MEMS加速度计采用标准CMOS工艺介绍

监控工业系统中的振动可以提供有关设备健康状况的宝贵数据，并可以节省成本的先发制人的维护，但是有许多不同的方法来构建这样的系统。可以使用简单的压电振动传感器，但需要数据采集和信号处理来捕获和分析数据。微机械(MEMS)传感器在汽车安全气囊和智能手机和平板电脑跌落传感器等应用中的应用越来越受欢迎，这大大提高了成本，并开启了这些传感器在工业应用中的应用。

这些MEMS加速度计采用标准CMOS工艺技术制造，可以大批量生产，也可以与传感器一起集成。这导致单封装设备可以提供沿所有三个轴的振动测量，以及时域和频域中的复杂信号处理。这使设计人员能够轻松开发收集各种数据的传感器系统，并识别许多不同类型的故障机制，提醒操作员注意各种工业设备中的潜在问题，以便节省成本的先发制人的维护。

工业机械的大多数振动包含低于1 kHz的频率，但相关的信号分量通常存在于更高的频率，这是选择振动传感器的关键考虑因素。如果已知旋转轴的运行速度，则感兴趣的最高频率可以是运行速度与支撑轴的轴承数量的乘积的谐波，并且围绕这些谐波会出现问题。然而，对于其他系统，故障模式的频率可能是未知的，因此可能需要更复杂的信号分析。

设备的类型决定了应用的高频要求，因此决定了传感器的选择。提供足够的频率范围，同时满足灵敏度和幅度范围要求。频率范围较低的传感器往往具有较低的电子噪声基底，从而增加了传感器的动态范围。对于应用而言，这个因素可能比高频测量更重要。

高度集成的MEMS加速度传感器的一个例子是ADI公司的ADIS16228 iSensor。这是一个完整的振动传感系统，它将三轴加速度传感与先进的时域和频域信号处理相结合。时域信号处理包括可编程抽取滤波器和可选择的窗口函数，而频域处理包括每个轴的512点实值FFT，以及FFT平均，这降低了噪声基底变化以获得更精细的分辨率。 14个记录的FFT存储系统使用户能够跟踪随时间变化并使用多个抽取滤波器设置捕获FFT。

传统的维护往往是出现问题了才维护，或者依靠人员定期检查，因此往往维修成本很高。基于状态的维护(Condition-based Maintenance)，是通过使用传感器实时监控设备的健康状态，使得设备能够在出故障前得到及时的维护。

常见的应用比如工业设备中的涡轮机、风扇、泵和马达等。本文从电机的失效类型、传感器的选择出发，说明基于状态维护(CBM)的设计实现，希望能给大家带来一些关于如何实现基于状态的维护(CBM)的一些启示。

机械故障的失效类型

一般来说, 机械故障失效类型主要分为两大类：

机械振动, 频率在10Hz到1kHz 或2Hz到1kHz (ISO 10816)

机械磨损, 频率在2Hz到6kHz

图1：失效类型 vs 振动频率

(图片来源：ADI为你的应用选择最合适的加速度传感器)

振动测量是目前最常见的方式，因为它能够可靠地指示机械问题，如不平衡以及轴承故障等问题。传感器参数指标

在选择传感器之前，首先应该了解电机的失效类型。对于加速度传感器比较关键的参数有：噪声密度、带宽范围、线性度等。传感器的性能越好，分析能力就越强。

比如对于低转速电机的不平衡问题，可能需要低噪声密度传感器，但是其对于带宽范围要求相对比较低。而对于齿轮故障检测，可能需要低噪声密度和宽带宽范围。

通过Digi-Key提供的参数搜索功能，可以筛选出所需的传感器，比如ADI加速度传感器。

基于状态的维护(CBM)设计实现

加速度传感器输出主要分为模拟和数字两种。模拟输出的传感器一般都会再接一个独立ADC或者连接到有集成ADC功能的MCU，来转化成数字输出。因此如何有效地进行数字信号处理就变得特别重要。

边缘节点(Edge Node)

一般ADC或传感器的数字输出方式主要为SPI。这种方式往往不提供任何数据完整性检查机制、时间戳(time stamping)以及混合来自不同传感器的数据等功能。

因此，把传感器数据打包到更高级别协议的边缘节点中，然后再传送，会变得非常有效。这可以使得传感器接口更加健壮和灵活。这就要求边缘节点使用合适的方式处理打包数据流。

总线选择

一般ADC或传感器的主要数字输出方式为SPI。SPI是一种不平衡的单端串行接口，主要用于短距离传输数据。

长距离有线传输，可以选择使用RS-485传输。RS-485信号传输是平衡的差分式传输，本身便能抗干扰, 适用于较长距离的数据传输。RS-485在100米以下的传输距离，数据传输速率可以达到50Mbps。如果降低数据传输速率，传输距离可以延长到1000米。(产品示例：ADI RS-485收发器)

长距离无线传输的方式有很多，比如Wi-Fi、蓝牙、LoRa、zigbee等等。这里以ADI SmartMesh为例，带大家初步了解长距离无线传输的连接方式。

ADI SmartMesh IP网络基于6LoWPAN标准(IEEE 802.15.4e)，基于2.4GHz频段，具有低功耗高可靠性的特点。

图2：SmartMesh 网络连接

(图片来源：ADI选择正确的加速度计以进行预测性维护)

更多的技术信息，可以参考以下资源：

ADI SmartMesh

更多ADI RF 收发器模块

数据分析

采集完数据之后就是分析数据。目前存在多种振动分析技术。比如使用数字滤波，用于克服流程本身或者由机器的其他组件导致的寄生振动，还可以使用数学工具进行辅助，例如ADcmXL3021中包含的工具(计算平均值、标准偏差、波峰因素、峰度等)。

分析可以在时域中进行，也可以对频率做分析。特别是频率分析，可以提供关于异常及异常原因的信息的分析。

无论使用哪种分析方法，关键是要确定最佳警报阈值，以使维护操作既不会太早也不会太迟。