在自動化程度提高的推動下，對大批量、小型系統(tǒng)的需求不斷增長，例如需要更好的預測性維護的機器主軸、傳送帶、分揀臺或機床。
這些應用中的機器停機時間是客戶體驗和盈利能力的關鍵考慮因素。過去，加速度計主要用于重型高端機械的狀態(tài)監(jiān)測，例如風車、工業(yè)泵、壓縮機和暖通空調(diào)系統(tǒng)。然而，在數(shù)字工業(yè)轉型的推動下，我們看到對大批量和小型機械的需求不斷增加。本白皮書將比較工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測中加速度計的不同技術。
對于工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測和預測性維護應用，以下振動規(guī)格參數(shù)被認為對于確保長期、可靠、穩(wěn)定和準確的性能至關重要。
? 寬頻率響應
? 測量分辨率和動態(tài)范圍
? 長期穩(wěn)定性和最小漂移
? 工作溫度范圍
? 封裝選項和易于安裝
? 傳感器輸出選項
為了檢測機械所有可能的故障模式，加速度計的頻率響應應為用于軸承監(jiān)測的軸RPM（每分鐘轉數(shù)）的40至50倍。對于風扇和齒輪箱，加速度計的最小上限應為葉片通過頻率的4至5倍。頻率下限不太重要，具體取決于機械；很少需要 <2Hz 的頻率。
振動傳感器的測量分辨率是輸出信號幅度與板載電子設備寬帶噪聲的函數(shù)。具有卓越信號輸出的加速度計可以測量機械中較小的振動水平。測量較低振動幅度的能力使最終用戶能夠比具有較低動態(tài)范圍的傳感器更早地預測故障。
還有其他因素會影響測量分辨率，例如環(huán)境條件、EMI/RFI（電磁和射頻）干擾、DAQ（定義數(shù)據(jù)采集）接口和電纜長度，因此選擇安裝時需要考慮所有因素。
作為一般規(guī)則，輸出信號應比傳感器噪聲水平高 10 倍，輸出才能成為可靠的測量結果。
測量分辨率的簡單方程如下：
分辨率 (g's) = 寬帶噪聲 (V) / 傳感器靈敏度 (V/g)
長期漂移是靈敏度和/或零輸出測量的變化（零輸出漂移僅適用于 MEMS 傳感器）。隨著時間的推移，加速度計靈敏度的變化可能會在監(jiān)控應用中觸發(fā)誤報。零輸出測量的偏移也會產(chǎn)生相同的效果，可能導致誤報指示。由于壓電傳感器沒有直流響應，因此它們不易受到零漂移的影響，僅受到靈敏度漂移的影響。 MEMS VC 傳感器隨著時間的推移可能會出現(xiàn)零漂移和靈敏度漂移。
在下一節(jié)中，我們將回顧為狀態(tài)監(jiān)測應用提供的兩種不同類型的技術。
壓電 (PE) 加速度計采用自發(fā)電壓電晶體，并在受到外部激勵（例如振動機械）壓力時提供信號。
大多數(shù)壓電傳感器都基于鋯鈦酸鉛陶瓷 (PZT)，該陶瓷通過極化來對齊偶極子并使晶體壓電。 PZT 晶體非常適合狀態(tài)監(jiān)測應用，因為它們具有寬溫度范圍、寬動態(tài)范圍和寬頻率帶寬（可用至 >20kHz）。
基本上有兩種主要類型的 PE 加速度計設計可用：壓縮模式和剪切模式（彎曲模式是很少使用的替代方案）。
壓縮模式設計是通過在晶體頂部加載質(zhì)量并施加預緊力來對壓電晶體施加壓縮應力來組裝的。由于性能限制，這些設計已經(jīng)過時并且越來越不受歡迎。該結構容易受到安裝基座應變的影響，并且具有較高的熱漂移。
剪切模式設計通常具有環(huán)形剪切晶體和固定在支撐柱上的環(huán)形質(zhì)量。與壓縮模式設計相比，該設計具有卓越的性能，因為它是底座隔離的，并且更不易受到熱應力的影響，從而確保了更高的穩(wěn)定性。目前提供的大多數(shù)狀態(tài)監(jiān)測加速度計設計都是剪切模式，應該成為大多數(shù)狀態(tài)監(jiān)測安裝的設計選擇。
壓縮模式 剪切模式
可變電容 (VC) 傳感器根據(jù)在兩個平行電容器板之間移動的地震質(zhì)量的電容變化來獲取加速度測量值。電容的變化與施加的加速度成正比。 VC 加速度計需要 IC 與傳感元件緊密耦合，以將非常小的電容變化轉換為電壓輸出。這種轉換過程通常會導致信噪比較差和動態(tài)范圍有限
VC 傳感器通常由硅晶圓制成，并被制成微型 MEMS（微機電系統(tǒng)）芯片。
頻率響應表
對于工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測和預測性維護應用，以下振動規(guī)格參數(shù)被認為對于確保長期可靠、穩(wěn)定和準確的性能至關重要。
? 寬頻率響應
? 測量分辨率和動態(tài)范圍
? 長期穩(wěn)定性和最小漂移
? 工作溫度范圍
? 封裝選項和易于安裝
? 傳感器輸出選項
在以下段落中，對典型壓電狀態(tài)監(jiān)測加速度計和同樣用于狀態(tài)監(jiān)測應用的寬帶寬 MEMS 可變電容加速度計的這些關鍵性能規(guī)格進行了比較。兩個加速度計的 FS（滿量程）范圍均為 ±50g。
兩個加速度計的頻率響應在 SPEKTRA GmbH CS18 HF 高頻校準振動臺上進行測試，范圍為 5Hz 至 20KHz。傳感器安裝牢固，以確保在整個測試范圍內(nèi)獲得準確的結果。對每種技術（PE 和 MEMS VC）的三個傳感器進行了測試，以確保結果一致。
測試結果如下所示。盡管通常使用更嚴格的 ±5% 偏差作為帶寬容差，但假定最大 ±1dB 幅度偏差為可用帶寬。數(shù)據(jù)表明，VC MEMS 傳感器的可用帶寬高達 3KHz，而壓電傳感器的可用帶寬 >10KHz（該特定 PE 傳感器符合高達 14KHz 的規(guī)格）。
值得注意的是，PE 傳感器的低頻截止頻率為 2Hz，而 MEMS 傳感器的響應低至 0Hz，因為它是直流響應器件
為了確定壓電和 VC MEMS 傳感器的測量分辨率和動態(tài)范圍，我們在噪聲隔離室中對樣品進行了測試，并配備了具有微克測量分辨率的最先進的測量設備。這些裝置安裝在同一房間內(nèi)并同時進行測試，以消除外界環(huán)境干擾造成的誤差。
測量在四種不同的帶寬設置下進行，并在每種設置下測量殘余噪聲。結果詳細見下表
| 模型 | 0.03-300Hz μV-rms | 0.03-1KHz μV-rms | 0.03-3KHz μV-rms | 0.03-10KHz μV-rms |
| PE #1 | 27.2 | 30.8 | 39.5 | 57.6 |
| PE #2 | 25.1 | 31.7 | 38.6 | 56.3 |
| MEMS #1 | 377.6 | 405.2 | 412.7 | 498.2 |
| MEMS #2 | 415.7 | 430.2 | 453.9 | 532.1 |
測量分辨率和動態(tài)范圍是基于0.03-10KHz帶寬計算的，詳細信息如下。 PE 傳感器的分辨率比 VC MEMS 傳感器高約 9 倍。這帶來了顯著更好的動態(tài)范圍，使最終用戶能夠在更早的階段檢測到潛在的問題。
| 分辨率 | 殘留噪音 | 頻譜噪聲 | 動態(tài)范圍 | 分辨率 | |
| 模型 | mg-rms | μV-rms | μg-rms/√Hz | dB | bit |
| PE #1 | 1.4 | 57.6 | 14.4 | 88 | 14.6 |
| PE #2 | 1.4 | 56.3 | 14.1 | 88 | 14.6 |
| MEMS #1 | 12.5 | 498.2 | 124.6 | 69 | 11.5 |
| MEMS #2 | 13.3 | 532.1 | 133.0 | 68 | 11.4 |
PE 傳感器的長期穩(wěn)定性在 30 多年的現(xiàn)場安裝中眾所周知。壓電晶體本質(zhì)上是穩(wěn)定的，并且隨著時間的推移顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性。長期漂移參數(shù)還取決于所使用的晶體配方，因此很難給出實際值。石英在所有 PE 加速度計中具有最佳的長期穩(wěn)定性，但由于產(chǎn)量和成本有限，很少用于狀態(tài)監(jiān)測應用。 PZT（鋯鈦酸鉛）晶體是 PE 加速度計中最常用的晶體，并且越來越成為大多數(shù)應用的晶體選擇。
根據(jù) MEMS 設計結構，可變電容 MEMS 加速度計還具有長期漂移的寬規(guī)格限制。塊狀微機械 MEMS 傳感器將具有最佳的長期漂移，但也將更加昂貴，并且通常僅用于慣性應用。對于狀態(tài)監(jiān)測，MEMS 供應商提供表面微機械加工的 VC MEMS 傳感器，這種傳感器價格便宜得多，但最終用戶將犧牲測量分辨率和長期穩(wěn)定性。表面微機械設計的 MEMS 結構不如體微機械 MEMS 傳感器穩(wěn)定。
PE 和 VC MEMS 加速度計的工作溫度范圍相當，均適用于狀態(tài)監(jiān)測應用的典型環(huán)境（-40°C 至 +125°C）。在某些極端安裝中，可能需要更高溫度范圍的傳感器，其中推薦選擇充電模式壓電傳感器。充電模式 PE 加速度計不包括板載電荷轉換器電路，可用于超過 +700°C 的溫度。
對于小型機械的嵌入式狀態(tài)監(jiān)測安裝，尺寸和安裝選項可能成為選擇加速度計的重要因素。較大的機械通常使用外部TO-5 螺柱安裝加速度計，但對于具有較小軸承和旋轉軸的機械，則需要使用嵌入式或微型加速度計。
大多數(shù) VC MEMS 加速度計均采用SMT 安裝封裝，非常適合大批量 PCBA 組裝。 VC MEMS 傳感器還采用非常小的封裝，從而提供更多封裝選擇。
PE 加速度計有多種配置。提供 SMT 安裝版本，與 VC MEMS 類似，但 SMT 封裝的尺寸通常大于 VC MEMS 設計。 PE 加速度計還采用堅固的 TO-5 罐封裝，帶有不銹鋼外殼。這些設計允許直接安裝到軸承箱或嵌入式安裝。下圖展示了 PE 傳感器提供的一些選項。
根據(jù)安裝和應用，可能需要選擇傳感器輸出信號選項。當前大多數(shù)預測性維護裝置都需要來自傳感器的模擬信號，以便最終用戶可以決定監(jiān)控特定機械的哪些參數(shù)。通常，信號輸出由 DAQ 或 PLC 接口驅動，模擬輸出（±2V 或 ±5V）是最常見的選擇。然而，對于需要長電纜的安裝，回路供電的 4-20mA 傳感器也很常見。對于未來的數(shù)字工廠和工業(yè) 4.0，對數(shù)字輸出信號的需求將變得更加普遍，帶有板載微處理器的智能傳感器也將變得更加普遍，可以為最終用戶立即做出維護決策。
這些輸出信號選項將在 PE 和 VC MEMS 傳感器中提供。兩種技術都有能力提供這些功能。
前面段落中討論的全部或部分性能參數(shù)將幫助客戶對為狀態(tài)監(jiān)測裝置選擇的技術做出明智的決定。下表提供了快速摘要。
| 關鍵參數(shù) | 壓電式 | 微機電系統(tǒng)VC |
| 寬頻率響應 | X | |
| 長期信號穩(wěn)定性 | X | |
| 動態(tài)范圍 | X | |
| 工作溫度范圍 | X | X |
| 包裝選項 | X | X |
| 易于安裝 | X | X |
| 傳感器輸出選項 | X | X |
比較 MEMS 和 PE 加速度計，我們看到了不同的技術特征。這兩種技術各有優(yōu)勢，具體取決于最終應用。在我們的工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測和預測性維護應用中，壓電傳感器是顯而易見的選擇，由于其成熟的技術，它們可以保持可靠的長期穩(wěn)定性。憑借其寬頻率響應，嵌入式 PE 加速度計是從低速到高速機械的理想選擇，它們還為早期故障檢測提供更好的信號分辨率。
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