本文解釋了 MEMS 技術(shù)的最新進(jìn)展如何將加速度傳感器推向最前沿，在基于狀態(tài)的監(jiān)測應(yīng)用中與壓電傳感器相媲美。我們還將討論如何使用使這一切成為可能的新開發(fā)平臺。

在第 2 部分中，我們將重點(diǎn)介紹支持該開發(fā)平臺的軟件框架，以及如何將其與流行的數(shù)據(jù)分析工具集成以開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)示例，以及最終如何將其部署在各種資產(chǎn)上。

基于狀態(tài)的監(jiān)控 （CbM） 和預(yù)測性維護(hù) （PdM） 簡介

基于狀態(tài)的監(jiān)控 （CbM） 涉及使用傳感器監(jiān)控機(jī)器或資產(chǎn)以測量當(dāng)前的健康狀態(tài)。預(yù)測性維護(hù) （PdM） 涉及 CbM、機(jī)器學(xué)習(xí)和分析等技術(shù)的組合，以預(yù)測即將到來的資產(chǎn)維護(hù)周期或故障。隨著全球機(jī)器健康監(jiān)測的顯著增長，了解和理解關(guān)鍵趨勢勢在必行。越來越多的 CbM 公司正在轉(zhuǎn)向 PdM 以區(qū)分他們的產(chǎn)品。維護(hù)和設(shè)施經(jīng)理現(xiàn)在在 CbM 方面有了新的選擇，例如無線安裝和低成本、高性能的安裝。雖然大多數(shù) CbM 系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施保持不變，

狀態(tài)監(jiān)測——工程挑戰(zhàn)和設(shè)計(jì)決策

在典型的 CbM 信號鏈設(shè)計(jì)中，需要考慮許多不同的工程學(xué)科和需要考慮的技術(shù)，這些學(xué)科在不斷改進(jìn)和復(fù)雜性增加?，F(xiàn)在存在各種具有特定領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的客戶類型，例如算法開發(fā)（僅軟件）或硬件設(shè)計(jì)（僅硬件），但并非總是兩者兼而有之。

希望專注于算法開發(fā)的開發(fā)人員需要信息數(shù)據(jù)湖來準(zhǔn)確預(yù)測資產(chǎn)故障和停機(jī)時(shí)間。他們不想設(shè)計(jì)硬件或排除數(shù)據(jù)完整性問題；他們只想使用眾所周知的高保真數(shù)據(jù)。同樣，希望提高系統(tǒng)可靠性或降低成本的硬件工程師需要一種能夠輕松連接到現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的解決方案，以對現(xiàn)有解決方案進(jìn)行基準(zhǔn)測試。他們需要以易于使用和導(dǎo)出的可讀格式訪問數(shù)據(jù)，因此他們不會浪費(fèi)時(shí)間評估性能。

許多系統(tǒng)級挑戰(zhàn)可以通過平臺方法解決——從傳感器一直到算法開發(fā)——支持所有客戶類型。

什么是 CN0549，它如何幫助延長設(shè)備使用壽命？

CN0549 煤層氣開發(fā)平臺

CN0549 _基于狀態(tài)的監(jiān)控平臺是一種高性能、現(xiàn)成的硬件和軟件解決方案，可以將資產(chǎn)中的振動數(shù)據(jù)高保真流式傳輸?shù)剿惴?機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)環(huán)境中。該平臺使硬件專家受益，因?yàn)樗墙?jīng)過測試和驗(yàn)證的系統(tǒng)解決方案，可提供高精度數(shù)據(jù)采集、經(jīng)過驗(yàn)證的資產(chǎn)機(jī)械耦合以及高性能寬帶振動傳感器。提供所有硬件設(shè)計(jì)文件，可輕松集成到您設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中。CN0549 對軟件專家也很有吸引力，因?yàn)樗橄罅藸顟B(tài)監(jiān)測信號鏈硬件的挑戰(zhàn)，并允許軟件團(tuán)隊(duì)和數(shù)據(jù)科學(xué)家直接投入開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)算法。主要特點(diǎn)和優(yōu)勢包括：

易于安裝到資產(chǎn)，同時(shí)保持機(jī)械耦合信號完整性

具有 IEPE 數(shù)據(jù)輸出格式的寬帶寬 MEMS 加速度計(jì)傳感器

IEPE，高保真數(shù)據(jù)采集 （DAQ） 解決方案，模擬輸入帶寬從 DC 到 54 kHz

嵌入式網(wǎng)關(guān)捕獲并存儲用于本地或網(wǎng)絡(luò)處理的原始數(shù)據(jù)

使用 ADI 的 IIO 示波器應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)可視化頻域數(shù)據(jù)

將傳感器數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)?Python 和 MATLAB? 等流行的數(shù)據(jù)分析工具中

CbM 開發(fā)平臺由圖 1 所示的四個(gè)不同元素組成，在查看組合的整體解決方案之前，我們將分別討論這些元素。

圖 1. CbM 開發(fā)平臺的元素。

高精度、高保真數(shù)據(jù)采集和處理

更寬的帶寬和更低的噪聲傳感器能夠更早地檢測到故障，例如軸承問題、氣蝕和齒輪嚙合。任何數(shù)據(jù)采集電子設(shè)備都必須保持測得的振動數(shù)據(jù)的保真度；否則可能會丟失關(guān)鍵故障信息。保持振動數(shù)據(jù)的保真度可以更快地看到趨勢，并且我們可以高度自信地建議預(yù)防性維護(hù)，從而減少機(jī)械元件的不必要磨損，并不可避免地延長資產(chǎn)的使用壽命。

低臨界資產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測的成本效益方法

壓電加速度計(jì)是性能要求高于成本的最關(guān)鍵資產(chǎn)上使用的最高性能振動傳感器。低臨界資產(chǎn)的 CbM 傳統(tǒng)上一直被壓電裝置的高成本所禁止。MEMS 振動傳感器現(xiàn)在在噪聲、帶寬和 g 范圍方面可與壓電相媲美，使維護(hù)和設(shè)施管理人員能夠更深入地了解以前由運(yùn)行至故障或反應(yīng)性維護(hù)計(jì)劃所涵蓋的較低關(guān)鍵性資產(chǎn)。這主要是由于 MEMS 的高性能和低成本?，F(xiàn)在可以以具有成本效益的方式持續(xù)監(jiān)控中低關(guān)鍵性資產(chǎn)?？梢暂p松識別和修復(fù)資產(chǎn)不必要的磨損，通過先進(jìn)的振動傳感幫助延長資產(chǎn)的使用壽命。

監(jiān)控資產(chǎn)——感知問題

當(dāng)涉及到 CbM 和 PdM 時(shí)，有許多不同類型的傳感模式。電流傳感、磁傳感、流量監(jiān)測和其他幾個(gè)應(yīng)用構(gòu)成了大部分應(yīng)用。振動傳感是 CbM 中最常用的方式，壓電加速度計(jì)是最常用的振動傳感器。在本節(jié)中，我們將回顧振動傳感器領(lǐng)域如何因技術(shù)進(jìn)步而擴(kuò)展，以及這將如何影響應(yīng)用決策。

MEMS 與壓電

壓電加速度計(jì)是非常高性能的傳感器，但所有這些性能都需要許多設(shè)計(jì)權(quán)衡。例如，壓電加速度計(jì)通常僅限于在有線安裝中使用，因?yàn)樗鼈儠倪^多的功率，而且體積可能很大（尤其是三軸傳感器），而且價(jià)格昂貴。當(dāng)所有這些因素結(jié)合在一起時(shí)，為您的整個(gè)工廠配備壓電傳感器是不切實(shí)際的，這就是為什么它們主要僅用于關(guān)鍵資產(chǎn)的原因。

直到最近，MEMS 加速度計(jì)還沒有足夠?qū)挼膸挘鼈兊脑肼曁?，而?g 范圍受限于監(jiān)測不太重要的資產(chǎn)。MEMS 技術(shù)的最新進(jìn)展克服了這些限制，實(shí)現(xiàn)了對低端甚至高關(guān)鍵資產(chǎn)的 MEMS 振動監(jiān)測。表 1 顯示了用于 CbM 應(yīng)用的壓電和 MEMS 傳感器所需的最重要特性。MEMS 加速度計(jì)體積小，能夠使用電池運(yùn)行多年，成本低且性能與壓電傳感器相當(dāng)，正迅速成為許多 CbM 應(yīng)用的首選傳感器。

CN0549 CbM 開發(fā)平臺與 MEMS 和 IEPE 壓電加速度計(jì)兼容，為傳感器類型之間的基準(zhǔn)比較提供了途徑。

表 1. MEMS 與壓電加速度計(jì)

在現(xiàn)有 IEPE 基礎(chǔ)設(shè)施中使用 MEMS 加速度計(jì)

如表 1 所述，與壓電傳感器相比，MEMS 加速度計(jì)現(xiàn)在可以提供具有競爭力的規(guī)格和性能，但它們能否取代現(xiàn)有的壓電傳感器？為了讓設(shè)計(jì)人員能夠輕松評估壓電加速度計(jì)并將其替換為 MEMS 加速度計(jì)，ADI 設(shè)計(jì)了一種與 IEPE 兼容的接口，IEPE 是 CbM 應(yīng)用中事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)壓電傳感器接口。

IEPE 傳感器接口和機(jī)械安裝 （CN0532）

如圖 2 所示，CN0532是一個(gè) IEPE 轉(zhuǎn)換電路，它允許 MEMS 加速度計(jì)直接連接到 IEPE 基礎(chǔ)設(shè)施，就像任何現(xiàn)有的 IEPE 傳感器一樣無縫。

圖 2. CN0532 MEMS IEPE 轉(zhuǎn)換電路。

通常，單軸 MEMS 傳感器將具有三個(gè)輸出線：電源、接地和加速輸出。IEPE 基礎(chǔ)設(shè)施只需要兩個(gè)：一根線上的接地和另一根線上的電源/信號。電流被傳送到傳感器，當(dāng)傳感器測量振動時(shí)，在同一條線路上輸出電壓。

圖 3. 顯示 MEMS 傳感器如何連接到現(xiàn)有 IEPE 基礎(chǔ)設(shè)施（電源和數(shù)據(jù)）的簡化示意圖。

CN0532 PCB 的設(shè)計(jì)厚度為 90 密耳，以保持 MEMS 加速度計(jì)的數(shù)據(jù)表頻率響應(yīng)性能?？砂惭b螺柱的立方體可立即進(jìn)行開箱即用測試。安裝立方體以及 PCB、焊膏等已被廣泛表征，以確保全帶寬機(jī)械傳遞函數(shù)，最大限度地提高傳感器帶寬內(nèi)各種故障的可見性，從而通過能夠延長資產(chǎn)壽命捕捉這些故障。這些解決方案使 CbM 設(shè)計(jì)人員可以非常輕松地將 MEMS 加速度計(jì)連接到他們的資產(chǎn)，并與現(xiàn)有的壓電基礎(chǔ)設(shè)施無縫連接。

對于任何高頻振動測試，機(jī)械信號路徑的完整性都非常重要。換句話說，從源頭到傳感器，振動信號必須沒有衰減（由于阻尼）或放大（由于共振）。一個(gè)鋁制安裝塊 （ EVAL-XLMOUNT1 ）、四個(gè)螺釘安裝座和一個(gè)厚 PCB 保證了對相關(guān)頻率范圍的平坦機(jī)械響應(yīng)。IEPE 參考設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)人員可以非常輕松地實(shí)現(xiàn) MEMS 傳感器來代替壓電傳感器。

圖 5. EVAL-CN0532 的頻率響應(yīng)與 ADXL1002 數(shù)據(jù)表頻率響應(yīng)的比較。

振動到比特 - 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完整性

我們現(xiàn)在知道可以使用 MEMS 傳感器代替 IEPE 壓電傳感器。我們還看到了如何輕松地將它們安裝到資產(chǎn)上，同時(shí)保持其數(shù)據(jù)表性能。CbM 開發(fā)平臺的一個(gè)重要部分是能夠?qū)⒏哔|(zhì)量的振動數(shù)據(jù)（無論是基于 MEMS 還是基于壓電）收集到正確的環(huán)境中。接下來，我們將著眼于獲取 IEPE 傳感器數(shù)據(jù)并保持最高保真度的數(shù)據(jù)，以開發(fā)可能的最佳 CbM 算法或機(jī)器學(xué)習(xí)算法。這是由我們的另一個(gè) CbM 參考設(shè)計(jì)CN0540 實(shí)現(xiàn)的。

用于 IEPE 傳感器的高保真 24 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （CN0540）

在圖 6 中，我們看到了經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試和驗(yàn)證的 IEPE DAQ 信號鏈。該參考設(shè)計(jì)為 MEMS 和壓電加速度計(jì)提供了最佳模擬信號鏈。ADI 不僅專注于基于 MEMS 加速度計(jì)的解決方案。重要的是要記住壓電加速度計(jì)提供最高的性能并且是使用最廣泛的振動傳感器；因此，壓電加速度計(jì)是用于精密信號鏈產(chǎn)品的聚焦傳感器。

圖 6 所示電路是 IEPE 傳感器的傳感器到比特（數(shù)據(jù)采集）信號鏈，包括電流源、輸入保護(hù)、電平轉(zhuǎn)換和衰減級、三階抗混疊濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 （ADC） 驅(qū)動器和一個(gè)全差分 ∑-Δ ADC。使用壓電加速度計(jì)的 CbM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要高性能模擬信號鏈來保持振動數(shù)據(jù)的保真度。設(shè)計(jì)人員只需將其 IEPE 傳感器或 CN0532 IEPE 傳感器直接連接到 CN0540 DAQ 參考設(shè)計(jì)，即可評估開箱即用的信號鏈性能。Analog Devices 對該設(shè)計(jì)進(jìn)行了廣泛測試，并提供了開源設(shè)計(jì)文件（原理圖、布局文件、材料清單等），從而可以更輕松地設(shè)計(jì)到最終解決方案中。

CN0540 IEPE 數(shù)據(jù)采集板是經(jīng)過測試和驗(yàn)證的模擬信號鏈，旨在采集 IEPE 傳感器振動數(shù)據(jù)，信噪比 （SNR） 優(yōu)于 100 dB。市場上與壓電傳感器接口的大多數(shù)解決方案都是交流耦合的，缺乏直流和亞赫茲測量能力。CN0540 適用于直流耦合應(yīng)用場景，其中必須保留信號的直流分量或系統(tǒng)的響應(yīng)必須保持在 1 Hz 或更低的頻率。

精密數(shù)據(jù)采集參考設(shè)計(jì)使用兩個(gè) MEMS 傳感器和三個(gè)壓電傳感器進(jìn)行了測試，如表 2 所示。我們可以看到每個(gè)傳感器的 g 范圍、噪聲密度和帶寬都有很大的不同，價(jià)格也是如此。應(yīng)該注意的是，壓電傳感器仍然具有最佳的噪聲性能和振動帶寬。

在 CN0540 的情況下，系統(tǒng)帶寬設(shè)置為 54 kHz，信號鏈噪聲性能針對的是可以在該帶寬上實(shí)現(xiàn) 》100 dB 動態(tài)范圍的傳感器——例如，Piezotronics PCB 621B40 型加速度計(jì)，它可以達(dá)到 105 dB在 30 kHz。CN0540 被設(shè)計(jì)為具有超出當(dāng)前振動傳感器性能的額外帶寬和精度能力，以確保它不會成為收集高性能振動數(shù)據(jù)的瓶頸。在同一系統(tǒng)上比較和基準(zhǔn)測試 MEMS 與壓電非常容易。無論是與 MEMS、壓電或兩者一起使用，CN0540 都為數(shù)據(jù)采集和處理提供了最佳的信號鏈解決方案，不可避免地可以設(shè)計(jì)成嵌入式解決方案。

當(dāng)我們說 MEMS 以更低的成本提供可比性能時(shí)，我們可以看到ADXL1002的 SNR 為 83 dB，但與壓電傳感器相比，成本降低了 10 倍以上。MEMS 現(xiàn)在已經(jīng)確立了自己作為除了最高性能壓電傳感器之外的所有成本的可行替代品。

圖 6. CN0540：用于 IEPE 傳感器的高性能、寬帶寬、精密數(shù)據(jù)采集。

表 2. 具有相應(yīng)噪聲密度測量的 MEMS 和壓電傳感器

嵌入式網(wǎng)關(guān)

一旦 DAQ 信號鏈獲取了高保真振動數(shù)據(jù)，就必須對其進(jìn)行處理并實(shí)時(shí)查看和/或?qū)⑵鋫鬏數(shù)綑C(jī)器學(xué)習(xí)或云環(huán)境——這是嵌入式網(wǎng)關(guān)的工作。

在本地實(shí)時(shí)處理振動數(shù)據(jù)

Intel? （DE10-Nano） 和 Xilinx? （Cora Z7-07S） 支持兩個(gè)嵌入式平臺，包括對所有相關(guān) HDL、設(shè)備驅(qū)動程序、軟件包和應(yīng)用程序的支持。每個(gè)平臺都運(yùn)行嵌入式 ADI Kuiper Linux?，使您能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)，提供通過以太網(wǎng)訪問實(shí)時(shí)捕獲的數(shù)據(jù)，與流行的數(shù)據(jù)分析工具（如 MATLAB 或 Python）接口，甚至連接與 AWS 和 Azure 等各種云計(jì)算實(shí)例。嵌入式網(wǎng)關(guān)可以通過以太網(wǎng)將 6.15 Mbps（256 kSPS × 24 位）傳輸?shù)侥x擇的算法開發(fā)工具。嵌入式網(wǎng)關(guān)的一些關(guān)鍵特性包括：

Intel Terasic DE10-Nano

雙核 Arm? Cortex?-A9 MP Core 處理器，800 MHz neon? 框架媒體處理引擎，具有雙精度浮點(diǎn)單元 （FPU）

1 個(gè)帶 RJ45 連接器的千兆以太網(wǎng) PHY

Digilent Cora Z7-07S（賽靈思）

具有緊密集成 Xilinx FPGA 的 667 MHz Cortex-A9 處理器

512 MB DDR3 內(nèi)存

USB 和以太網(wǎng)連接

IIO Oscilloscope（如圖 7 所示）是一款免費(fèi)的開源應(yīng)用程序，隨 ADI Kuiper Linux 一起安裝，可幫助您快速可視化您的時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)。它建立在 Linux IIO 框架之上，直接與 Analog Devices Linux 設(shè)備驅(qū)動程序接口，允許在一個(gè)工具中進(jìn)行設(shè)備配置、讀取設(shè)備數(shù)據(jù)和視覺顯示。

圖 7. IIO 示波器顯示 5 kHz 純音的 FFT。

ADI Kuiper Linux Image 還支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具，例如 MATLAB 和 Python。使用與 IIO 框架配合使用的接口層，IIO 綁定已被開發(fā)用于將數(shù)據(jù)直接流式傳輸?shù)竭@些典型的數(shù)據(jù)分析工具中。設(shè)計(jì)人員可以結(jié)合 IIO 集成框架使用這些強(qiáng)大的工具顯示和分析數(shù)據(jù)、開發(fā)算法以及執(zhí)行硬件在環(huán)測試和其他數(shù)據(jù)操作技術(shù)。提供了完整的示例，使您能夠?qū)⒏哔|(zhì)量的振動數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)組ATLAB或Python工具。

使用 CN0549 進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)開發(fā)

為 PdM 應(yīng)用程序開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí) （ML） 算法有五個(gè)典型步驟，如圖 8 所示。對于預(yù)測性維護(hù)，回歸模型通常用于預(yù)測分類模型即將發(fā)生的故障。當(dāng)他們有更多的訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入到預(yù)測模型中時(shí)，他們的表現(xiàn)會更好。10 分鐘的振動數(shù)據(jù)可能無法檢測到所有的操作特性，而 10 小時(shí)則更有可能做到這一點(diǎn)——收集 10 天的數(shù)據(jù)將保證模型更加強(qiáng)大。

圖 9. CN0549 示例用例。

CN0549 在一個(gè)易于使用的系統(tǒng)中提供數(shù)據(jù)收集步驟，我們可以將高性能振動數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)竭x擇的 ML 環(huán)境。

MEMS IEPE 傳感器配有機(jī)械安裝塊，允許將 MEMS 傳感器無縫安裝到資產(chǎn)或振動篩上。請記住，IEPE 壓電傳感器也可以與該系統(tǒng)一起使用，并輕松連接到資產(chǎn)、振動器等。在將數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析工具之前，應(yīng)驗(yàn)證傳感器附件以確保沒有不需要的共振。這可以很容易地使用 IIO 示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查。一旦系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，就可以定義一個(gè)用例，如圖 9 所示——例如，電機(jī)在 70% 負(fù)載能力下的健康運(yùn)行。然后可以將高質(zhì)量的振動數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)?MATLAB 或基于 Python 的數(shù)據(jù)分析工具，例如 TensorFlow 或 PyTorch（以及許多其他工具）。

可以進(jìn)行分析以識別定義該資產(chǎn)健康狀況的關(guān)鍵簽名和特征。一旦有了定義健康運(yùn)行的模型，就可以播種或模擬故障。重復(fù)步驟 4 以識別定義故障的關(guān)鍵簽名，并導(dǎo)出模型。故障數(shù)據(jù)可以與健康的電機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并且可以開發(fā)預(yù)測模型。

這是 CbM 開發(fā)平臺支持的 ML 過程的簡化概述。要記住的關(guān)鍵是該平臺可確保將最高質(zhì)量的振動數(shù)據(jù)傳遞到 ML 環(huán)境。

本文的第 2 部分將詳細(xì)介紹軟件堆棧、數(shù)據(jù)流和開發(fā)策略，并從數(shù)據(jù)科學(xué)家或機(jī)器學(xué)習(xí)算法開發(fā)人員的角度介紹使用 Python 和 MATLAB 的一些示例。將討論軟件集成的概述以及本地和基于云的開發(fā)選項(xiàng)。

審核編輯：郭婷