江蘇傳生電子科技有限公司
江蘇傳生電子科技有限公司
閱讀：78發(fā)布時間：2025-4-2
來源：PDP控制系統(tǒng)開發(fā)（ID：Embeded_Engineer），譯者：Mark Looney。
MEMS會量終于達到了能夠量測廣泛電腦網(wǎng)絡(luò)平臺振動的階段。其最近的潛能不斷進步，加上MEMS會量已近的相對于傳統(tǒng)振動傳感器的眾多優(yōu)勢（體積、總重量、成本、抗腐蝕性、需用性），使得兩類新經(jīng)濟的狀態(tài)監(jiān)視 (CBM) 控制系統(tǒng)開始采用MEMS會量。結(jié)果，許多CBM控制系統(tǒng)CTO、開發(fā)人員甚至其顧客考慮采用這類傳感器。他們面臨的問題經(jīng)常是如何快速介紹評估結(jié)果MEMS會量功能的方法，以期在其電腦網(wǎng)絡(luò)平臺上量測最關(guān)鍵性的振動優(yōu)點。這初看上去似乎很十分困難，因為MEMS會量統(tǒng)計數(shù)據(jù)指南論述最關(guān)鍵性操控性優(yōu)點的方式經(jīng)常不是開發(fā)人員所熟識的。例如，許多人熟識用角速度 (mm/s) 來定量振動，但絕大多數(shù)MEMS會量統(tǒng)計數(shù)據(jù)指南是用如前所述引力的角速度 (g) 來抒發(fā)其測試方法。幸運地的是，有一些簡單的技術(shù)需用來將角速度切換為速度，以及估算會量關(guān)鍵性優(yōu)點（增益、量測范圍、噪音表面積）對關(guān)鍵性控制系統(tǒng)級標準（頻寬、平緩度、值振動、解析度）的影響。
基本上振動優(yōu)點
先從慣性力體育運動視角實地考察非線性振動。在此大背景下，振動是平均值偏轉(zhuǎn)為零的機械設(shè)備共振。對于那些不希望其電腦橫越整個煉鐵廠的人來說，零平均值偏轉(zhuǎn)非常關(guān)鍵性！振動檢驗結(jié)點中核心理念傳感器的價值與它反映電腦振動最關(guān)鍵性優(yōu)點的潛能多寡直接相關(guān)。要評估結(jié)果某一MEMS會量在這點的潛能，首先必須從慣性力體育運動視角對振動有兩個基本上介紹。圖1是振動情況的力學(xué)左圖，棕色部份則表示中點，黃色部份則表示兩個路徑的值偏轉(zhuǎn)，黃色部份則表示另一路徑的值偏轉(zhuǎn)。下式提供了兩個敘述正方形球體脈動角速度的數(shù)學(xué)方法，其振動振幅為 (fv振動傳感器)，幅度為Arms。
圖1 簡單非線性振動
在大部份CBM應(yīng)用中，電腦網(wǎng)絡(luò)平臺的振動經(jīng)常有比上式所示模型更復(fù)雜的頻譜特征，但此模型為學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)之旅提供了兩個很好的出發(fā)點，因為它給出了CBM控制系統(tǒng)經(jīng)常會跟蹤的兩個常見振動優(yōu)點：幅度和振幅。此方法對關(guān)鍵性優(yōu)點到非線性速度項的切換也很有用（稍后將有更多說明）。圖2提供了兩類不同振動模式的頻譜視圖：第兩類（參見圖2中的藍線）在其振幅范圍（f1到f6）內(nèi)具有恒定幅度；第二類（參見圖2中的紅線）在四個不同振幅處出現(xiàn)了值幅度f2、f3、f4、和f5。
圖2 CM振動模式示例
控制系統(tǒng)要求
量測范圍、振幅范圍（頻寬）和解析度是用來定量振動檢驗結(jié)點潛能的三個常見優(yōu)點。圖2通過虛線正方形框顯示了這些優(yōu)點，其邊界分別對應(yīng)振幅 (fMIN振動傳感器)、振幅 (fMAX)、最小幅度 (AMIN) 和幅度 (AMAX)。當考慮將MEMS會量用作振動檢驗結(jié)點中的核心理念傳感器時，控制系統(tǒng)CTO很可能想在設(shè)計早期分析其增益、量測范圍和噪音行為。有一些簡單的技術(shù)需用來評估結(jié)果會量的各種優(yōu)點，進而預(yù)判其是否滿足的一組要求。很顯然，控制系統(tǒng)CTO最終必須通過實際驗證和鑒定來核驗上述估算，對會量潛能的早期分析和預(yù)測所得來的期望對這些工作是有價值的。
增益
圖2提供了兩個簡單的一階模型，其敘述了時域中MEMS會量對非線性角速度 (a) 的響應(yīng) (y)。在該關(guān)系中，偏置 (b) 則表示傳感器無振動時的輸出值。比例因子 (KA) 則表示MEMS會量響應(yīng) (y) 相對于非線性角速度 (a) 變化的改變量。
傳感器的增益敘述比例因子 (KA) 相對于振幅的值。在MEMS會量中，增益主要有兩個貢獻因素：機械設(shè)備結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和信號鏈中的濾波響應(yīng)。下式提供了兩個通用二階模型，其近似敘述了MEMS會量機械設(shè)備部份對振幅的響應(yīng)。在該模型中，fO則表示諧振振幅，Q則表示品質(zhì)因數(shù)。
信號鏈的貢獻經(jīng)常取決于應(yīng)用所需的濾波。某些MEMS會量采用單極點低通濾波器來幫助降低諧振振幅時的響應(yīng)增益。下式為這類濾波器相關(guān)的增益 (振動傳感器HSC) 提供了兩個通用模型。在該類濾波器模型中，截止振幅 (fC) 則表示輸出信號幅度比輸入信號低√2倍時的振幅。
下式將機械設(shè)備結(jié)構(gòu) (HM) 和信號鏈 (HSC) 的貢獻進行了合并。
圖3直接應(yīng)用此模型來預(yù)測ADXL356（x軸）的增益。此模型假設(shè)標稱諧振振幅為5500Hz，Q為17，采用截止頻為1500Hz的單極點低通濾波器。注意，上述四式僅敘述了傳感器的響應(yīng)。此模型未考慮會量與其監(jiān)視的網(wǎng)絡(luò)平臺的耦合方式。
圖3 ADXL356增益
頻寬與平緩度的關(guān)系
在利用單極點低通濾波器建立增益的信號鏈中，其頻寬規(guī)格經(jīng)常說明了其輸出信號提供輸入信號50%功率時的振幅。對于更復(fù)雜的響應(yīng)，例如上述三階模型，頻寬規(guī)格經(jīng)常帶有相應(yīng)的平緩度規(guī)格。平緩度優(yōu)點敘述比率因子在振幅范圍（頻寬）內(nèi)的變化。利用圖3和圖5中的ADXL356仿真，1000Hz時的平緩度約為17%，2000Hz時的平緩度約為40%。
雖然許多應(yīng)用由于平緩度（精度）要求而需要限制可以采用的頻寬，但對有些應(yīng)用來說，這可能不是問題。例如，某些應(yīng)用可能更注重跟蹤隨時間的相對變化，而不是精度。另兩個例子是利用數(shù)字后處理技術(shù)來消除用戶最關(guān)心的振幅范圍上的紋波。對于這類情況，在給定振幅范圍時，響應(yīng)的可重復(fù)性和穩(wěn)定性經(jīng)常比響應(yīng)的平緩度更關(guān)鍵性。振動傳感器
量測范圍
MEMS會量的量測范圍指標，則表示傳感器的輸出信號可以跟蹤的非線性角速度。在超出額定量測范圍的非線性角速度水平，傳感器的輸出信號會飽和。這種情況會引起嚴重失真，導(dǎo)致難以（甚至無法）從量測結(jié)果提取有用信息。因此，必須確保MEMS會量能夠支持值角速度水平（參見圖2中的AMAX）。
注意，量測范圍與振幅有一定的關(guān)系，因為傳感器的機械設(shè)備響應(yīng)會引入某種響應(yīng)增益，增益響應(yīng)的值出現(xiàn)在諧振振幅時。對于ADXL356的仿真響應(yīng)（參見圖3），增益值約為4倍，故量測范圍從±40g降至±10g。下式提供了一種分析方法來預(yù)測此值，它以機械設(shè)備結(jié)構(gòu) (HM) 和信號鏈 (HSC) 的貢獻進行了合并為出發(fā)點：
比例因子的大幅變化和量測范圍的降低，是絕大多數(shù)CBM控制系統(tǒng)希望將其遭受的振動振幅限制在遠低于傳感器諧振振幅水平的兩個原因。
解析度
儀器解析度可定義為環(huán)境中引起儀器示數(shù)發(fā)生可檢驗變化的最小值。在振動檢驗結(jié)點中，角速度量測的噪音會直接影響其檢驗振動變化的潛能（即"解析度")。因此，對于那些正在考慮利用MEMS會量檢驗其電腦網(wǎng)絡(luò)平臺上微小振動變化的人來說，噪音行為是兩個關(guān)鍵性考慮因素。下式提供了兩個用于定量MEMS會量噪音對其分辨微小振動變化潛能的影響的簡單關(guān)系式。在該模型中，傳感器的輸出信號 (yM振動傳感器) 等于其噪音 (aN) 與其經(jīng)受的振動 (aV) 之和。因為噪音 (aN) 與振動 (aV) 沒有相關(guān)性，所以傳感器輸出信號的幅度 (|yM|) 等于噪音幅度 (|aN|) 與振動幅度 (|aV|) 的和方根 (RSS)。
那么，需要何種振動水平才能克服量測中的噪音負擔，在傳感器輸出信號中產(chǎn)生可觀測的響應(yīng)？根據(jù)噪音水平定量振動水平有助于以分析方式探究這個問題。下式通過比率 (KVN) 確定了這一關(guān)系，然后根據(jù)該比率導(dǎo)出了兩個預(yù)測傳感器輸出變化水平的關(guān)系：
表1提供了此關(guān)系的一些數(shù)值例子，以幫助說明傳感器輸出量測結(jié)果相對于振動與噪音幅度之比 (振動傳感器KVN) 的增加。為簡明起見，本文剩余部份假設(shè)傳感器量測的總噪音決定其解析度。從表1可知，這對應(yīng)于KVN為1的情況，即振動幅度等于噪音幅度。在這種情況下，傳感器的輸出幅度相對于零振動時的輸出幅度會增加42%。注意，為了確定該情況下解析度的相關(guān)定義，每種應(yīng)用可能需要考慮控制系統(tǒng)中可觀測到何種水平的增加。
表 1 傳感器對振動/噪音的響應(yīng)
預(yù)測傳感器噪音
圖4顯示了兩個采用MEMS會量的振動檢驗結(jié)點的簡化信號鏈。絕大多數(shù)情況下，低通濾波器會提供某種抗混疊支持，而數(shù)字處理會提供更明確的增益邊界。一般而言，這些數(shù)字濾波器會努力保護代表實際振動的信號內(nèi)容，同時將帶外噪音的影響降至。因此，當估算噪音頻寬時，數(shù)字處理是控制系統(tǒng)中要考慮的影響的部份。這類處理可采用時域技術(shù)，例如帶通濾波器，或采用頻譜技術(shù)，例如快速傅里葉變換 (FFT)。
圖4 振動檢驗結(jié)點信號鏈
下式提供了兩個用于估算MEMS會量量測總噪音 (ANOISE) 的關(guān)系式，其中采用了噪音表面積 (φND) 和與信號鏈相關(guān)的噪音頻寬 (fNBW)。
利用上式中的關(guān)系，我們可以估算：當對ADXL357（噪音表面積為80μg/√Hz）采用噪音頻寬為100Hz的濾波器時，總噪音將為0.8mg (rms)。
用速度衡量振動
某些CBM應(yīng)用需要用角速度來衡量核心理念角速度優(yōu)點（范圍、頻寬、噪音）。進行這種切換的一種方法是從圖1所示簡單模型開始，并采用同樣的假設(shè)：非線性體育運動、單一振幅和零平均值偏轉(zhuǎn)。下式通過圖1中球體脈動速度(vV振動傳感器) 的數(shù)學(xué)關(guān)系式論述了該模型。此速度的幅度（則表示為均方根 rms）等于值速度除以√2。
下式對此關(guān)系求導(dǎo)，得出圖1中球體脈動角速度的關(guān)系式：
從上式中角速度模型的值出發(fā)，下式導(dǎo)出了角速度幅度 (Arms) 與速度幅度 (Vrms) 和振動振幅 (fv) 的新關(guān)系式。
案例研究
現(xiàn)在以ADXL357為例進行研究，將上述內(nèi)容匯總起來，用角速度則表示其范圍（值）和1Hz至1000Hz振動振幅范圍內(nèi)的解析度。圖5提供了對本案例有影響的多個優(yōu)點的圖形定義，從ADXL357噪音表面積相對于1Hz至1000Hz振幅范圍的關(guān)系曲線開始。為簡化討論，本案例研究中的所有計算均假設(shè)全部振幅范圍內(nèi)的噪音表面積為恒定值(φND=80μg/√Hz)。圖5中的黃色頻譜曲線則表示帶通濾波器的頻譜響應(yīng)，綠色豎直線則表示單一振幅 (fv) 振動的頻譜響應(yīng)，其對如前所述速度估算解析度和范圍會很有用。
圖5 研究案例的噪音表面積和濾波
此過程的步是利用了估算四個不同噪音頻寬 (振動傳感器fNBW) 產(chǎn)生的噪音(ANOISE):1Hz、10Hz、100Hz和1000Hz。表2用兩個不同單位的角速度給出了這些結(jié)果：g和mm/s2。g在多數(shù)MEMS會量規(guī)格表中相當常見，但振動指標經(jīng)常不是以此來提供。幸運地的是，g和mm/s2的關(guān)系已為大家熟知，參見等下式。
表2 傳感器對振動/噪音的響應(yīng)
本案例研究的下一步是整理角速度幅度 (Arms) 與速度幅度 (Vrms) 和振動振幅 (fv) 的關(guān)系，以導(dǎo)出兩個簡單的公式來將總噪音估算（來自表2）切換為角速度項 (VRES、VPEAK)。除了提供此關(guān)系的一般形式之外，下式還提供了兩個某一例子，其采用10Hz的噪音頻寬（及2.48mm/s2的角速度噪音，來自表2）。圖6中的四條虛線則表示所有四種噪音頻寬下相對于振動振幅 (fv) 的速度解析度。
圖6 值和解析度與振動振幅的關(guān)系
除了顯示各頻寬對應(yīng)的解析度之外，圖6還有一條黃色實線，其則表示相對于振幅的值振動水平（角速度）。這來自下式中的關(guān)系，其一般形式與上式相同，但不采用分子中的噪音，而采用ADXL357支持的角速度。注意，分子中的系數(shù)√2會放大此角速度以反映均方根水平，假設(shè)采用單一振幅振動模型。
最后，紅框說明如何將此信息應(yīng)用于控制系統(tǒng)級要求。此紅框中的最小 (0.28mm/s)和 (45mm/s) 速度來自關(guān)于電腦振動的常用工業(yè)標準中的一些分類水平：ISO-10816-1。將關(guān)于ADXL357范圍和解析度曲線的要求放在一起便可快速得出一些簡單的結(jié)論，例如：振動傳感器
結(jié) 語
MEMS已是成熟的振動傳感器，在現(xiàn)代工廠CBM控制系統(tǒng)的技術(shù)融合風(fēng)暴中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。檢驗、連接、存儲、分析和安全領(lǐng)域的新解決方案全都互相融合，為工廠管理者提供集成的振動觀測和過程反饋控制控制系統(tǒng)。雖然很容易迷失在所有這類驚人技術(shù)不斷進步所帶來的興奮之中，但人們?nèi)孕枰榻B如何將傳感器量測結(jié)果與實際條件和其代表的含義聯(lián)系起來。這些簡單的技術(shù)和見解提供了一種將MEMS操控性規(guī)格切換為采用熟識的單位則表示的其對關(guān)鍵性控制系統(tǒng)級標準影響的方法，CBM開發(fā)商及其顧客將能從中獲取價值。
參考資料：
Gerald C. Gill and Paul L. Hexter. IEEE地球科學(xué)電子論文集. IEEE
北京神州翔宇技術(shù)有限公司
儀表網(wǎng) 設(shè)計制作，未經(jīng)允許翻錄必究 .? ? ?
請輸入賬號
請輸入密碼
請輸驗證碼
請輸入你感興趣的產(chǎn)品
請簡單描述您的需求
號碼可能有誤,請核對！
請選擇省份