圖4顯示了ADIS16228的信號(hào)鏈，該信號(hào)鏈?zhǔn)褂镁哂蠪FT分析和存儲(chǔ)功能的數(shù)字三軸振動(dòng)傳感器來(lái)監(jiān)控設(shè)備振動(dòng)的頻譜內(nèi)容。

圖4.用于頻譜振動(dòng)分析的ADIS16228信號(hào)鏈。

核心傳感器

這兩種方法的核心傳感器都可以是MEMS加速度計(jì)。選擇核心傳感器的最重要屬性是軸數(shù)、封裝/組件要求、電氣接口（模擬/數(shù)字）、頻率響應(yīng)（帶寬）、測(cè)量范圍、噪聲和線性度。雖然許多三軸MEMS加速度計(jì)支持與大多數(shù)嵌入式處理器直接連接，但要獲得最佳性能水平，可能需要具有模擬輸出的單軸或雙軸解決方案。例如，高性能寬帶iMEMS加速度計(jì)ADXL001利用其22 kHz諧振提供最寬的可用帶寬之一，但它僅作為單軸模擬輸出器件提供。模擬輸出可以在具有可用模數(shù)通道的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)快速接口，但目前的發(fā)展趨勢(shì)似乎有利于那些具有數(shù)字接口的傳感器。?

核心傳感器的頻率響應(yīng)和測(cè)量范圍決定了在輸出飽和之前它可以支持的最大振動(dòng)頻率和幅度。飽和會(huì)降低頻譜響應(yīng)，產(chǎn)生可能導(dǎo)致誤報(bào)的雜散內(nèi)容，即使飽和頻率不會(huì)干擾目標(biāo)頻率也是如此。測(cè)量范圍和頻率響應(yīng)由

其中 D 是物理位移，ω 是振動(dòng)頻率，A 是加速度。

雖然頻率響應(yīng)和測(cè)量范圍限制了傳感器響應(yīng)的上限，但其噪聲和線性度限制了分辨率。噪聲將確定振動(dòng)的下限，這將在輸出中引起響應(yīng)，而線性度將決定振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生多少虛假諧波成分。

模擬濾波器

模擬濾波器將信號(hào)內(nèi)容限制在一個(gè)奈奎斯特區(qū)，占示例系統(tǒng)中采樣速率的一半。即使濾波器截止頻率在奈奎斯特區(qū)以內(nèi)，也不可能對(duì)高頻分量進(jìn)行無(wú)限抑制，這些分量仍然可以折回通帶。對(duì)于僅監(jiān)測(cè)第一奈奎斯特區(qū)的系統(tǒng)，這種折返行為可能會(huì)產(chǎn)生假故障，并扭曲特定頻率下的振動(dòng)內(nèi)容視圖。

窗口

時(shí)間相干采樣在振動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用中通常不切實(shí)際，因?yàn)闀r(shí)間記錄開始和結(jié)束時(shí)的非零采樣值會(huì)導(dǎo)致較大的頻譜泄漏，從而降低FFT分辨率。在計(jì)算FFT之前應(yīng)用窗口函數(shù)有助于管理頻譜泄漏。最佳窗口函數(shù)取決于實(shí)際信號(hào)，但通常，權(quán)衡因素包括過(guò)程損耗、頻譜泄漏、波瓣位置和波瓣電平。

快速傅里葉變換 （FFT）

FFT是一種用于分析離散時(shí)間數(shù)據(jù)的有效算法。該過(guò)程將時(shí)間記錄轉(zhuǎn)換為離散頻譜記錄，其中每個(gè)樣本代表奈奎斯特區(qū)的一個(gè)離散頻率段。輸出樣本的總數(shù)等于原始時(shí)間記錄中的樣本數(shù)，在大多數(shù)情況下，它表示二項(xiàng)式序列 （1， 2， 4， 8 ... ） 中的數(shù)字。光譜數(shù)據(jù)具有幅度和相位信息，可以用矩形或極性形式表示。當(dāng)呈矩形形式時(shí)，F(xiàn)FT箱的一半包含幅度信息，而另一半包含相位信息。當(dāng)呈極性形式時(shí)，F(xiàn)FT箱的一半包含實(shí)結(jié)果，而另一半包含虛結(jié)果。

在某些情況下，幅度和相位信息都是有幫助的，但幅度/頻率關(guān)系通常包含足夠的信息來(lái)檢測(cè)關(guān)鍵變化。對(duì)于僅提供幅度結(jié)果的器件，F(xiàn)FT 箱的數(shù)量等于原始時(shí)域記錄中樣本的一半。FFT 箱寬度等于采樣率除以記錄總數(shù)。在某種程度上，每個(gè)FFT箱就像時(shí)域中的一個(gè)單獨(dú)的帶通濾波器。圖5提供了一個(gè)實(shí)際MEMS振動(dòng)傳感器的示例，該傳感器以每秒20480個(gè)樣本（SPS）采樣，并以512點(diǎn)記錄開始。在這種情況下，傳感器僅提供量級(jí)信息，因此箱總數(shù)為 256，箱寬度等于 40 Hz （20480/512）。

圖5.ADIS16228 FFT輸出。

箱寬很重要，因?yàn)樗陬l率從一個(gè)箱移動(dòng)到相鄰箱時(shí)建立頻率分辨率，并且因?yàn)樗鼪Q定了箱將包含的總噪聲。總噪聲 （rms） 等于噪聲密度 （~240 μg/√Hz） 與箱寬平方根 （√40 Hz） 的乘積，即 ~1.5 mg rms。對(duì)于噪聲往往對(duì)振動(dòng)分辨率影響最大的低頻應(yīng)用，F(xiàn)FT過(guò)程之前的抽取濾波器有助于提高頻率和幅度分辨率，而無(wú)需改變ADC的采樣頻率。將20480 SPS采樣率抽取256倍可將頻率分辨率提高256倍，同時(shí)將噪聲降低16倍。

頻譜報(bào)警

使用FFT的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它可以簡(jiǎn)單地應(yīng)用頻譜報(bào)警。圖6提供了一個(gè)示例，其中包括五個(gè)獨(dú)立的頻譜報(bào)警，用于監(jiān)控機(jī)器中的固有頻率，其諧波（#2，#3和#4）以及寬帶內(nèi)容。警告和臨界水平對(duì)應(yīng)于機(jī)器健康振動(dòng)與時(shí)間曲線中的水平。開始和停止頻率完成了由此關(guān)系表示的過(guò)程變量定義。使用嵌入式處理器時(shí)，頻譜報(bào)警定義變量（啟動(dòng)/停止頻率、警告/臨界報(bào)警級(jí)別）可以位于使用數(shù)字代碼進(jìn)行配置的可配置寄存器位置。使用相同的比例因子和條柱編號(hào)方案可以大大簡(jiǎn)化此過(guò)程。

圖6.帶有頻譜報(bào)警的示例 FFT。

記錄管理

與過(guò)程變量關(guān)系相關(guān)的關(guān)鍵功能之一是記錄管理。存儲(chǔ)每臺(tái)機(jī)器生命周期不同階段的FFT記錄可以分析可能導(dǎo)致磨損曲線的各種行為，從而有助于維護(hù)和安全規(guī)劃。除了編譯歷史振動(dòng)數(shù)據(jù)外，有些人還會(huì)發(fā)現(xiàn)捕獲與電源、溫度、日期、時(shí)間、采樣率、報(bào)警設(shè)置和濾波等參數(shù)相關(guān)的條件數(shù)據(jù)的價(jià)值。

接口

接口取決于特定工廠中的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。在某些情況下，以太網(wǎng)或RS-485等工業(yè)電纜就緒通信標(biāo)準(zhǔn)隨時(shí)可用，因此智能傳感器和通信系統(tǒng)之間的接口可能是嵌入式處理器。在其他情況下，相同的嵌入式處理器可用于將智能傳感器與現(xiàn)有無(wú)線協(xié)議（如Wi-Fi，ZigBee或系統(tǒng)特定標(biāo)準(zhǔn)）連接。一些智能傳感器，如用于遠(yuǎn)程傳感器的ADIS16000無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和ADIS16229，帶有可隨時(shí)部署的無(wú)線接口，可通過(guò)SPI或I等常見(jiàn)嵌入式接口獲得。

結(jié)論

慣性MEMS技術(shù)正在開創(chuàng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的新時(shí)代，并為此類儀器提供更廣泛的用戶群。性能、封裝和熟悉度可能有助于繼續(xù)使用壓電技術(shù)，但振動(dòng)監(jiān)測(cè)顯然正在增長(zhǎng)和發(fā)展。通過(guò)功能集成和易于采用，MEMS器件在新的振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中越來(lái)越受到關(guān)注。通過(guò)傳感點(diǎn)的高級(jí)信號(hào)處理，在大多數(shù)情況下，將監(jiān)控負(fù)擔(dān)降低到簡(jiǎn)單狀態(tài)（正常、警告、嚴(yán)重）。此外，通過(guò)便捷的通信渠道進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)正在為振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器創(chuàng)造新的應(yīng)用。未來(lái)在關(guān)鍵性能指標(biāo)（噪聲、帶寬和動(dòng)態(tài)范圍）方面的進(jìn)步以及高水平的功能集成將有助于在不久的將來(lái)繼續(xù)這一趨勢(shì)。

審核編輯：郭婷