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作者：Shuai Ren，軟件系統(tǒng)應(yīng)用工程師 Tomasz Potaczała，AMC TECH技術(shù)總監(jiān) ADI公司 摘要 本文深入探討了一款先進的智能振動傳感器，重點介紹它基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的設(shè)計、功能和應(yīng)用。這款傳感器的核心目標是在各種工業(yè)和研究環(huán)境中提供高精度、高可靠性和實時監(jiān)測能力，展現(xiàn)ADI公司不同MEMS傳感技術(shù)的實際應(yīng)用價值。 引言 在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中，對機械健康狀態(tài)進行精確、可靠且實時的監(jiān)測變得空前重要。狀態(tài)監(jiān)控(CbM)系統(tǒng)已成為預(yù)測性維護策略的基石，旨在盡可能地減少停機時間、提高生產(chǎn)率并降低維護成本。采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的先進傳感器，結(jié)合復(fù)雜的診斷算法，正在拓寬能夠評估的各類機械的范圍。MEMS加速度計的性能近年來取得了進步，已具備與壓電振動傳感器分庭抗禮的實力。這類MEMS振動傳感器不僅擁有低功耗、小尺寸、高集成度、寬帶寬等關(guān)鍵優(yōu)勢，噪聲水平更低于100μg/√Hz，為維護和設(shè)備工程師開辟了全新的CbM范式，助力檢測、診斷、預(yù)測和規(guī)避機器故障。得益于MEMS加速度計的超低功耗特性，有線系統(tǒng)逐步被無線解決方案替代，單軸壓電傳感器也升級為小巧輕便的三軸模擬器件，更廣泛的機械設(shè)備得以通過經(jīng)濟高效的方式實現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測。本文將探討基于MEMS技術(shù)的振動傳感器最新成果，尤其是先進的AVS 1001HF（高頻）與AVS 1003LF（低頻）加速度計。 狀態(tài)監(jiān)控 面向機器人及渦輪機、風(fēng)扇、泵、電機等旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)控傳感器(CMS)，可實時記錄與機械健康狀態(tài)及運行性能相關(guān)的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)針對性的預(yù)測性維護和優(yōu)化控制。在機械生命周期的早期階段，開展針對性的預(yù)測性維護可降低生產(chǎn)停機風(fēng)險，進而提高可靠性并顯著節(jié)省成本，讓工廠車間的生產(chǎn)效率更上一層樓。據(jù)統(tǒng)計，對于遭遇過意外停機的企業(yè)而言，平均每次停機持續(xù)4小時，每次造成200萬美元損失，且這類企業(yè)平均每年會發(fā)生2次停機事件。1,2 CbM的重要性 CbM的主要功能是提供實時數(shù)據(jù)，為機械的維護計劃提供依據(jù)。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式確保僅在必要時才進行維護，從而預(yù)防意外故障并延長設(shè)備的使用壽命。通過減少意外停機，CbM系統(tǒng)有助于維持連續(xù)的生產(chǎn)流程并優(yōu)化資源分配。 具體的解決方案是什么？ 這些加速度計代表了工業(yè)資產(chǎn)健康監(jiān)測領(lǐng)域的重大進步。這款傳感器的核心目標是在各種工業(yè)和研究環(huán)境中提供高精度、高可靠性和實時監(jiān)測能力，展現(xiàn)ADI公司不同MEMS傳感技術(shù)的實際應(yīng)用價值。 通過整合高頻與低頻振動測量能力，結(jié)合實時數(shù)據(jù)處理與傳輸功能，這些傳感器為預(yù)測性維護提供了全方位解決方案。它們易于集成、用途廣泛且精度出眾，成為工業(yè)環(huán)境中提升生產(chǎn)效率、減少停機時間、優(yōu)化維護策略的得力助手。 AVS傳感器系列重新定義了狀態(tài)監(jiān)控，不僅提高了機械設(shè)備的運行效率，更為工業(yè)資產(chǎn)健康管理樹立了新標桿。隨著各行各業(yè)不斷采用智能技術(shù)，像AVS系列這樣的先進傳感器將在推動下一代工業(yè)自動化與維護發(fā)展方面發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。 此解決方案有何優(yōu)勢？ 全新AVS傳感器系列的一大核心優(yōu)勢在于重新定義了狀態(tài)監(jiān)控。傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控(CbM)需要傳感器、大量布線以及專用的數(shù)據(jù)采集/處理單元。而借助智能AVS傳感器，所有這些功能如今都可在傳感器內(nèi)部完成。分析結(jié)果能直接發(fā)送至可編程邏輯控制器(PLC)或監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)。通過使用數(shù)字RS-485接口，僅需一根線纜就能連接多個傳感器。 另一重要優(yōu)勢是AVS傳感器應(yīng)用的靈活性：器件正常運行時，僅需發(fā)送計算得出的參數(shù)；若需要更深入的分析，則可發(fā)送原始振動信號并進行解析。 AVS 1001HF和AVS 1003LF傳感器 AVS 1001HF傳感器 AVS 1001HF是一款單軸數(shù)字式高頻加速度計，除了可測量振動外，還具備溫度檢測功能。這款傳感器可對振動加速度信號進行處理，通過工業(yè)標準的RS-485數(shù)字接口及Modbus協(xié)議輸出數(shù)據(jù)。它能提供兩類數(shù)據(jù)：振動原始數(shù)據(jù)流或經(jīng)計算得出的振動信號參數(shù)（見圖1）。 
圖1.AVS 1001HF傳感器 AVS 1003LF傳感器 AVS 1003LF是一款三軸數(shù)字式低頻加速度計。與AVS 1001HF類似，它可同時測量振動與溫度，并通過RS-485接口及Modbus協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，旨在實現(xiàn)三個軸向的全方位監(jiān)測（見圖2）。
圖2.AVS 1003LF傳感器。 這兩款傳感器的詳細技術(shù)指標參見表1。 表1.技術(shù)規(guī)格
應(yīng)用： • 保護 • 機器監(jiān)測 • 狀態(tài)評估 • 動態(tài)狀態(tài)測量 新型AVS傳感器系列的優(yōu)勢 直接訪問數(shù)字數(shù)據(jù) 集成了數(shù)字數(shù)據(jù)直接訪問功能后，無需大量布線，也無需專用的數(shù)據(jù)采集/處理單元，所有功能均在傳感器內(nèi)部完成，不僅顯著簡化了安裝流程，還降低了整體成本。 應(yīng)用的多功能性 AVS傳感器具備出色的多功能性。正常運行時，僅發(fā)送計算得出的參數(shù)，可節(jié)省帶寬和處理能力；如需更深入的分析，可傳輸并解析原始振動信號，從而更透徹地掌握機械的狀態(tài)。 可靠的數(shù)據(jù)傳輸 通過使用數(shù)字RS-485接口，單根線纜即可連接多個傳感器，確保在1公里范圍內(nèi)實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，從而盡可能地減少了工業(yè)噪聲干擾，同時為傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴展提供了便利。 高精度與低噪聲 兩款傳感器均具有高靈敏度和低噪聲特性，提升了振動數(shù)據(jù)的準確性。AVS 1001HF的靈敏度高達100 mV/g，噪聲密度為4 μg/√Hz；AVS 1003LF的噪聲密度為80 μg/√Hz，即便在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，也能保證測量的精準性。 MEMS技術(shù) 此類傳感器的核心優(yōu)勢源于MEMS技術(shù)，能夠?qū)⑽⑿统叽缗c高性能有效結(jié)合。MEMS傳感器具備堅固耐用的特性，對于高要求的工業(yè)應(yīng)用而言至關(guān)重要。 高帶寬和三軸傳感的重要性 高帶寬：用于捕捉故障 ADXL1002單軸加速度計擁有11 kHz、3 dB的帶寬，對捕捉高頻軸承及齒輪故障而言不可或缺，因為低帶寬傳感器極易遺漏此類故障。憑借高帶寬能力，可對關(guān)鍵部件進行精細化分析，確保及早發(fā)現(xiàn)并預(yù)防潛在故障（見圖 3）。
圖3.ADXL1002的頻率響應(yīng)、高頻(>5 kHz)振動響應(yīng)； 三軸傳感：實現(xiàn)全方位監(jiān)測 三軸傳感解決方案（如AVS 1003LF所提供的方案）對于預(yù)測單軸傳感器可能遺漏的故障至關(guān)重要。通過捕捉三個軸向的數(shù)據(jù)，這些傳感器能夠更全面地呈現(xiàn)機械的運行狀態(tài)，從而優(yōu)化故障預(yù)測與維護計劃的制定。 案例研究 AVS 1001HF與AVS 1003LF加速度計已整合至AMC云端狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中。傳感器采集的原始信號傳輸至邊緣處理單元，計算出診斷特征后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器�？蛻艨煽焖俦憬莸孬@取有關(guān)機械健康狀態(tài)的信息。系統(tǒng)提供的圖表包括：設(shè)備分布圖、自定義模擬圖（含柱狀圖等多種組件）、報警信息、趨勢圖、波形圖、頻譜圖等。圖4展示了系統(tǒng)提供的部分圖表。
圖4.可配置的柱狀圖 可配置的柱狀圖方便操作人員快速評估。若出現(xiàn)超限情況，柱形會改變顏色：黃色表示警告，紅色表示報警。還可添加圖片及其他組件，使信息更通俗易懂且直觀易用。 此外，通過數(shù)字協(xié)議（如Modbus、OPC UA和MQTT），可輕松實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。另一實用功能是能夠?qū)㈥P(guān)注的數(shù)據(jù)導(dǎo)出至文件，以便進行深入透徹的分析（見圖7）。
圖5.事件/警報視圖。 另一種一級圖表是事件/警報視圖（圖5）。操作人員可查看當(dāng)前活躍的閾值超限情況，也可查閱歷史變化記錄。當(dāng)然，系統(tǒng)提供了多種篩選選項，能讓操作人員大幅節(jié)省時間。
圖6.所選振動參數(shù)的歷史記錄。 趨勢圖展示了所選振動參數(shù)（均方根值和速度均方根值）的歷史變化（圖6）。用戶可快速掌握這些參數(shù)隨時間的變化特征，例如波動性、上升趨勢，或與其他測量值的相關(guān)性。 有時，我們需要更深入的分析。多數(shù)情況下，需找出振動水平升高的原因，而對原始振動信號的分析正是探究根源的關(guān)鍵所在。振動專家可通過波形圖和頻譜圖對這些信號進行分析。
圖7.實時數(shù)據(jù)監(jiān)測 這些數(shù)據(jù)來自一臺篩分機，其上總共使用了8個傳感器（4個高頻傳感器和4個低頻傳感器）。圖8展示了其中一個安裝在軸承上的傳感器。
圖8.安裝于惡劣環(huán)境中的AVS傳感器解決方案。 安裝結(jié)果表明，這些傳感器不僅功能完備，且具備在惡劣環(huán)境中持續(xù)監(jiān)測資產(chǎn)狀態(tài)的能力。 結(jié)語 AVS 1001HF和AVS 1003LF加速度計代表了工業(yè)資產(chǎn)健康監(jiān)測領(lǐng)域的重大進步。通過整合高頻與低頻振動測量能力，結(jié)合實時數(shù)據(jù)處理與傳輸功能，這些傳感器為預(yù)測性維護提供了全方位解決方案。它們易于集成、用途廣泛且精度出眾，成為工業(yè)環(huán)境中提升生產(chǎn)效率、減少停機時間、優(yōu)化維護策略的得力助手。 AVS傳感器系列重新定義了狀態(tài)監(jiān)控，不僅提高了機械設(shè)備的運行效率，更為工業(yè)資產(chǎn)健康管理樹立了新標桿。隨著各行各業(yè)不斷采用智能技術(shù)，像AVS系列這樣的先進傳感器將在推動下一代工業(yè)自動化與維護發(fā)展方面發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。 參考文獻 1 Graham Immerman，“The Actual Cost of Downtime in the Manufacturing Industry”，IIoT World，2018年11月。 2 “What Downtime Really Costs—and Why Maintenance Contracts Make Sense”，Sumitomo Drive Technologies，2025年4月 作者簡介 Shuai Ren是ADI公司工業(yè)自動化業(yè)務(wù)部智能運動與機器人團隊的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，主要研究領(lǐng)域包括狀態(tài)監(jiān)控、工業(yè)通信設(shè)計及磁傳感技術(shù)。他擁有愛爾蘭高威大學(xué)工程碩士學(xué)位。 Tomasz Potaczała現(xiàn)任技術(shù)總監(jiān)，在嵌入式系統(tǒng)部門的任務(wù)規(guī)劃、流程建立及運營活動組織方面擁有15年以上經(jīng)驗。作為電子工程師，他在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、項目管理及質(zhì)量保障領(lǐng)域積淀了深厚專業(yè)素養(yǎng)，畢業(yè)于AGH科技大學(xué)，獲電子工程碩士學(xué)位。目前，他擔(dān)任AMC TECH股份有限公司嵌入式系統(tǒng)部門負責(zé)人，已參與近20個研發(fā)項目。 | ||||||||||||||||||||||||||||||
