介紹

基于狀態(tài)的監(jiān)控 (CbM) 涉及使用傳感器監(jiān)控機(jī)器或資產(chǎn)以測(cè)量當(dāng)前的健康狀況。預(yù)測(cè)性維護(hù) (PdM) 包括 CbM、機(jī)器學(xué)習(xí)和分析等技術(shù)，用于預(yù)測(cè)即將發(fā)生的機(jī)器或資產(chǎn)故障。在監(jiān)測(cè)機(jī)器的健康狀況時(shí)，選擇最合適的傳感器以確保能夠檢測(cè)、診斷甚至預(yù)測(cè)故障至關(guān)重要。

最好的 PdM 策略是有效地利用盡可能多的技術(shù)和傳感器來(lái)及早檢測(cè)故障，并且具有很高的置信度，因此沒(méi)有一種傳感器適合所有人的解決方案。在這里，我們將試圖闡明為什么預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器對(duì)于早期檢測(cè) PdM 應(yīng)用程序中的故障至關(guān)重要，以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

系統(tǒng)故障時(shí)間表

圖 1顯示了從安裝新電機(jī)到電機(jī)故障的事件模擬時(shí)間線以及推薦的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器類(lèi)型。安裝新電機(jī)時(shí)，它在保修期內(nèi)。幾年后，保修期滿，此時(shí)將實(shí)施更頻繁的人工巡檢團(tuán)。

圖 1：機(jī)器健康狀況與時(shí)間關(guān)系圖顯示了在電機(jī)通過(guò)保修周期時(shí)檢測(cè)到故障的預(yù)期時(shí)間。（來(lái)源：Analog Devices）

如果在這些定期維護(hù)檢查之間出現(xiàn)故障，則可能會(huì)出現(xiàn)計(jì)劃外停機(jī)。在這種情況下，至關(guān)重要的是擁有正確的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器來(lái)盡早檢測(cè)潛在故障。因此，我們將專(zhuān)注于振動(dòng)和聲學(xué)傳感器。振動(dòng)分析通常被認(rèn)為是 PdM 的最佳起點(diǎn)。

傳感器和系統(tǒng)故障注意事項(xiàng)

工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中超過(guò) 90% 的旋轉(zhuǎn)機(jī)械都使用滾動(dòng)軸承。電機(jī)故障部件的分布表明，在選擇 PdM 傳感器時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注軸承監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。為了檢測(cè)、診斷和預(yù)測(cè)潛在故障，振動(dòng)傳感器必須具有低噪聲和寬帶寬能力。

表 1顯示了與旋轉(zhuǎn)機(jī)器相關(guān)的一些最常見(jiàn)故障以及用于 PdM 應(yīng)用的一些相應(yīng)的振動(dòng)傳感器要求。為了盡早檢測(cè)到故障，PdM 系統(tǒng)通常需要高性能傳感器。資產(chǎn)上使用的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器的性能水平與資產(chǎn)在整個(gè)過(guò)程中持續(xù)可靠運(yùn)行的重要性以及資產(chǎn)的成本相關(guān)。

表 1：機(jī)器故障和振動(dòng)傳感器注意事項(xiàng)的簡(jiǎn)要概述（來(lái)源：Analog Devices）

PdM 傳感器

微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 超聲波麥克風(fēng)分析能夠在可聞噪聲增加的情況下監(jiān)測(cè)復(fù)雜資產(chǎn)中的電機(jī)健康狀況，因?yàn)樗梢允章?tīng)非可聽(tīng)頻譜（20kHz 至 100kHz）中的聲音，而那里的聲音要少得多噪音。低頻可聽(tīng)信號(hào)的波長(zhǎng)通常在大約 17 毫米到 17 米長(zhǎng)的范圍內(nèi)。高頻信號(hào)的波長(zhǎng)范圍從大約 3 毫米到 16 毫米長(zhǎng)。當(dāng)波長(zhǎng)的頻率增加時(shí)，能量增加，使超聲波更具指向性。這在試圖查明軸承或外殼中的故障時(shí)非常有用。

加速度計(jì)是最常用的振動(dòng)傳感器，振動(dòng)分析是應(yīng)用最廣泛的 PdM 技術(shù)，主要用于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，如渦輪、泵、電機(jī)和齒輪箱。表 2顯示了在選擇高性能 MEMS 振動(dòng)和聲學(xué)傳感器與黃金標(biāo)準(zhǔn)壓電振動(dòng)傳感器時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵規(guī)格。

表 2：預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器性能規(guī)格

*MEMS 加速度計(jì)模塊的成本可能超過(guò) 30 美元，但它們是全系統(tǒng)解決方案，而所有其他引用的部件都只是傳感器。
**關(guān)鍵：最差、中等、最佳

雖然很難推薦在 PdM 系統(tǒng)中使用單個(gè)振動(dòng)傳感器，但加速度計(jì)有成功的歷史，并且會(huì)繼續(xù)發(fā)展和改進(jìn)。Analog Devices 提供一系列 MEMS 加速度計(jì)，包括通用、低功耗、低噪聲、高穩(wěn)定性和高g，以及圖 2所示的智能邊緣節(jié)點(diǎn)模塊。ADcmXL3021三軸振動(dòng)傳感器是專(zhuān)用 PdM 模塊解決方案的一個(gè)很好的例子。Analog Devices 率先將一系列支持 PdM 的 MEMS 加速度計(jì)（20kHz+ 帶寬，25μg /√Hz 噪聲密度）推向市場(chǎng)，并且仍然是唯一一家具有這些性能水平的 MEMS 加速度計(jì)供應(yīng)商。

圖 2：具有集成 ADC、處理器、FFT 和統(tǒng)計(jì)功能的三軸 MEMS CbM 模塊，以及諧振頻率超過(guò) 50kHz 的機(jī)械封裝。（來(lái)源：Analog Devices）

在為您的 PdM 解決方案選擇最合適的振動(dòng)傳感器時(shí)，真正的挑戰(zhàn)在于配對(duì)傳感器以滿足資產(chǎn)最可能的潛在故障模式。MEMS 麥克風(fēng)尚未被證明足夠穩(wěn)健，無(wú)法在最?lèi)毫拥沫h(huán)境中可靠地檢測(cè)所有基于振動(dòng)的故障模式。相比之下，作為振動(dòng)傳感行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的加速度計(jì)已成功實(shí)施并可靠地運(yùn)行了幾十年。MEMS 超聲波麥克風(fēng)在檢測(cè)軸承故障方面表現(xiàn)出比加速度計(jì)更早的有前途的性能，這種潛在的共生關(guān)系可以為您未來(lái)的資產(chǎn)振動(dòng)分析需求提供最佳 PdM 解決方案。

選擇最合適的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器 博客由 Chris Murphy 撰寫(xiě)，最初發(fā)布在 www.analog.com 上。Chris Murphy 和 Paul Golata 修改了 mouser.com 的博客。

審核編輯黃昊宇