选择合适的加速度计

加速度计用于重型、高端机械的状态监测，如风车、工业泵、压缩机和HVAC系统。然而，最近，数字化转型的趋势增加了为大批量、小型机械开发加速度计的需求。这包括机器主轴、传送带、分拣台和机床等应用。然而，这样做不仅需要更好的预测性维护，还需要更有效地管理机器停机时间，以增强客户体验和整体盈利能力。这些不断变化的市场动态增加了为工业状态监测应用选择最佳加速度计的需求:压电(PE)加速度计或可变电容(VC)传感器。为了支持决策过程，下面是对这两种不同技术的回顾。选择规范参数用于比较功能——所有这些对于提供长期、可靠、稳定和准确的性能都是至关重要的。压电振动传感器PE加速度计包含自生压电晶体，当受到振动机械引起的外部激励时提供信号。大多数压电传感器都是基于锆钛酸铅陶瓷(PZT)，其极化以排列偶极子并使晶体具有压电性。PZT晶体是状态监测应用的理想选择，因为它们提供宽温度范围，宽动态范围和宽频率带宽(可用到>20kHz)。在今天的市场上，主要有两种类型的PE加速度计设计:压缩模式和剪切模式。压缩模式设计是通过对PE晶体施加压力来压缩的，通常是通过在晶体顶部加载质量并施加预加载力来组装的。由于其性能限制，这些设计已经过时，并且越来越不受欢迎，因为结构容易受到安装基础应变和更高的热漂移的影响。剪切模式设计通常具有环形剪切晶体和固定在支撑柱上的环形质量。这种设计提供了优越的性能，因为底座是隔离的，对热应力的敏感性较小，稳定性得到了提高。目前提供的大多数PE加速度计都是剪切模式设计，因为这显然是更有效的选择。可变电容传感器变电容(VC)传感器从在两个平行电容板之间运动的地震质量的电容变化中获得加速度测量值。电容的变化与施加的加速度成正比。VC加速度计需要集成电路与传感元件紧密耦合，以将非常小的电容变化转换为电压输出。这种转换过程往往导致较差的信噪比和有限的动态范围。VC传感器通常由硅片制成，并制成微型微机电系统(MEMS)芯片。如前所述，对PE加速度计和宽带MEMS VC加速度计进行有意义的比较审查需要部署关键性能规格。两个加速度计的满量程为±50g，这些规格包括:宽频率响应;测量分辨率和动态范围;具有最小漂移的长期稳定性;工作温度范围; packaging options and ease of installation; and sensor output options.宽频率响应加速度计的频率响应在SPEKTRA GmbH CS18高频校准激振器上进行了测试，频率范围为5Hz至20KHz。传感器安装牢固，以确保在整个测试范围内获得准确的结果。对PE和MEMS VC两种技术的传感器进行测试，以确保结果一致。假设最大±1dB的振幅偏差为可用带宽，尽管通常使用更严格的±5%偏差作为带宽公差。数据表明，VC MEMS传感器的可用带宽高达3KHz，而PE传感器的可用带宽>10KHz(这个特定的PE传感器在规格内高达14KHz)。值得注意的是，PE传感器的低频截止为2Hz，而MEMS传感器的响应降至0Hz，因为它是直流响应器件。测量分辨率和动态范围为了确定压电和VC MEMS传感器的测量分辨率和动态范围，样品在具有微米测量分辨率的最先进测量设备的噪声隔离室中进行了测试。这些单元安装在同一个腔室中，同时进行测试，以消除外部环境干扰的误差。测量在四种不同的带宽设置下进行，并在每种设置下测量残余噪声。结果详见表1。测量分辨率和动态范围基于0.03-10KHz带宽计算，详见表2。PE传感器的分辨率大约是VC MEMS传感器的9倍。这将产生更好的动态范围，使最终用户能够在更早的阶段检测到潜在的问题。长期稳定，最小漂移经过30多年的现场安装，PE传感器的长期稳定性得到了很好的证明。众所周知，PE晶体具有固有的稳定性，其长期漂移参数取决于所使用的晶体配方。虽然石英在任何PE加速度计中都具有最佳的长期稳定性，但由于输出和成本有限，它很少用于状态监测应用。相反，PZT晶体最常用于PE加速度计，并且越来越多地成为大多数应用中晶体的选择。VC MEMS加速度计也有广泛的规格限制，长期漂移取决于MEMS设计结构。大块微机械MEMS传感器将具有最佳的长期漂移，但也将显着更昂贵。因此，它们通常只用于惯性应用。因此，MEMS供应商提供用于状态监测的表面微机械VC MEMS传感器，这要便宜得多，但牺牲了测量分辨率和长期稳定性。工作温度范围PE和VC MEMS加速度计的工作温度范围是相当的。这两种传感器都可以在典型环境范围为-40°C至125°C的状态监测应用中工作。在某些极端安装中，可能需要更高温度范围的传感器，充电模式PE传感器将是推荐的选择。充电模式PE加速度计不包括板载电荷转换电路，可用于温度超过700°C。对于小型机械的状态监测装置，尺寸和安装选项可以成为选择加速度计的重要因素。大型机械通常使用外部TO-5螺柱安装的加速度计，但对于具有较小轴承和旋转轴的机械，则必须使用嵌入式或微型加速度计。大多数VC MEMS加速度计都采用表面贴装技术封装，这是大批量印刷电路板组装的理想选择。VC MEMS传感器也提供小尺寸，以创造更多的封装选择。PE加速度计提供各种配置。SMT封装版本类似于VC MEMS，但SMT封装的尺寸通常大于VC MEMS设计。 PE accelerometers also are offered in rugged TO-5 can packages with a stainless-steel housing. These designs allow for direct mounting to bearing housings or embedded installations.传感器输出选项根据安装和应用，可能需要选择传感器输出信号选项。目前大多数预测性维护装置都需要来自传感器的模拟信号，从而允许最终用户决定对特定机械部件监控哪些参数。通常，信号输出由数据采集或PLC接口驱动，模拟输出(±2或±5V)是最常见的选择。然而，对于需要长电缆长度的安装，环路供电的4-20mA传感器也很常见。随着工业4.0专注于自动化和数据交换来重塑制造技术，数字化工厂是未来。数字输出信号将变得更加普遍，带有板载微处理器的智能传感器也将变得更加普遍，从而为最终用户提供即时维护决策所需的信息。这些输出信号选项将可用于PE和VC MEMS传感器技术。明确的选择基于这一分析，鉴于PE传感器成熟的技术、可靠性和长期稳定性，它是状态监测装置的明显选择。更重要的是，嵌入式PE加速度计是低速到高速机械的理想选择，因为它们的频率响应宽，能够为早期故障检测提供更好的信号分辨率。术语和定义宽频响:为了检测机器中所有可能的故障模式，对于轴承监测，加速度计的频率响应应该是轴RPM(每分钟转数)的40到50倍。对于风扇和齿轮箱，加速度计的最小上限应为叶片通过频率的4 ~ 5倍。测量分辨率和动态范围:振动传感器的测量分辨率是与机载电子设备的宽带噪声有关的输出信号幅度的函数。具有优越信号输出的加速度计允许测量机械中较小的振动水平，使最终用户能够比具有较低动态范围的传感器更早地预测故障。作为一项规则，输出信号应比传感器的噪声电平高10倍，以使输出成为可靠的测量。长期稳定性:长期漂移是灵敏度或零输出测量的移位(零输出漂移仅适用于MEMS传感器)。随着时间的推移，加速度计灵敏度的变化可能会在监控应用程序中触发假警报，而零输出测量的变化也会产生同样的效果。由于压电传感器没有直流响应，它们不受零漂移的影响，只有灵敏度漂移。MEMS VC传感器可以同时具有零和灵敏度随时间漂移。Bjorn Ryden是TE Connectivity振动传感器的全球产品经理。本文发表在面向工程师的IIoT补充的控制工程和设备工程。请参阅下面增刊中的其他文章。

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