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構(gòu)建用于工業(yè)應(yīng)用中基于狀態(tài)監(jiān)測的 MEMS 振動傳感器系統(tǒng)

2512852 2022-11-25 | pdf | 468.48KB | 次下載 | 免費(fèi)

資料介紹

任何工業(yè)機(jī)械最終都會出現(xiàn)故障，或早于制造缺陷，或后于碎屑堆積、內(nèi)部零件退化或僅僅是磨損。隨著自動化工業(yè)生產(chǎn)線的發(fā)展，工廠操作員面臨著看似無窮無盡的維護(hù)和維修周期，這可能會使生產(chǎn)線停滯不前，尤其是當(dāng)未檢測到的機(jī)械故障演變成災(zāi)難性故障時(shí)。任何工業(yè)機(jī)械最終都會出現(xiàn)故障，或早于制造缺陷，或后于碎屑堆積、內(nèi)部零件退化或僅僅是磨損。隨著自動化工業(yè)生產(chǎn)線的發(fā)展，工廠操作員面臨著看似無窮無盡的維護(hù)和維修周期，這可能會使生產(chǎn)線停滯不前，尤其是當(dāng)未檢測到的機(jī)械故障演變成災(zāi)難性故障時(shí)。工廠操作員可以使用基于狀態(tài)的監(jiān)測 (CBM) 指標(biāo)，在設(shè)備進(jìn)入關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)之前更有效地安排維護(hù)和維修，而不是應(yīng)對意外的設(shè)備故障或忍受不必要的停機(jī)時(shí)間進(jìn)行無保證的維護(hù)。監(jiān)控機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的能力可以轉(zhuǎn)化為工業(yè)環(huán)境中的顯著節(jié)省。通過檢測通常先于設(shè)備故障發(fā)生的情況，工業(yè)工程師可以在機(jī)器發(fā)生故障之前對其進(jìn)行維修。工廠操作員可以使用基于狀態(tài)的監(jiān)測 (CBM) 指標(biāo)，在設(shè)備進(jìn)入關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)之前更有效地安排維護(hù)和維修，而不是應(yīng)對意外的設(shè)備故障或忍受不必要的停機(jī)時(shí)間進(jìn)行無保證的維護(hù)。監(jiān)控機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的能力可以轉(zhuǎn)化為工業(yè)環(huán)境中的顯著節(jié)省。通過檢測通常先于設(shè)備故障發(fā)生的情況，工業(yè)工程師可以在機(jī)器發(fā)生故障之前對其進(jìn)行維修。然而，在實(shí)施 CBM 時(shí)，需要監(jiān)控的條件的性質(zhì)可能會有所不同，這需要開發(fā)人員構(gòu)建符合其特定要求的準(zhǔn)確傳感器信號鏈。然而，在實(shí)施 CBM 時(shí)，需要監(jiān)控的條件的性質(zhì)可能會有所不同，這需要開發(fā)人員構(gòu)建符合其特定要求的準(zhǔn)確傳感器信號鏈。本文討論了為工業(yè)設(shè)備實(shí)施 CBM 的要求，并描述了開發(fā)人員如何使用 Analog Devices 的器件組合來構(gòu)建能夠滿足這些要求的信號鏈。本文討論了為工業(yè)設(shè)備實(shí)施 CBM 的要求，并描述了開發(fā)人員如何使用 Analog Devices 的器件組合來構(gòu)建能夠滿足這些要求的信號鏈。振動分析振動分析作為 CBM 方法的基礎(chǔ)，振動分析已成為評估機(jī)械及其運(yùn)動部件運(yùn)行狀態(tài)的主要技術(shù)。在這種方法中，工業(yè)工程師分析振動測量值以識別表明轉(zhuǎn)子、齒輪、軸承和機(jī)器部件之間的任何其他機(jī)械接口不平衡、未對準(zhǔn)或損壞的模式。例如，高振幅振動的重復(fù)模式可以反映由于損壞或磨損的離合器、齒輪、軸承、軸承座圈或其他接觸機(jī)器表面而導(dǎo)致的機(jī)械沖擊事件。作為 CBM 方法的基礎(chǔ)，振動分析已成為評估機(jī)械及其運(yùn)動部件運(yùn)行狀態(tài)的主要技術(shù)。在這種方法中，工業(yè)工程師分析振動測量值以識別表明轉(zhuǎn)子、齒輪、軸承和機(jī)器部件之間的任何其他機(jī)械接口不平衡、未對準(zhǔn)或損壞的模式。例如，高振幅振動的重復(fù)模式可以反映由于損壞或磨損的離合器、齒輪、軸承、軸承座圈或其他接觸機(jī)器表面而導(dǎo)致的機(jī)械沖擊事件。然而，除了這種時(shí)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有關(guān)機(jī)械狀態(tài)的更多詳細(xì)信息。盡管用于生成此頻域分析的 FFT 計(jì)算需要更多的計(jì)算能力，但結(jié)果是值得付出努力的。使用這種方法，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師已經(jīng)找到了幾個(gè)與頻率相關(guān)的可靠指標(biāo)，這些指標(biāo)可以指示諸如不平衡、未對準(zhǔn)、松動和軸承缺陷等故障（圖 1）。然而，除了這種時(shí)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有關(guān)機(jī)械狀態(tài)的更多詳細(xì)信息。盡管用于生成此頻域分析的 FFT 計(jì)算需要更多的計(jì)算能力，但結(jié)果是值得付出努力的。使用這種方法，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師已經(jīng)找到了幾個(gè)與頻率相關(guān)的可靠指標(biāo)，這些指標(biāo)可以指示諸如不平衡、未對準(zhǔn)、松動和軸承缺陷等故障（圖 1）。圖 1：通過測量頻域中峰值的絕對和相對幅度，工業(yè)工程師可以推斷出各種當(dāng)前和潛在的機(jī)械問題，從機(jī)器部件不平衡到軸承故障。（圖片來源：Analog Devices）圖 1：通過測量頻域中峰值的絕對和相對幅度，工業(yè)工程師可以推斷出各種當(dāng)前和潛在的機(jī)械問題，從機(jī)器部件不平衡到軸承故障。（圖片來源：Analog Devices）在這些指標(biāo)中，基頻（也稱為 1x 分量）相對于其諧波的變化和早期基線 1x 測量值可能表示機(jī)器中存在某種不平衡，反映在幅度與旋轉(zhuǎn)速率的平方成正比的信號中，并且其頻率與機(jī)器的旋轉(zhuǎn)或共振頻率相匹配。相比之下，機(jī)器部件之間的未對準(zhǔn)或松動會導(dǎo)致一次諧波（也稱為 2x 分量）甚至高達(dá) 10x 的頻率分量的特性增加。同樣，不平衡、未對準(zhǔn)或損壞的內(nèi)部零件（例如齒輪）會導(dǎo)致與其自身旋轉(zhuǎn)速率和齒數(shù)相關(guān)的頻率出現(xiàn)更高的峰值。在這些指標(biāo)中，基頻（也稱為 1x 分量）相對于其諧波的變化和早期基線 1x 測量值可能表示機(jī)器中存在某種不平衡，反映在幅度與旋轉(zhuǎn)速率的平方成正比的信號中，并且其頻率與機(jī)器的旋轉(zhuǎn)或共振頻率相匹配。相比之下，機(jī)器部件之間的未對準(zhǔn)或松動會導(dǎo)致一次諧波（也稱為 2x 分量）甚至高達(dá) 10x 的頻率分量的特性增加。同樣，不平衡、未對準(zhǔn)或損壞的內(nèi)部零件（例如齒輪）會導(dǎo)致與其自身旋轉(zhuǎn)速率和齒數(shù)相關(guān)的頻率出現(xiàn)更高的峰值。故障指示器可能會變得相當(dāng)復(fù)雜，特別是對于埋在機(jī)器內(nèi)的滾道中的軸承。當(dāng)軸承在其座圈中移動時(shí)，它們會在稱為滾珠旋轉(zhuǎn)頻率 (BSF) 的頻率下產(chǎn)生特征信號，該信號包含在與軸承座圈的基本頻率 (FTF) 相關(guān)的包絡(luò)內(nèi)——軸承保持架繞軸承圈移動的速率軸承。有缺陷的軸承或座圈會在 BSF 處導(dǎo)致相對較高的振幅事件，從而導(dǎo)致由 FTF 調(diào)制的一系列低振幅振動（圖 2）。故障指示器可能會變得相當(dāng)復(fù)雜，特別是對于埋在機(jī)器內(nèi)的滾道中的軸承。