實(shi)例(li)是(shi)預(yu)測(ce)性(xing)維(wei)護(hu)。通(tong)過(guo)分(fen)析(xi)來(lai)自(zi)工(gong)廠(chang)車(che)間(jian)或(huo)工(gong)作(zuo)現(xian)場(chang)的(de)各(ge)種(zhong)機(ji)器(qi)數(shu)據(ju)
，可(ke)以(yi)識(shi)別(bie)出(chu)不(bu)規(gui)則(ze)的(de)運(yun)行(xing)模(mo)式(shi)，從(cong)而(er)在(zai)機(ji)器(qi)設(she)備(bei)出(chu)現(xian)問(wen)題(ti)之(zhi)前(qian)就(jiu)事(shi)先(xian)發(fa)現(xian)。隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)累(lei)積(ji)
，這(zhe)些(xie)信(xin)息(xi)可(ke)以(yi)不(bu)斷(duan)完(wan)善(shan)，能(neng)夠(gou)避(bi)免(mian)意(yi)外(wai)的(de)停(ting)機(ji)時(shi)間(jian)
，並(bing)降(jiang)低(di)維(wei)修(xiu)成(cheng)本(ben)
，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)效(xiao)的(de)運(yun)營(ying)。

 

danshiyouxiaodeyucexingweihuyilaiyuguangfandejixiehedianqijishu，tongguozhexiejishudemiqiepeihekeyiweigongchengshitigongsuoxudexinxi。zheqizhongyigezhongyaobujianshijiasuduji，tashiyizhongyongyucelianggongyehuanjingzhongjiegouzhendongdeweixingqijian。congfazhanlishishangkan，jiasudujiyizhizaiyongyujiancedaxinggaoduanjixieshebeidezhendongxingneng。danshi，suizheshuzihuahezidonghuaqushidejiasufazhan
，tamenyiyuelaiyueduodiyingyongyuzhinenghuayuceweihu

，lirujichuangzhuzhou、傳送帶
、分揀台和機床等數量眾多
，但又較小的係統。

 

因(yin)此(ci)
，對(dui)於(yu)可(ke)靠(kao)性(xing)工(gong)程(cheng)師(shi)而(er)言(yan)

，必(bi)須(xu)對(dui)可(ke)用(yong)的(de)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)加(jia)速(su)度(du)計(ji)技(ji)術(shu)特(te)性(xing)有(you)充(chong)分(fen)了(le)解(jie)
，這(zhe)些(xie)信(xin)息(xi)有(you)助(zhu)於(yu)權(quan)衡(heng)各(ge)種(zhong)類(lei)型(xing)器(qi)件(jian)的(de)優(you)缺(que)點(dian)，並(bing)針(zhen)對(dui)各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)振(zhen)動(dong)應(ying)用(yong)在(zai)決(jue)定(ding)采(cai)用(yong)哪(na)種(zhong)器(qi)件(jian)時(shi)做(zuo)出(chu)明(ming)智(zhi)的(de)選(xuan)擇(ze)。

 

不同類型的振動傳感器

用於振動測量的兩種主要加速度計為壓電（piezoelectric）和可變電容（variable capacitance）振動傳感器，這裏我們將介紹它們的更詳細信息
，根據TE Connectivity最近發布的技術比較研究
，我們將討論這些器件各自的優缺點。

 

就它們的工作原理而言
，壓電（PE）加速度計內部包含壓電晶體，它們在遇到振動時自身會產生並發出信號。大多數壓電傳感器都包含鋯鈦酸鉛陶瓷（PZT）
，能夠通過極化對齊偶極子並使晶體能夠產生壓電效應。 PZT晶體非常適合狀態監測應用，它們可以在寬溫度和動態範圍內工作，並且有高於 20kHz的頻率帶寬。

 

市場上主要有兩種壓電加速度計設計類型：yasuomoshihejianqiemoshi。yasuomoshishejishitongguojiangzhongliangjiazaidaojingtishangbingtongguoyujiazaililaiduiyadianjingtishijiayingli，zhezhongfangshigoujiandeyasuomoshishejijuyouxingnengjuxian，rongyishoudaoanzhuangjizuoyingbiandeyingxiang，bingqiejuyoujiaogaoderepiaoyi。

 

lingyifangmian，jianqiemoshishejijuyougudingzaizhizhushangdehuanxingjianqiejingtihehuanxingzhiliang。zhezhongshejiyouyucaiyonggelidejizuo，bingqiejihubushoureyingliyingxiang，congertigaolewendingxing，juyoubiyasuomoshigenghaodexingneng。deque

，zhexietexingshijianqiemoshishejizaizhuangtaijianceyingyongzhonggengshouhuanying。

 

現在讓我們評估一下可變電容（VC）傳感器的性能。這些器件通過記錄在兩個電容器極板之間地震震動質量（seismic mass）傳遞導致的電容變化來測量加速度。電容變化與施加的加速度成比例。可變電容加速度計需要將IC耦ou合he到dao傳chuan感gan元yuan件jian
，以yi將jiang微wei小xiao的de電dian容rong變bian化hua轉zhuan換huan為wei電dian壓ya輸shu出chu。但dan是shi，此ci轉zhuan換huan過guo程cheng可ke能neng導dao致zhi低di信xin噪zao比bi和he有you限xian的de動dong態tai範fan圍wei。就jiu主zhu流liu技ji術shu而er言yan
，可ke變bian電dian容rong傳chuan感gan器qi主zhu要yao由you矽gui晶jing片pian製zhi成cheng，並bing構gou建jian於yu微wei型xing微wei機ji電dian係xi統tong（MEMS）芯片之上。

 

比較測試結果

因此，從本質上講，這就是兩種技術的工作方式。但是
，當通過仔細控製的測試將它們進行彼此比較時
，它們的測量結果會如何
？ TE Con​​nectivity進行的一項研究目的是針對這個重要問題提供一些答案。這項研究是通過比較壓電狀態監測加速度計和高寬帶MEMS可變電容加速度計典型的關鍵振動指標參數進行
，兩者的滿量程範圍均為±50g。

 

這項研究采用了一個高頻校準振動器（shaker），頻率範圍為5～20kHz，進行了包括頻率響應在內的一係列測試。傳感器安裝牢固，可在整個測試範圍內保持高精度，並且可接受最大±1dB幅度偏差可用帶寬。結果表明
，可變電容器MEMS傳感器的可用帶寬高達3kHz，而壓電傳感器的可用帶寬超過10kHz。

 

可將樣品放置在噪聲隔離的腔室中，並使用具有微Gfenbianlvdeceliangshebeijinxingceshi。tongshiyeceshizhexiedanyuan，yixiaochuwaibuhuanjingganraodailaiderenhewucha。cichujilulezhenduisigebutongdaikuanshezhiyunxingdejieguo，yijimeizhongshezhixiadecanliuzaosheng：

測量分辨率和動態範圍是基於0.03～10kHz帶寬得出，如下圖所示。根據TE的研究
，壓電傳感器的分辨率比可變電容MEMS傳感器高約9倍。這一結果顯著提高了動態範圍，使最終用戶能夠在更早的階段發現潛在的問題。

 

圖2：測量分辨率比較。

 

通(tong)過(guo)比(bi)較(jiao)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)漂(piao)移(yi)
，可(ke)以(yi)發(fa)現(xian)壓(ya)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)這(zhe)方(fang)麵(mian)表(biao)現(xian)出(chu)色(se)，隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)累(lei)積(ji)，壓(ya)電(dian)晶(jing)體(ti)在(zai)工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)中(zhong)已(yi)被(bei)證(zheng)明(ming)非(fei)常(chang)穩(wen)定(ding)。長(chang)期(qi)的(de)漂(piao)移(yi)參(can)數(shu)與(yu)所(suo)使(shi)用(yong)晶(jing)體(ti)配(pei)方(fang)有(you)關(guan)，因(yin)此(ci)要(yao)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)實(shi)際(ji)值(zhi)具(ju)有(you)很(hen)大(da)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)。TE的研究指出，PZT晶體是壓電加速度計中最常用的類型，並且是多種廣泛應用中很受歡迎的晶體。

 

可變電容MEMS加速度計對於長期漂移也有多種參數限製，這取決於MEMS設計架構。整體微加工（bulk micromachined）MEMS傳感器通常可提供最佳的長期漂移性能
，但成本更高
，通常僅用於慣性應用。

 

為了進行狀態監測
，MEMS供應商還可提供表麵微加工可變電容MEMS傳感器。這些器件價格相對便宜一些，但在測量分辨率和長期穩定性方麵卻無法達到最佳水平。TE報告指出，“表麵微加工”設計的MEMS架構不如整體微加工MEMS傳感器穩定。

 

在對工作溫度範圍進行比較時，發現壓電和可變電容MEMS加速度計在狀態監測應用（-40℃～+ 125℃溫度範圍）中均表現良好。在特定的極端安裝環境下
，溫度越高可能需要的傳感器作用範圍越大。在這種情況下
，推薦使用充電模式壓電傳感器。

 

genjuanzhuangdeteshuxingheshoutouderenwu
，kenengxuyaoxuanzechuanganqideshuchuxinhaoleixing。daduoshuyucexingweihuanzhuangdouxuyaolaizichuanganqidemonixinhao，yincizuizhongyonghukeyigenjujiqishebeideleixingxuanzeyaojiancedecanshu。zaidaduoshuqingkuangxia，DAQ或PLC接口主導信號輸出，因此模擬輸出是最常見的選擇。

 

但是，就需要較長電纜的安裝而論，環路供電的4～20mA傳感器也是標準配置。對於實施數字工業4.0策ce略lve的de智zhi能neng工gong廠chang，隨sui著zhe帶dai有you板ban載zai微wei處chu理li器qi的de智zhi能neng傳chuan感gan器qi應ying用yong越yue來lai越yue多duo，數shu字zi輸shu出chu信xin號hao也ye更geng加jia普pu遍bian，這zhe些xie可ke幫bang助zhu最zui終zhong用yong戶hu立li即ji做zuo出chu維wei護hu決jue策ce。根gen據juTE的研究，這些輸出信號選項在壓電和可變電容MEMS傳感器中都可提供
，因此這兩種技術都能夠提供上述功能。

 

壓電傳感器滿足所有要求

總之，TE的研究表明
，在工作溫度、封裝靈活性、傳感器輸出選項和安裝簡便性等方麵，MEMS和(he)壓(ya)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)加(jia)速(su)度(du)計(ji)具(ju)有(you)相(xiang)似(si)的(de)性(xing)能(neng)。然(ran)而(er)


，由(you)於(yu)其(qi)固(gu)有(you)的(de)特(te)性(xing)，壓(ya)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)能(neng)夠(gou)為(wei)長(chang)期(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)提(ti)供(gong)更(geng)可(ke)靠(kao)的(de)選(xuan)擇(ze)。嵌(qian)入(ru)式(shi)壓(ya)電(dian)加(jia)速(su)度(du)計(ji)具(ju)有(you)全(quan)麵(mian)的(de)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)，從(cong)低(di)速(su)到(dao)高(gao)速(su)機(ji)械(xie)設(she)備(bei)它(ta)都(dou)是(shi)理(li)想(xiang)的(de)選(xuan)擇(ze)，可(ke)為(wei)早(zao)期(qi)故(gu)障(zhang)檢(jian)測(ce)提(ti)供(gong)更(geng)清(qing)晰(xi)的(de)信(xin)號(hao)分(fen)辨(bian)率(lv)。因(yin)此(ci)
，對(dui)於(yu)工(gong)業(ye)狀(zhuang)態(tai)監(jian)測(ce)和(he)預(yu)測(ce)性(xing)維(wei)護(hu)應(ying)用(yong)
，壓(ya)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)首(shou)選(xuan)技(ji)術(shu)。

（來源：EDN，作者：貿澤電子Mark Patrick）