在自動化程度提高的推動下，對大批量、小型係統的需求不斷增長，例如需要更好的預測性維護的機器主軸、傳(chuan) 送帶、分揀台或機床。
這些應用中的機器停機時間是客戶體(ti) 驗和盈利能力的關(guan) 鍵考慮因素。過去，加速度計主要用於(yu) 重型高端機械的狀態監測，例如風車、工業(ye) 泵、壓縮機和暖通空調係統。然而，在數字工業(ye) 轉型的推動下，我們(men) 看到對大批量和小型機械的需求不斷增加。本白皮書(shu) 將比較工業(ye) 狀態監測中加速度計的不同技術。
對於(yu) 工業(ye) 狀態監測和預測性維護應用，以下振動規格參數被認為(wei) 對於(yu) 確保長期、可靠、穩定和準確的性能至關(guan) 重要。
• 寬頻率響應
• 測量分辨率和動態範圍
• 長期穩定性和最小漂移
• 工作溫度範圍
• 封裝選項和易於(yu) 安裝
• 傳(chuan) 感器輸出選項
為(wei) 了檢測機械所有可能的故障模式，加速度計的頻率響應應為(wei) 用於(yu) 軸承監測的軸RPM（每分鍾轉數）的40至50倍。對於(yu) 風扇和齒輪箱，加速度計的最小上限應為(wei) 葉片通過頻率的4至5倍。頻率下限不太重要，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 機械；很少需要 <2Hz 的頻率。
振動傳(chuan) 感器的測量分辨率是輸出信號幅度與(yu) 板載電子設備寬帶噪聲的函數。具有卓越信號輸出的加速度計可以測量機械中較小的振動水平。測量較低振動幅度的能力使最終用戶能夠比具有較低動態範圍的傳(chuan) 感器更早地預測故障。
還有其他因素會(hui) 影響測量分辨率，例如環境條件、EMI/RFI（電磁和射頻）幹擾、DAQ（定義(yi) 數據采集）接口和電纜長度，因此選擇安裝時需要考慮所有因素。
作為(wei) 一般規則，輸出信號應比傳(chuan) 感器噪聲水平高 10 倍，輸出才能成為(wei) 可靠的測量結果。
測量分辨率的簡單方程如下：
分辨率 (g's) = 寬帶噪聲 (V) / 傳(chuan) 感器靈敏度 (V/g)
長期漂移是靈敏度和/或零輸出測量的變化（零輸出漂移僅(jin) 適用於(yu) MEMS 傳(chuan) 感器）。隨著時間的推移，加速度計靈敏度的變化可能會(hui) 在監控應用中觸發誤報。零輸出測量的偏移也會(hui) 產(chan) 生相同的效果，可能導致誤報指示。由於(yu) 壓電傳(chuan) 感器沒有直流響應，因此它們(men) 不易受到零漂移的影響，僅(jin) 受到靈敏度漂移的影響。 MEMS VC 傳(chuan) 感器隨著時間的推移可能會(hui) 出現零漂移和靈敏度漂移。
在下一節中，我們(men) 將回顧為(wei) 狀態監測應用提供的兩(liang) 種不同類型的技術。
壓電 (PE) 加速度計采用自發電壓電晶體(ti) ，並在受到外部激勵（例如振動機械）壓力時提供信號。
大多數壓電傳(chuan) 感器都基於(yu) 鋯鈦酸鉛陶瓷 (PZT)，該陶瓷通過極化來對齊偶極子並使晶體(ti) 壓電。 PZT 晶體(ti) 非常適合狀態監測應用，因為(wei) 它們(men) 具有寬溫度範圍、寬動態範圍和寬頻率帶寬（可用至 >20kHz）。
基本上有兩(liang) 種主要類型的 PE 加速度計設計可用：壓縮模式和剪切模式（彎曲模式是很少使用的替代方案）。
壓縮模式設計是通過在晶體(ti) 頂部加載質量並施加預緊力來對壓電晶體(ti) 施加壓縮應力來組裝的。由於(yu) 性能限製，這些設計已經過時並且越來越不受歡迎。該結構容易受到安裝基座應變的影響，並且具有較高的熱漂移。
剪切模式設計通常具有環形剪切晶體(ti) 和固定在支撐柱上的環形質量。與(yu) 壓縮模式設計相比，該設計具有卓越的性能，因為(wei) 它是底座隔離的，並且更不易受到熱應力的影響，從(cong) 而確保了更高的穩定性。目前提供的大多數狀態監測加速度計設計都是剪切模式，應該成為(wei) 大多數狀態監測安裝的設計選擇。
壓縮模式 剪切模式
可變電容 (VC) 傳(chuan) 感器根據在兩(liang) 個(ge) 平行電容器板之間移動的地震質量的電容變化來獲取加速度測量值。電容的變化與(yu) 施加的加速度成正比。 VC 加速度計需要 IC 與(yu) 傳(chuan) 感元件緊密耦合，以將非常小的電容變化轉換為(wei) 電壓輸出。這種轉換過程通常會(hui) 導致信噪比較差和動態範圍有限
VC 傳(chuan) 感器通常由矽晶圓製成，並被製成微型 MEMS（微機電係統）芯片。
頻率響應表
對於(yu) 工業(ye) 狀態監測和預測性維護應用，以下振動規格參數被認為(wei) 對於(yu) 確保長期可靠、穩定和準確的性能至關(guan) 重要。
• 寬頻率響應
• 測量分辨率和動態範圍
• 長期穩定性和最小漂移
• 工作溫度範圍
• 封裝選項和易於(yu) 安裝
• 傳(chuan) 感器輸出選項
在以下段落中，對典型壓電狀態監測加速度計和同樣用於(yu) 狀態監測應用的寬帶寬 MEMS 可變電容加速度計的這些關(guan) 鍵性能規格進行了比較。兩(liang) 個(ge) 加速度計的 FS（滿量程）範圍均為(wei) ±50g。
兩(liang) 個(ge) 加速度計的頻率響應在 SPEKTRA GmbH CS18 HF 高頻校準振動台上進行測試，範圍為(wei) 5Hz 至 20KHz。傳(chuan) 感器安裝牢固，以確保在整個(ge) 測試範圍內(nei) 獲得準確的結果。對每種技術（PE 和 MEMS VC）的三個(ge) 傳(chuan) 感器進行了測試，以確保結果一致。
測試結果如下所示。盡管通常使用更嚴(yan) 格的 ±5% 偏差作為(wei) 帶寬容差，但假定最大 ±1dB 幅度偏差為(wei) 可用帶寬。數據表明，VC MEMS 傳(chuan) 感器的可用帶寬高達 3KHz，而壓電傳(chuan) 感器的可用帶寬 >10KHz（該特定 PE 傳(chuan) 感器符合高達 14KHz 的規格）。
值得注意的是，PE 傳(chuan) 感器的低頻截止頻率為(wei) 2Hz，而 MEMS 傳(chuan) 感器的響應低至 0Hz，因為(wei) 它是直流響應器件
為(wei) 了確定壓電和 VC MEMS 傳(chuan) 感器的測量分辨率和動態範圍，我們(men) 在噪聲隔離室中對樣品進行了測試，並配備了具有微克測量分辨率的最先進的測量設備。這些裝置安裝在同一房間內(nei) 並同時進行測試，以消除外界環境幹擾造成的誤差。
測量在四種不同的帶寬設置下進行，並在每種設置下測量殘餘(yu) 噪聲。結果詳細見下表
| 模型 | 0.03-300Hz µV-rms | 0.03-1KHz µV-rms | 0.03-3KHz µV-rms | 0.03-10KHz µV-rms |
| PE #1 | 27.2 | 30.8 | 39.5 | 57.6 |
| PE #2 | 25.1 | 31.7 | 38.6 | 56.3 |
| MEMS #1 | 377.6 | 405.2 | 412.7 | 498.2 |
| MEMS #2 | 415.7 | 430.2 | 453.9 | 532.1 |
測量分辨率和動態範圍是基於(yu) 0.03-10KHz帶寬計算的，詳細信息如下。 PE 傳(chuan) 感器的分辨率比 VC MEMS 傳(chuan) 感器高約 9 倍。這帶來了顯著更好的動態範圍，使最終用戶能夠在更早的階段檢測到潛在的問題。
| 分辨率 | 殘留噪音 | 頻譜噪聲 | 動態範圍 | 分辨率 | |
| 模型 | mg-rms | µV-rms | µg-rms/√Hz | dB | bit |
| PE #1 | 1.4 | 57.6 | 14.4 | 88 | 14.6 |
| PE #2 | 1.4 | 56.3 | 14.1 | 88 | 14.6 |
| MEMS #1 | 12.5 | 498.2 | 124.6 | 69 | 11.5 |
| MEMS #2 | 13.3 | 532.1 | 133.0 | 68 | 11.4 |
PE 傳(chuan) 感器的長期穩定性在 30 多年的現場安裝中眾(zhong) 所周知。壓電晶體(ti) 本質上是穩定的，並且隨著時間的推移顯示出優(you) 異的穩定性。長期漂移參數還取決(jue) 於(yu) 所使用的晶體(ti) 配方，因此很難給出實際值。石英在所有 PE 加速度計中具有最佳的長期穩定性，但由於(yu) 產(chan) 量和成本有限，很少用於(yu) 狀態監測應用。 PZT（鋯鈦酸鉛）晶體(ti) 是 PE 加速度計中最常用的晶體(ti) ，並且越來越成為(wei) 大多數應用的晶體(ti) 選擇。
根據 MEMS 設計結構，可變電容 MEMS 加速度計還具有長期漂移的寬規格限製。塊狀微機械 MEMS 傳(chuan) 感器將具有最佳的長期漂移，但也將更加昂貴，並且通常僅(jin) 用於(yu) 慣性應用。對於(yu) 狀態監測，MEMS 供應商提供表麵微機械加工的 VC MEMS 傳(chuan) 感器，這種傳(chuan) 感器價(jia) 格便宜得多，但最終用戶將犧牲測量分辨率和長期穩定性。表麵微機械設計的 MEMS 結構不如體(ti) 微機械 MEMS 傳(chuan) 感器穩定。
PE 和 VC MEMS 加速度計的工作溫度範圍相當，均適用於(yu) 狀態監測應用的典型環境（-40°C 至 +125°C）。在某些極端安裝中，可能需要更高溫度範圍的傳(chuan) 感器，其中推薦選擇充電模式壓電傳(chuan) 感器。充電模式 PE 加速度計不包括板載電荷轉換器電路，可用於(yu) 超過 +700°C 的溫度。
對於(yu) 小型機械的嵌入式狀態監測安裝，尺寸和安裝選項可能成為(wei) 選擇加速度計的重要因素。較大的機械通常使用外部TO-5 螺柱安裝加速度計，但對於(yu) 具有較小軸承和旋轉軸的機械，則需要使用嵌入式或微型加速度計。
大多數 VC MEMS 加速度計均采用SMT 安裝封裝，非常適合大批量 PCBA 組裝。 VC MEMS 傳(chuan) 感器還采用非常小的封裝，從(cong) 而提供更多封裝選擇。
PE 加速度計有多種配置。提供 SMT 安裝版本，與(yu) VC MEMS 類似，但 SMT 封裝的尺寸通常大於(yu) VC MEMS 設計。 PE 加速度計還采用堅固的 TO-5 罐封裝，帶有不鏽鋼外殼。這些設計允許直接安裝到軸承箱或嵌入式安裝。下圖展示了 PE 傳(chuan) 感器提供的一些選項。
根據安裝和應用，可能需要選擇傳(chuan) 感器輸出信號選項。當前大多數預測性維護裝置都需要來自傳(chuan) 感器的模擬信號，以便最終用戶可以決(jue) 定監控特定機械的哪些參數。通常，信號輸出由 DAQ 或 PLC 接口驅動，模擬輸出（±2V 或 ±5V）是最常見的選擇。然而，對於(yu) 需要長電纜的安裝，回路供電的 4-20mA 傳(chuan) 感器也很常見。對於(yu) 未來的數字工廠和工業(ye) 4.0，對數字輸出信號的需求將變得更加普遍，帶有板載微處理器的智能傳(chuan) 感器也將變得更加普遍，可以為(wei) 最終用戶立即做出維護決(jue) 策。
這些輸出信號選項將在 PE 和 VC MEMS 傳(chuan) 感器中提供。兩(liang) 種技術都有能力提供這些功能。
前麵段落中討論的全部或部分性能參數將幫助客戶對為(wei) 狀態監測裝置選擇的技術做出明智的決(jue) 定。下表提供了快速摘要。
| 關鍵參數 | 壓電式 | 微機電係統VC |
| 寬頻率響應 | X | |
| 長期信號穩定性 | X | |
| 動態範圍 | X | |
| 工作溫度範圍 | X | X |
| 包裝選項 | X | X |
| 易於安裝 | X | X |
| 傳感器輸出選項 | X | X |
比較 MEMS 和 PE 加速度計，我們(men) 看到了不同的技術特征。這兩(liang) 種技術各有優(you) 勢，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 最終應用。在我們(men) 的工業(ye) 狀態監測和預測性維護應用中，壓電傳(chuan) 感器是顯而易見的選擇，由於(yu) 其成熟的技術，它們(men) 可以保持可靠的長期穩定性。憑借其寬頻率響應，嵌入式 PE 加速度計是從(cong) 低速到高速機械的理想選擇，它們(men) 還為(wei) 早期故障檢測提供更好的信號分辨率。
• G-Link-200-8G 無線三軸加速度傳(chuan) 感器
• G-Link-200-R 無線加速度傳(chuan) 感器
• G-Link-200-OEM 嵌入式無線加速度傳(chuan) 感器
• BeanDevice WIFI Wilow AX-3D 無線振動傳(chuan) 感器
• BeanDevice Wilow® X -INC 無線物聯網組合傳(chuan) 感器
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