任何一臺工業機械最終都會失效，要么因為制造缺陷而較早失效，要么因為碎屑積聚、內部零件劣化或單純磨損而較晚失效。隨著自動化工業生產線的發展，工廠操作人員面臨著似乎無休無止的維護和修理周期，這可能會讓生產線停止運行，特別是當機器中未檢測到的故障變成災難性故障時。

工廠操作人員與其應對意外的設備故障或忍受不必要停機時間來執行不合理的維護，不如使用基于狀態的監測 (CBM) 指標，以便在設備進入臨界運行狀態之前早做準備，更有效地安排維護和修理。在工業環境中，監測機器運行狀態的能力可以轉化為顯著節省成本。通過檢測設備故障之前通常會出現的狀態，工業工程師可以在故障發生之前修復機器。

然而，當實施 CBM 時，需要監測的狀態性質可能各不相同，因而要求開發人員構建符合特定要求的精確傳感器信號鏈。

本文討論對工業設備實施 CBM 的要求，并介紹開發人員如何使用 Analog Devices 的器件組合來構建一個能夠滿足這些要求的信號鏈。

振動分析

作為基礎 CBM 方法，振動分析已成為評估機械及其可動部件運行狀態的主要技術。在這種方法中，工業工程師分析振動測量結果，識別出表明轉子、齒輪、軸承、機器部件之間任何其他機械接口出現不平衡、未對準或受損的模式。例如，重復出現的大幅度振動模式可能反映由于離合器、齒輪、軸承、軸承座圈或其他接觸機器表面受損或磨壞而引起的機械沖擊事件。

不過，除了這種時域振動測量之外，使用快速傅里葉變換 (FFT) 分析的頻域測量可以提供關于機械狀態的更多細節。雖然用于生成這種頻域分析的 FFT 計算需要更多的計算能力，但其效果非常好，值得付出努力。借助這種方法，經驗豐富的工程師已經找到了若干可靠的反映不平衡、未對準、松動、軸承缺陷等故障的頻率相關指標（圖 1）。

圖 1：通過測量頻域峰值的絕對和相對幅度，工業工程師可以推斷出各種各樣的當前和潛在機械問題——從機器部件不平衡到軸承失效。（圖片來源：Analog Devices）

在這些指標中，基頻（也稱為 1x 分量）相對于其諧波和之前基線 1x 測量的變化可以表示機器中的某種不平衡，反映在信號中即是其幅度與旋轉速率的平方成比例，其頻率與機器的旋轉或諧振頻率匹配。相比之下，機器部件之間的未對準或松動會導致一次諧波（也稱為 2x 分量）的特征性增加，甚至在高達 10x 的頻率分量中也是如此。類似地，齒輪等內部零件的不平衡、未對準或損壞會導致與其自身旋轉速率和齒數相關的頻率處峰值更高。

故障指標可能相當復雜，尤其是對于埋在機器內座圈中的軸承。當軸承穿過座圈時，會產生一個特征信號，信號頻率稱為滾珠旋轉頻率 (BSF)，信號包絡與軸承座圈的保持架故障頻率（FTF，即軸承保持架繞軸承旋轉的速率）相關。有缺陷的軸承或座圈會在 BSF 處產生相對較高幅度事件，從而形成一系列由 FTF 調制的低幅度振動（圖 2）。

圖 2：與機械故障相關的振動特征既有很容易辨識的基頻和若干諧波處的峰值，也有很復雜的軸承故障特征——在滾珠旋轉頻率 (BSF) 下調制脈沖，并且包絡信號與軸承座圈保持架故障頻率 (FTF) 相關。（圖片來源：Analog Devices）

由此產生的軸承故障頻域特征可能非常復雜，表現為擴展到很寬的高頻帶上低幅度分量廣泛增加（見圖 1 右側）。

盡管頻域特征顯得很復雜，但工業工程師已經開發了大量分析方法和詳細指標，用于診斷從不平衡和未對準到更微妙的軸承相關問題的各類故障。

由于需求越來越大以及更高效解決方案的出現，分析和振動測量方法的復雜性在不斷提高。過去，工程師通常使用手持式振動監視器和便攜式數據記錄儀來記錄模式，以供日后離線分析。

隨著世界向工業 4.0 自動化轉變以及更加依賴自動化機械，手動方法已不那么實用。更先進半導體器件的出現，使得 CBM 應用越來越多地基于直接與關鍵機械相連的振動測量器件來提供連續監測。

振動測量要求

與任何傳感器信號采集應用一樣，CBM 的振動測量設備依賴于熟悉的信號鏈拓撲結構，包括傳感器、信號調節級、模數轉換器 (ADC) 和處理器（圖 3）。

圖 3：振動檢測系統使用熟悉的拓撲結構，集信號鏈、處理器和支持器件于一體，信號鏈由傳感器、低通濾波器 (LPF)、運算放大器和 ADC 組成。（圖片來源：Analog Devices）

為了支持前面提到的頻域分析，這種振動信號鏈的規格通常與消費電子設備中運動檢測所用的信號鏈大不相同。

工業和消費應用最重要的區別之一在于其振動傳感器帶寬要求。如上所述，機器中的故障指標可能出現在 5 倍于甚至 10 倍于基頻的諧波中，或廣泛存在于更高的頻帶上。工業機器通常以每分鐘數百轉甚至數千轉 (rpm) 的速度運行，一臺以 1,000 rpm 運行的機器要求振動傳感器帶寬為 5 千赫茲 (kHz) 或更大，如此才能捕獲與軸承故障或復雜錯位相關聯的頻率處尖峰。類似地，要捕獲與在較高 BSF 范圍運轉的軸承相關聯的信號，也需要寬帶寬。

僅憑寬帶寬性能還不足以捕獲與細微不平衡、未對準或軸承座圈/軸承本身問題相關聯的更微妙故障特征。雖然幅度很小，但這些信號源可以反映苗頭性問題；對于軸承問題，它甚至能反映即將發生的故障。因此，CBM 振動測量裝置還必須有低本底噪聲和足夠高的分辨率，以將與此類故障相關聯的低幅度信號分離出來。

微機電系統 (MEMS) 傳感器

雖然過去工業應用經常使用壓電加速計，但微機電系統 (MEMS) 傳感器最近已成為一種有效的解決方案。這種多晶硅結構是在硅基底上制造，其基本單元由兩片固定板及其間的一片可動板組成（圖 4）。

圖 4：微機電系統 (MEMS) 傳感器采用常規半導體工藝技術制造，其基本單元由固定板和可動板組成，可動板響應加速度而偏轉，導致單元電容發生變化。（圖片來源：Analog Devices）

當加速度導致可動板相對于固定板偏轉時，差分電容發生變化，產生與加速度成比例的傳感器輸出。

即使偏轉很小，先進的 MEMS 振動傳感器也能支持跟蹤工業機械相關加速度所需的高性能范圍。

根據簡諧運動的等式，加速度與頻率有如下關系：

a = -(2pf)²x    （等式 1）

其中：

a = 加速度

f = 頻率

x = 相對中心位置的位移幅度（對于 MEMS 振動傳感器而言，通常在 1 微米 (μm) 左右）

因此，用于工業機械的 MEMS 傳感器所經歷的加速度可能達到數百 gs，比消費電子產品中常用的 MEMS 振動傳感器所經歷的加速度高出幾個數量級（圖 5）。

圖 5：對于工業機械的典型轉速范圍，MEMS 傳感器可能經歷非常高的加速度。（圖片來源：Digi-Key 依據 Analog Devices 數據制作）

由于 MEMS 制造技術的不斷進步，開發人員現在可以找到實用的 MEMS 振動傳感器，例如 Analog Devices 的 ADXL100x 系列 MEMS 加速計中的傳感器，其不僅能滿足基于振動的 CBM 應用的嚴格要求，而且可簡化底層振動檢測系統的設計。

集成 MEMS 傳感器

Analog Devices 的 ADXL100x 系列 MEMS 單軸振動傳感器包括 ADXL1001、ADXL1002、ADXL1003、ADXL1004 和 ADXL1005，為開發人員提供了一系列能夠滿足加速度范圍、帶寬、分辨率和噪聲等方面工業要求的器件（表 1）。

表 1：Analog Devices 的 ADXL100x 振動傳感器性能規格（表格來源：Analog Devices）

MEMS 傳感器采用常規半導體工藝技術制造，因此可以輕松地與其他電路集成，以便提供各種模擬和數字功能。ADXL100x 系列的每個成員都使用相同的功能架構，集 MEMS 傳感器、傳感器放大器、解調器、輸出放大器和其他特性于一體（圖 6）。

圖 6：Analog Devices 的 ADXL100x 系列振動傳感器的所有成員都是集 MEMS 傳感器與全面的傳感器信號調節級以及其他功能于一體。（圖片來源：Analog Devices）

在這些特性中，超范圍 (OR) 檢測功能有助于保護傳感器元件，應對加速度超過器件額定加速度范圍大約兩倍的情況。這種事件在正常運行的機器中并不罕見，尤其是當機器首次啟動或在之后改變速度時。在它穩定于基頻之前，哪怕是最堅固的振動傳感器，部件加速時產生的諧振頻率組合也有可能使其發生過飽和。

發生超范圍情況時，ADXL100x OR 子系統會設置 OR 輸出信號以警告主機處理器。此外，它會禁用內部時鐘 200 微秒 (μs)，防止損壞 MEMS 結構。經過 200 μs 后，如果超范圍情況繼續存在，OR 子系統就會每 500 μs 重新觸發輸出信號和關斷周期。

構建信號鏈

ADXL100x 的集成輸出放大器可以驅動最高 2 毫安 (mA) 拉電流的電阻負載，以及最大 100 皮法 (pF) 的負載電容。因此，開發人員原則上可以將 ADXL100x 直接連接到 Analog Devices 的 AD4000 16 位精度逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。

實際上，使用這種直接連接配置需要至少 220 kHz 的采樣率。之所以有此采樣率要求，是因為需要以器件的 3 分貝 (dB) 頻率響應帶寬的兩倍進行采樣，這遠遠高于 MEMS 傳感器的頻率響應帶寬（見表 1）。實際上，集成輸出放大器設計有 70 kHz 的 3 dB 頻率響應帶寬，以便在接近傳感器諧振頻率的頻率下進行測量，此頻率可能遠高于規范中提供的 3 dB 頻率（圖 7）。

圖 7：Analog Devices 的 ADXL100x 系列振動傳感器提供的寬帶寬頻率響應類似于此處針對 ADXL1002 所示的曲線，其額定 3 dB 帶寬為 11 kHz，并在明顯更高的頻段呈現出特征化諧振頻率峰值。（圖片來源：Analog Devices）

同任何轉換信號鏈一樣，采樣率必須至少是等效噪聲帶寬 (ENBW) 的兩倍，以免將噪聲混疊到目標頻帶中。由于 ENBW = π/2 x ω_3dB（其中 ω_3dB 為 70 kHz），ADXL100x 器件的 ENBW 為 110 kHz。因此，所需采樣率至少須為 220 kHz。

開發人員只需增加一個單極點低通濾波器，便可輕松降低此采樣要求。實際上，Analog Devices 建議在傳感器和 ADC 之間使用一個雙極點電阻-電容 (RC) 濾波器，例如前面提到的 Analog Devices AD4000（圖 8）。

圖 8：在 Analog Devices 的 ADXL100x MEMS 傳感器和 Analog Devices AD4000 ADC 之間使用一個簡單的雙極點低通濾波器，開發人員便可降低所需的傳感器采樣率。（圖片來源：Analog Devices）

例如，使用 16 千歐 (kΩ) R1 電阻、300 pF C1 電容、32 kΩ R2 電阻和 300 pF C2 電容，在 ADXL1001/ADXL1002 的 200 kHz 內部時鐘頻率下，可提供約 84 dB 的衰減。在這種情況下，32 kHz 的 ADC 采樣率即足以測量 0 到 10 kHz 的振動，而不會有混疊偽像。

若將 ADXL100x 傳感器與 AD4000 ADC 和少數無源元件配合使用，開發人員可以實現完整的振動測量信號鏈。加上穩壓器（如 Analog Devices 的 ADP7104 低壓差 (LDO) 穩壓器）、基準電壓源（如 Analog Devices 的 ADR4550）和處理器（如 Analog Devices 的 ADUCM4050 微控制器），便可快速完成振動傳感器系統設計的核心部分。

若將很少的這些器件與 ADXL100x 系列的不同成員配合使用，開發人員便可滿足特定性能要求，例如獨特 CBM 應用需要的更大加速度范圍或更高帶寬。

三軸測量

對于更復雜的 CBM 應用，ADXL100x 系列的單軸測量功能可能不足。雖然開發人員可以針對每個需要的測量軸輕松復制基本設計，但 Analog Devices 的 ADcmXL3021 三軸振動傳感器模塊提供了一種更簡單的方法。

Analog Devices 的 ADcmXL3021 模塊采用 23.7 毫米 (mm) x 27.0 mm x 12.4 mm 鋁制外殼封裝，帶有安裝法蘭，支持使用三個 ADXL1002 MEMS 加速計（沿相互正交的檢測軸放置）進行三軸測量（圖 9）。

圖 9：Analog Devices 的 ADcmXL3021 模塊采用 23.7 mm x 27.0 mm x 12.4 mm 鋁制外殼（左），提供完整的三軸振動測量系統（右），能夠滿足工業性能要求。（圖片來源：Analog Devices）

在每個 MEMS 傳感器的信號鏈中，一個專用 ADC 以每秒 220 千樣本 (kSPS) 的速率采樣，結果存儲在模塊的內置先進先出 (FIFO) 緩沖器中。該模塊的集成處理器支持四種不同工作模式下的時域和頻域測量：

• 實時流傳輸 (RTS)，提供實時數據

• 手動 FFT 模式 (MFFT)，響應外部信號或軟件命令的觸發而生成頻域數據

• 自動 FFT 模式 (AFFT)，使用內部定時器自動觸發頻域數據捕獲

• 手動時間捕獲 (MTC) 模式，捕獲 4,096 個連續時域樣本，支持使用信號處理功能，包括濾波和平均化

憑借集成的 MCU，ADcmXL3021 還提供除這四種采樣模式之外的其他功能。其中一種功能支持 ISO 10816 等行業標準，當機器進入不適當的運行狀態時會發出警告，當機器進入臨界狀態時發出報警。

在 MTC 模式下，ADcmXL3021 針對時域數據提供三種不同可配置級別的報警（正常、警告和嚴重）。為了支持 ISO 10816 通知，開發人員可以設置指示正常級別的信號、指示不適當操作的警告信號以及指示不安全操作的報警信號。

對于 MFFT 或 AFFT 模式下的頻域測量，ADcmXL3021 提供更復雜的報警功能。此時，開發人員可以配置六個報警帶，每種配置都會指定頻率范圍和幅度的上下限。借助此功能，開發人員可以配置 ADcmXL3021 來識別與已知警告或報警條件相關的特定頻率和幅度特征（圖 10）。

圖 10：開發人員可以配置 Analog Devices 的 ADcmXL3021 振動傳感器模塊，使用基于振動幅度和振動頻帶的指標組合發出警告或報警。（圖片來源：Analog Devices）

為了簡化 ADcmXL3021 的開發，Analog Devices 提供了 ADCMXL_BRKOUT 分線板，通過其提供的排針更容易訪問 ADcmXL3021 柔性尾部連接器引腳。

Analog Devices 還提供基于 Windows 的 val/user-guides/inertial-mems/imu/vibration_evaluation_2_1_8.zip" target="_blank">ADCMXL 振動評估軟件應用程序，其設計為與 Cypress Semiconductor 的 CYUSB3KIT-003 USB 3.0 SuperSpeed Explorer 套件配合使用。通過評估軟件界面，開發人員可以檢查每個軸的時域和頻域數據，并修改 ADcmXL3021 寄存器以探索其他捕獲配置（圖 11）。

圖 11：開發人員可以使用 Analog Devices 的評估軟件應用程序查看 ADcmXL3021 振動傳感器模塊的輸出，或以交互方式修改其寄存器以探索不同的捕獲配置。（圖片來源：Digi-Key/Analog Devices）

總結

CBM 是一種極具優勢的技術，可避免因突發機器故障導致的不必要維護安排或意外停機。然而，對于 CBM 應用開發人員而言，相匹配的振動測量系統的嚴格性能要求可能令人生畏。與消費電子應用中的運動檢測傳感系統不同，工業振動系統需要高加速度范圍、寬帶寬、高分辨率和非常低的噪聲密度。利用 Analog Devices 的 MEMS 傳感器和相關器件，開發人員可以有信心地創建穩健的振動測量系統，滿足復雜工業 CBM 應用的要求。