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监控工业系统中MEMS振动传感器的构建

出处:电子发烧友 发布于:2019-03-14 13:36:18 | 209 次阅读

监控工业系统中的振动可以提供有关设备健康状况的宝贵数据,并可以节省成本的先发制人的维护,但是有许多不同的方法来构建这样的系统。可以使用简单的压电振动传感器,但需要数据采集和信号处理来捕获和分析数据。微机械(MEMS)传感器在汽车安全气囊和智能手机和平板电脑跌落传感器等应用中的应用越来越受欢迎,这大大提高了成本,并开启了这些传感器在工业应用中的应用。

这些MEMS加速度计采用标准CMOS工艺技术制造,可以大批量生产,也可以与传感器一起集成。这导致单封装设备可以提供沿所有三个轴的振动测量,以及时域和频域中的复杂信号处理。这使设计人员能够轻松开发收集各种数据的传感器系统,并识别许多不同类型的故障机制,提醒操作员注意各种工业设备中的潜在问题,以便节省成本的先发制人的维护。

工业机械的大多数振动包含低于1 kHz的频率,但相关的信号分量通常存在于更高的频率,这是选择振动传感器的关键考虑因素。如果已知旋转轴的运行速度,则感兴趣的最高频率可以是运行速度与支撑轴的轴承数量的乘积的谐波,并且围绕这些谐波会出现问题。然而,对于其他系统,故障模式的频率可能是未知的,因此可能需要更复杂的信号分析。

设备的类型决定了应用的高频要求,因此决定了传感器的选择。提供足够的频率范围,同时满足灵敏度和幅度范围要求。频率范围较低的传感器往往具有较低的电子噪声基底,从而增加了传感器的动态范围。对于应用而言,这个因素可能比高频测量更重要。

高度集成的MEMS加速度传感器的一个例子是ADI公司的ADIS16228 iSensor。这是一个完整的振动传感系统,它将三轴加速度传感与先进的时域和频域信号处理相结合。时域信号处理包括可编程抽取滤波器和可选择的窗口函数,而频域处理包括每个轴的512点实值FFT,以及FFT平均,这降低了噪声基底变化以获得更精细的分辨率。 14个记录的FFT存储系统使用户能够跟踪随时间变化并使用多个抽取滤波器设置捕获FFT。

20.48 kSPS采样率和5 kHz平坦频带提供适合许多机器运行状况的频率响应应用。内部时钟在所有操作期间驱动数据采样和信号处理系统,从而无需外部时钟源。数据捕获功能有三种模式,可提供多种选项以满足许多不同应用的需求,实时模式可在一个轴上直接访问流数据。 SPI和数据缓冲结构提供了对数据输出的便捷访问。 ADIS16228还提供数字温度传感器数字电源测量,以便为传感器节点本身提供诊断

监控工业系统中MEMS振动传感器的构建

图1:ADI三轴MEMS振动传感器的机械元件。

ADIS16228中的数字振动传感始于每个轴上的MEMS加速度计核心。这将速度的线性变化转换为代表性的电信号,使用如图1所示的微机械系统。该系统的机械部分包括两个不同的框架(一个固定,一个移动),其具有一系列板以形成可变差分电容网络。当经历与重力或加速度相关联的力时,移动框架相对于固定框架改变其物理位置,这导致电容的改变。微小弹簧将移动框架系在固定框架上,并控制加速度和物理位移之间的关系。移动板上的调制信号通过每个电容路径进入固定框架板并进入解调电路,解调电路产生与作用在器件上的加速度成比例的电信号。图2显示了简化的框图。 ADIS16228具有信号处理级,集成了时域数据捕获,数字抽取/滤波,窗口化,FFT分析,FFT平均和记录存储。

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图2:简化的传感器信号ADI16228的处理框图。

用户寄存器(包括输出寄存器和控制寄存器,如图2所示)管理用户对传感器数据和配置输入的访问。每个16位寄存器都有自己唯一的位分配和两个地址:一个用于高位字节,另一个用于低位字节。数据收集和配置命令使用SPI,它由四条线组成。芯片选择(CS)信号激活SPI接口,串行时钟(SCLK)同步串行数据线。输入命令在SCLK上升沿一次一位地插入DIN引脚。输出数据从SCLK下降沿的DOUT引脚输出。当SPI用作从设备时,DOUT内容反映了使用DIN命令请求的信息双存储器结构

用户寄存器为SPI接口中的所有输入/输出操作提供寻址,以使用双存储器结构简化与传感器节点的接口。控制器使用SRAM寄存器进行正常操作,包括用户配置命令,而闪存为具有闪存备份的控制寄存器提供非易失性存储。将配置数据存储在闪存中需要手动闪存更新命令,以便在器件上电或复位时,闪存内容加载到SRAM中,器件根据控制寄存器中的配置开始生成数据。

ADIS16228使用SPI进行通信,可通过兼容的嵌入式处理器平台实现简单连接。 DIO1的出厂默认配置提供忙碌指示信号,当事件完成且数据可供用户访问时,该信号转换为低电平。如有必要,DIO_CTRL寄存器用于重新配置DIO1和DIO2。

用户控制寄存器控制大多数内部操作。 DIN位序列提供了一次一个字节写入这些寄存器的能力。某些配置更改和功能只需要一个写周期。例如,设置GLOB_CMD [11] = 1(DIN = 0xBF08)将启动手动捕获序列。在最后一位进入DIN时钟(第16个SCLK上升沿)后立即开始手动捕捉。其他配置可能需要写入两个字节。

记录模式选择建立数据类型(时域或频域),触发类型(手动或自动)和数据收集(捕获或实时)。 REC_CTRL1 [1:0]位提供四种工作模式:手动FFT,自动FFT,手动时间捕获和实时。设置REC_CTRL1后,手动FFT,自动FFT和手动时间捕获模式需要启动命令才能开始采集频谱或时域记录。此模式下有两个启动命令选项:SPI和I/O. SPI触发器涉及设置GLOB_CMD [11] = 1(DIN = 0xBF08)。 I/O触发器涉及使用DIO_CTRL将DIO1或DIO2配置为输入触发线。

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图3:ADIS16228安装在其评估板上。

MEMSIC MXR7250VW是一款低成本的双轴加速度计,采用标准的亚微米CMOS工艺制造,采用另一种方法。它可以测量加速度,满量程范围为±5 g,灵敏度为250 mV/g。

MXR7250VW在电源电压的50%处提供高于/低于零g点的g比例比率模拟输出。典型的本底噪声为0.6 mg/Hz,允许在1 Hz带宽下分辨低于1 mg的信号。器件的3 dB衰减发生在27 Hz。

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图4:MXR7250VW双轴加速度计的框图。

MXR7250VW采用密封LCC封装表面贴装封装(5.5 mm x 5.5 mm x 2.7 mm高度),封装可用作XY和XZ传感,工作温度为-40°C至+ 95°C。

Memsic的加速度计技术允许适用于±1 g至±70 g的设计,定制版本可在±70 g以上。它可以测量动态加速度(如振动)和静态加速度(如重力下降)。该设计基于热对流并且不需要固体检测质量,并且像其他具有检测质量的加速度计一样运行,除了它是传感器中的气体。用这种方法,以硅芯片为中心的单个热源是悬在一个空腔上。等间距的铝/多晶硅热电堆(热电偶组)等距地位于热源的所有四个侧面上(双轴)。在零加速度下,温度梯度关于热源对称,因此所有四个热电堆的温度相同,导致它们输出相同的电压。由于自由对流传热,任何方向的加速都会扰乱温度分布,导致其不对称。因此,四个热电堆的温度和电压输出将是不同的热电堆输出端的差分电压与加速度成正比。 MXR7250VW上有两个相同的加速度信号路径,一个用于测量X轴的加速度,另一个用于测量Y轴的加速度。使用对流方法可消除与其他MEMS设计相关的颗粒问题,并提供大于50,000 g的冲击存活率,从而在组装和客户现场应用中处理时,可显着降低故障率并降低损耗。

由于标准MXR7250VW的CMOS结构,附加电路可轻松集成到大批量应用的定制版本中。

API Technologies XL203A是一款坚固,小巧,精确的三轴模拟加速度计,适用于恶劣环境下的测量。该设备具有内置功率调节功能,电压输出与沿轴的加速度成正比。每个直流耦合传感器输出都经过完全缩放,参考和校准。 XL203A采用机械加工铝制外壳,符合MIL-A-8625标准,黑色阳极氧化处理,屏蔽电缆采用高温PVC护套和特氟龙绝缘导线。每个XL203A都附带校准证书,列出了灵敏度和偏移,以及确保快速有效的系统实现所需的轴上和横向校准参数。还有其他更简单的方法用压电晶体测量振动,如ACH来自Measurement Specialties的-01加速度计。

ACH-01(图5)是一款坚固的通用线性单轴加速度计,具有缓冲电子输出,可简化数据采集子系统的接口。它的灵敏度为10 mV/g,频率下限(-3 dB)为2 Hz。频率上限(+3 dB)为20 kHz,为检测到谐波提供了足够的空间,动态范围为±150 g,线性度为0.1%。

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图5 :ACH-01单轴加速度计。

可以与低成本的12位模数转换器连接,并通过I²C或SPI接口输出到微控制器或数字信号处理器。然后,这可以执行信号分析以监控设备。

振动本身甚至可以用于产生动力来驱动加速度计。诸如Mide V25W之类的压电设备不会监控振动,而是将振动能量转换为其他传感器供电。通过将健康设备的共振频率与传感器匹配,可以为其他传感器和无线链路生成峰值功率。这可以通过FFT分析,或通过调整传感器的位置直到它产生峰值功率来完成。然后,这允许将传感器放置在机器的不可接近的区域中,因为不需要更换电池。这样可以更加清晰地了解设备的性能

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图6:Mide V25W压电传感器可用于收集振动能量,为其他振动传感器供电。

结论

MEMS低成本CMOS制造的出现创造了一系列加速度计可用于监控设备的振动,以预警问题。许多加速度计用于检测静态运动,例如跌落,但是有些设备的可用范围超出被监控设备的1 kHz振动。能够分析这些谐波可以提供有关设备可能的故障机制的线索,并允许进行先发制人的维护。

CMOS的使用也允许数据转换和信号处理集成到单个封装,节省空间和设计复杂性。再加上使用压电能量收集装置,振动监测可以越来越有效地防止重要设备的故障并确保最大可能的可用性。

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