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工业4.0概念大热的今天,请别忽略工业设备的机械特性监测

作者:时间:2018-07-19来源:电子产品世界收藏

  的话题成了中国乃至全球工业技术行业热门词汇,工厂中自动化生产装置越来越智能。然而,关注设备信息化智能化的同时,一些基本的要点依然是必须值得关注的,包括振动、倾斜等设备基本机械特性。大部分机械设备昼夜不停的运作,并且其机械转速和振动频率较高,容易导致机器的磨损,部件变形,基础下沉等情况。这些因素的出现都能从机械的振动能量的增加体现出来,振动加剧在一般情况下都是机器故障的一种标志,所以振动测量是机器状态检测的有效方式。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201807/383526.htm

  在工业制造中,机械设备的故障不仅造成生产能力的损失,在极端情况下还可能在平台系统中引起连锁反应,导致大面积损坏进而生产停运,更有甚者机毁人亡的工业事故。此外,许多行业按照预防性维修日程计划更换或彻底检修机械设备,尤其在人们无法容忍无计划停机的应用中。因此,许多行业经常过早地花费巨资改造尚有很长使用寿命的机械。将加速度计嵌入轴承或其它旋转设备中,通过检测轴承或其它旋转设备的振动,确定其工作状况,就可以延长其使用寿命,保证机组安全运行的同时降低机组的维修费用,提高利用率和安全系数。

  工业振动监测面临这些挑战

  加速度计——能够测量加速度,倾斜、冲击以及振动,因此在可穿戴领域到工业平台稳定系统都有着广泛的应用。传统的压电式传感器是弹簧质量系统原理,敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力,压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点,是广泛使用的振动测量传感器。并且其结构简单,取材方便,使用寿命长。如今引导着整个加速度计市场。

  加速度计等级和典型应用领域

  随着工业物联网的发展,业界越来越重视减少布线和利用无线、超低功耗技术。这使得MEMS加速度计在尺寸、重量、功耗等方面领先于压电加速度计,并且有可能实现集成智能特性。尽管工业状态监控中最常用的传感器是压电加速度计,因为这类传感器具有良好的线性度、SNR、高温工作性能和宽带宽(典型范围为3 Hz至30 kHz,有些情况下可能高达数百kHz)。然而,压电加速度计在DC范围下的性能欠佳,因此在较低频率至DC范围内可能会出现大量故障,尤其是在风力涡轮机和类似的低RPM应用中。压电传感器的机械性质使其难以像MEMS一样实现大批量生产,并且成本更高,在接口和电源方面的灵活性也比较低。

  但是压电式加速度计也有它的局限性,在测量低频尤其小振幅振动时,加速度值小,传感器的灵敏度有限,因此输出的信号将很微弱,信噪比很低;另外电荷的泄漏,积分电路的漂移(用于测振动速度和位移)、器件的噪声都是不可避免的,所以实际低频端也出现“截止频率”约为0.1~1Hz左右。并且由于压电材料的限制,很容易受到外界因素的干扰,比如声音、温度等。

  利用轴承的振动3“特征”来确定其状况是业界公认且成熟的设备维护方法,但为了获得精确结果,需要较宽的测量带宽。MEMS加速度计被认为是完成这种测试的理想之选,但在 ADI公司的ADXL001加速度计推出之前,加速度计和相关信号调理设备的成本非常高。现在,具有宽带宽(22 kHz) 和内部信号调理功能的ADXL001已成为低成本轴承维护应用的理想之选。

  三低三轴MEMS加速度计,实现完美状态监测

  ADI公司推出两款低噪声、低漂移、低功耗三轴MEMS加速度计——ADXL356和ADXL357,完美解决现有加速度计的所有问题,提供精准的振动测量。这两款器件拥有2组带有间距的过孔和用于安装的6引脚,接头可轻松连接到原型制作板或PCB,并且其小尺寸和板刚度对所监控的系统和加速测量影响极小。在温度范围内提供业界领先的噪声、最小失调漂移和长期稳定性。

  适用于不同加速度计测试应用的ADI主要产品分类

  ADXL356和ADXL357三轴加速度计提供可选测量范围为±10g、±20g和±40g,灵活度更高;其噪声密度为80 µg/root Hz,处于业界领先水平,并且在温度范围内的 0g失调漂移保证上限为0.75 mg/C,只需极少量的校准工作即可实现精密测量。其中ADXL357体积小巧,集成度高,功耗低,仅需200 uA的电流,在状态监控的无线网络、无人驾驶飞机等机载平台、物联网等电池供电应用中能够延长电池寿命。 此外,产品采用密封封装,可以确保最终产品出厂后重复性与稳定性始终符合其规格参数。

  在外界因素影响的方面,ADI公司大力研究了塑料封装在高温下的性能,尤其是引线框架和引脚适应高温焊接工艺的能力,使其在高冲击和振动环境中牢固可靠。在大部分竞争对手未提供在温度超过125°C的恶劣环境中进行工作的能力时。ADXL356和ADXL357以及包括这两款在内的18款加速度计都能够在−40°C至+125°C温度范围内或恶劣环境条件下(例如重工业机械和井下钻探)工作并且保证良好的性能和精准度。

  在稳定性方面,ADI器件提供振动校正误差(VRE)以及相应的测量技术,为加速度计选择合适的带宽以抑制高频振动以及合适的包装,让封装和安装谐振频率位于加速度计带宽之外,实现了良好振动校正性能。其中ADXL355加速度计拥有了出色的振动校正、长期可重复性和低噪声性能,并且尺寸很小。

  加速度计在广泛的工业应潜力巨大

  随着工业物联网的发展,业界越来越重视减少布线和利用无线、超低功耗技术。这使得MEMS加速度计在尺寸、重量、功耗等方面的领先优势,并且有可能实现集成智能特性,未来在工业应用状态监测应用中获得越来越广泛的应用。其实,三轴MEMS加速度计的出色性能显示,加速度计的应用领域并不仅限于在一般的工业振动环境测试,在更广泛的相关领域,如智能手术室、精密制导机械臂的使用、无人机探测应用、贵重装备位置跟踪等等……几乎到处都能看到MEMS加速度计的身影。



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