为状态监控选择MEMS加速度计时，有哪些关键但经常被忽视的参数？

【导读】MEMS加速度计对于检测故障情况、帮助防止意外断电或避免发生其他代价高昂的事件至关重要。作为一名负责为状态监控(CbM)应用选择和安装合适传感器的工程师，需要在做出选择之前仔细考虑多个关键参数，然而这些参数常常被忽视。本文将讨论您在做出选择时应特别留意的一些关键标准。

问题:

为状态监控选择MEMS加速度计时，有哪些关键但经常被忽视的参数？

答案:

在MEMS加速度计的选择过程中，经常被低估或忽视的关键参数有传感器的量程、带宽和谐振频率。如果这些参数太低或仅能勉强满足需求，将会导致测量效果不理想。

简介

MEMS加速度计对于检测故障情况、帮助防止意外断电或避免发生其他代价高昂的事件至关重要。作为一名负责为状态监控(CbM)应用选择和安装合适传感器的工程师，需要在做出选择之前仔细考虑多个关键参数，然而这些参数常常被忽视。本文将讨论您在做出选择时应特别留意的一些关键标准。

状态监控

CbM是利用传感器监测机械系统可能出现的潜在缺陷或损坏的过程。CbM用于监测滚珠轴承、齿轮、泵和许多其他应用中的缺陷。通常的做法是采用多种不同类型原理的传感器来确保实现出色监控效果。使用此类传感器可以尽早发现异常情况，并采取预防措施以避免可能的损坏或事故。一种方法是预测性维护(PdM)，根据从传感器读数收集到的数据来预测系统内的潜在故障。这有助于减少停机时间并提高运营效率。尽管在CbM应用中常常使用多种类型的传感器，包括加速度计、温度传感器、磁力计和MEMS麦克风等，但本文将特别关注MEMS加速度计。

MEMS加速度计

MEMS加速度计用于将机械振动转换为电压或数字值。MEMS传感器由活动和固定的硅元件组成，它们相互交叉形成电容，如图1a所示。机械运动会使得活动元件向固定元件移动。该结构在数学上可以描述为质量弹簧系统，其中的加速度可以根据测得的力来计算。在模拟MEMS传感器中（图1b），机械振动可以转换为电压。数字传感器额外使用集成模数转换器来输出数字值，如图1c所示。ADI公司提供类型丰富的MEMS加速度计，例如低噪底、高带宽和多轴传感器。

图1.(a) MEMS结构，沿z轴运动；(b) MEMS模拟输出；(c) MEMS数字输出。

适用于CbM的MEMS加速度计的关键参数

量程

所选择的MEMS传感器的量程应涵盖系统中出现的所有加速度。如果传感器的量程太小，信号可能会被削波。这会导致测量结果出现不对称信号/信号偏移，导致出现加速度解读误差。在此过程中，应在传感器中记为1 g的重力加速度常被忽略。

带宽

此外，还应结合带宽考虑系统中出现的加速度所对应的频率。缺陷的早期检测，例如与滚珠轴承、泵等相关的缺陷，在CbM应用中至关重要。缺陷的最初迹象通常出现在高频频谱。如果选择的带宽太小，则这些缺陷甚至可能无法被检测到。在此类应用中，加速度是频率平方的函数。例如，在位移为250 nm且频率为1 kHz时，实际加速度为1 g。如果此位移发生在10 kHz，则实际加速度为100 g，或者说比之前高出100倍。也就是说，为了能够尽早发现系统中的缺陷，必须选择带宽和量程足够大的传感器。为了满足高度关键应用的需求，ADI公司提供带宽高达24 kHz和量程达到500 g的传感器。

传感器谐振频率

选择带宽时要考虑的另一个因素是传感器的谐振。当加速度发生在传感器的谐振频率上时，传感器的灵敏度会增加，进而造成可用信号失真的糟糕情况，影响测量结果的准确性。为系统提供机械阻尼/滤波可以解决这个问题。除带宽外，低本底噪声对于实现故障或偏差的早期检测也很重要。出色的MEMS加速度计的本底噪声应小于100 μg/√Hz。

有关MEMS加速度计规格的完整概述，请参阅 加速度计规格——简要定义。

结论

基于MEMS的加速度计现在可以很好地替代压电传感器。MEMS加速度计具有高达24 kHz的高带宽和低本底噪声，非常适合用于预测和检测缺陷的早期迹象，从而降低系统故障率和相关成本。ADI公司为CbM应用提供广泛的传感器选择，包括 ADXL100x 和 ADXL356/ADXL357 。有关可用MEMS加速度计的更多信息，请访问 我们的加速度计页面。

参考资料

Richard Anslow和Dara O'Sullivan。"选择最佳的振动传感器来进行风轮机状态监控"。《模拟对话》，第54卷第3期，2020年9月。

Chris Murphy。"为什么MEMS加速度计正在成为设计人员在CbM应用中的最佳选择"。ADI公司，2021年2月。

Pete Sopcik和Dara O'Sullivan。"传感器性能如何实现状态监控解决方案"。《模拟对话》，第53卷第6期，2019年6月。

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