作者：ADI應(yīng)用工程師 Chris Murphy

摘要

本文說明MEMS技術(shù)的最新進(jìn)展如何將加速度傳感器推到前沿，在狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用中與壓電傳感器抗衡競爭；還將討論如何使用使這一切成為可能的新開發(fā)平臺(tái)。

狀態(tài)監(jiān)控(CbM)和預(yù)測性維護(hù)(PdM)簡介

狀態(tài)監(jiān)控(CbM)涉及使用傳感器來測量當(dāng)前的健康狀態(tài)，以監(jiān)測機(jī)器或資產(chǎn)。預(yù)測性維護(hù)(PdM)需要組合使用CbM、機(jī)器學(xué)習(xí)和分析等多種技術(shù)，以預(yù)測未來的資產(chǎn)維護(hù)周期或可能發(fā)生的故障。預(yù)計(jì)全球設(shè)備健康監(jiān)測將顯著發(fā)展，因而知曉和了解關(guān)鍵的趨勢勢在必行。越來越多的CbM公司開始采用PdM來提高其產(chǎn)品的差異化優(yōu)勢。關(guān)于CbM，維護(hù)和設(shè)備管理人員現(xiàn)在有了新的選擇，比如無線裝置，以及更低成本的高性能裝置。雖然大部分CbM系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施保持不變，但現(xiàn)在我們可以將新的MEMS技術(shù)直接集成到以前主要采用壓電式傳感器，或因成本障礙而未進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)中。

狀態(tài)監(jiān)控—工程挑戰(zhàn)和設(shè)計(jì)決策

在典型的CbM信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中，需要考慮許多不同的工程規(guī)范和技術(shù)，這些規(guī)范和技術(shù)都在不斷改進(jìn)，其復(fù)雜性也在不斷增加。現(xiàn)在有各種類型的客戶，他們可能具備某個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，例如算法開發(fā)（僅軟件）或硬件設(shè)計(jì)（僅硬件），但并非始終同時(shí)精通這兩個(gè)方面。

對(duì)于希望專注于算法開發(fā)的開發(fā)人員，他們要求數(shù)據(jù)信息庫能夠準(zhǔn)確預(yù)測資產(chǎn)故障和停機(jī)。他們不想設(shè)計(jì)硬件，或者解決數(shù)據(jù)完整性故障；而是想使用確實(shí)高度保真的數(shù)據(jù)。同樣，對(duì)于希望提高系統(tǒng)可靠性或降低成本的硬件工程師，他們需要一種可以輕松連接到現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施的解決方案，從而可以對(duì)現(xiàn)有解決方案進(jìn)行基準(zhǔn)測試。他們需要以易于使用和導(dǎo)出的可讀格式訪問數(shù)據(jù)，以免浪費(fèi)時(shí)間來評(píng)估性能。

Many of the system-level challenges can be solved with a platform approach—from the sensor all the way to algorithmic development—enabling all customer types.

許多系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)都可以采用平臺(tái)方法解決（從傳感器到算法開發(fā)），從而支持所有類型的客戶。

CN0549是什么？它如何幫助延長設(shè)備的壽命？

CN0549 CbM開發(fā)平臺(tái)

CN0549狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)是一種高性能、現(xiàn)成的硬件和軟件解決方案，可以將高保真的振動(dòng)數(shù)據(jù)流從資產(chǎn)傳輸?shù)剿惴?機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)環(huán)境中。該平臺(tái)為硬件專家提供了一個(gè)經(jīng)過測試和驗(yàn)證的系統(tǒng)解決方案，可以提供高度精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集、與資產(chǎn)之間的可靠機(jī)械耦合，以及高性能寬帶振動(dòng)傳感器。同時(shí)提供所有硬件設(shè)計(jì)文件，幫助您輕松集成到設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中。CN0549對(duì)軟件專家也很有吸引力，它概括了狀態(tài)監(jiān)控信號(hào)鏈硬件挑戰(zhàn)，讓軟件團(tuán)隊(duì)和數(shù)據(jù)專家能夠直接開始開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)算法。重要特性和優(yōu)點(diǎn)包括：

易于安裝到資產(chǎn)中，同時(shí)保持機(jī)械耦合信號(hào)的完整性

具有IEPE數(shù)據(jù)輸出格式的寬帶寬MEMS加速度計(jì)傳感器

IEPE、模擬輸入帶寬從DC到54 kHz的高保真數(shù)據(jù)采集(DAQ)解決方案

嵌入式網(wǎng)關(guān)捕捉和存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)，用于本地或聯(lián)網(wǎng)處理

使用ADI的IIO示波器應(yīng)用實(shí)時(shí)顯示頻域數(shù)據(jù)

直接將傳感器數(shù)據(jù)流傳輸至熱門的數(shù)據(jù)分析工具，例如Python和MATLAB^?

CbM開發(fā)平臺(tái)主要由四種不同的元件構(gòu)成（如圖1所示），我們將分別逐一介紹，然后介紹整個(gè)組合解決方案。

圖1.構(gòu)成CbM開發(fā)平臺(tái)的元件

高度精準(zhǔn)、高保真的數(shù)據(jù)捕捉和處理

在帶寬更寬、傳感器噪聲更低時(shí)，可以更早檢測到故障，例如軸承問題、氣蝕和齒輪嚙合。數(shù)據(jù)采集電子設(shè)備必須確保測量的振動(dòng)數(shù)據(jù)高度保真，這一點(diǎn)非常重要；否則可能導(dǎo)致重要的故障信息丟失。確保振動(dòng)數(shù)據(jù)保真，這樣我們就可以更快地發(fā)現(xiàn)變化趨勢，且非常自信地提供預(yù)測性維護(hù)建議，從而減少機(jī)械元件不必要的磨損，隨之延長資產(chǎn)的使用壽命。

對(duì)重要性較低的資產(chǎn)實(shí)施狀態(tài)監(jiān)控的經(jīng)濟(jì)高效的方法

壓電式加速度計(jì)是最關(guān)鍵的資產(chǎn)上使用的最高性能的振動(dòng)傳感器，對(duì)于這些資產(chǎn)來說，性能比成本更重要。一直以來，壓電傳感器的高成本都阻礙了對(duì)重要性較低的資產(chǎn)實(shí)施狀態(tài)監(jiān)控。現(xiàn)在，MEMS振動(dòng)傳感器在噪聲、帶寬和g范圍等方面都不遜于壓電式傳感器，這讓維護(hù)和設(shè)備管理人員能夠更深入地了解重要性較低的資產(chǎn)，這些資產(chǎn)以前采用故障排除或被動(dòng)維護(hù)計(jì)劃。這主要是因?yàn)镸EMS的性能高，成本低。現(xiàn)在，我們可以使用經(jīng)濟(jì)高效的方法來持續(xù)監(jiān)控中低等重要性的資產(chǎn)。我們可以利用先進(jìn)的振動(dòng)傳感技術(shù)，輕松識(shí)別和修復(fù)資產(chǎn)上不必要的磨損，幫助延長資產(chǎn)的使用壽命。這也有助于提高設(shè)備的整體效率，減少機(jī)器或工藝停機(jī)時(shí)間。

監(jiān)控資產(chǎn)—檢測問題

對(duì)于CbM和PdM，可以使用多種不同類型的檢測模式。大部分應(yīng)用都涉及電流檢測、電磁檢測、流量監(jiān)控和其他幾種模式。振動(dòng)檢測是CbM中最常用的模式，壓電式加速度計(jì)則是最常用的振動(dòng)傳感器。在本節(jié)中，我們將回顧技術(shù)進(jìn)步如何推動(dòng)振動(dòng)傳感器領(lǐng)域不斷發(fā)展，以及這對(duì)應(yīng)用決策產(chǎn)生什么樣的影響。

MEMS與壓電式加速度計(jì)

壓電式加速度計(jì)是性能非常高的傳感器，但要達(dá)到該性能，需要做出許多設(shè)計(jì)取舍。例如，壓電式加速度計(jì)通常都是用在有線安裝中，這是因?yàn)樗鼈儠?huì)消耗過多功率、體積可能很大（尤其是三軸傳感器），且成本高昂。綜合上述所有這些因素，在整個(gè)工廠內(nèi)使用壓電式傳感器是不現(xiàn)實(shí)的，所以，它們一般只用在關(guān)鍵資產(chǎn)上。

MEMS加速度計(jì)一直沒有足夠的帶寬、噪聲過高，g范圍也僅支持監(jiān)控不太重要的資產(chǎn)，這種情況直到最近才發(fā)生改變。MEMS技術(shù)的最新進(jìn)展克服了這些限制，使MEMS振動(dòng)傳感器能夠監(jiān)控低端資產(chǎn)，也能監(jiān)控非常重要的資產(chǎn)。表1顯示了壓電式傳感器和MEMS傳感器在CbM應(yīng)用中所需的重要特性。MEMS加速度計(jì)體積小、可通過電池供電運(yùn)行數(shù)年、成本低，且性能不遜于壓電式傳感器，正快速成為許多CbM應(yīng)用的首選傳感器。

CN0549 CbM開發(fā)平臺(tái)兼容MEMS和IEPE壓電式加速度計(jì)，可在不同傳感器類型之間進(jìn)行基準(zhǔn)比較。

表1.MEMS與壓電式加速度計(jì)

現(xiàn)有IEPE基礎(chǔ)設(shè)施中使用MEMS加速度計(jì)

如表1所示，與壓電式傳感器相比，MEMS加速度計(jì)現(xiàn)在可以提供具有競爭力的規(guī)格和性能，但是，它們能夠取代現(xiàn)有的壓電式傳感器嗎？為了便于設(shè)計(jì)人員評(píng)估并使用MEMS加速度計(jì)來取代壓電式加速度計(jì)，ADI設(shè)計(jì)了一個(gè)接口，它可以兼容CbM應(yīng)用中實(shí)際使用的IEPE標(biāo)準(zhǔn)壓電式傳感器接口。

IEPE傳感器接口和機(jī)械安裝(CN0532)

CN0532（如圖2所示）是一個(gè)IEPE轉(zhuǎn)換電路，讓MEMS加速度計(jì)和現(xiàn)有IEPE傳感器一樣，直接與IEPE基礎(chǔ)設(shè)施無縫連接。

圖2.CN0532 MEMS IEPE轉(zhuǎn)換電路

單軸MEMS傳感器通常有三條輸出線路：電源、接地和加速度輸出。IEPE基礎(chǔ)設(shè)施只需要兩條：一條線路接地，另一條傳輸電源/信號(hào)。電流傳輸給傳感器，當(dāng)傳感器檢測到振動(dòng)時(shí)，由同一條線路輸出電壓。

圖3.說明MEMS傳感器如何與現(xiàn)有的IEPE基礎(chǔ)設(shè)施（電源和數(shù)據(jù)）連接的簡化示意圖

CN0532 PCB的設(shè)計(jì)厚度為90 mils，以保持?jǐn)?shù)據(jù)手冊中給出的MEMS加速度計(jì)的頻率響應(yīng)性能。測試裝置采用螺釘安裝，開箱即可進(jìn)行測試。安裝塊、PCB和焊錫膏等均進(jìn)行了廣泛表征，以確保全帶寬機(jī)械轉(zhuǎn)換功能、最大限度地提高傳感器帶寬內(nèi)各類故障的可見性，并通過捕捉這些故障來延長資產(chǎn)的使用壽命。這些解決方案讓CbM設(shè)計(jì)人員能夠輕松將MEMS加速度計(jì)集成到他們的資產(chǎn)中，并與現(xiàn)有的壓電式基礎(chǔ)設(shè)施無縫連接。

對(duì)于高頻振動(dòng)測試，機(jī)械信號(hào)路徑的完整性非常重要。換句話說，從信號(hào)源到傳感器，振動(dòng)信號(hào)必須沒有衰減（由于阻尼）或放大（由于諧振）。如圖4所示，一個(gè)鋁質(zhì)安裝塊(EVAL-XLMOUNT1)、四個(gè)螺釘安裝座和一個(gè)厚PCB，確保對(duì)目標(biāo)頻率范圍提供平坦的機(jī)械響應(yīng)。IEPE參考設(shè)計(jì)讓設(shè)計(jì)人員能夠輕松使用MEMS傳感器來取代壓電式傳感器。

圖4.振動(dòng)測量測試裝置：使用EVAL-XLMOUNT1鋁質(zhì)安裝塊將EVAL-CN0532-EBZ板連接至振動(dòng)臺(tái)

圖5.EVAL-CN0532的頻率響應(yīng)與ADXL1002數(shù)據(jù)手冊給出的頻率響應(yīng)的比較

振動(dòng)到比特——數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的完整性

現(xiàn)在，我們知道可以使用MEMS傳感器來代替IEPE壓電傳感器。也知道如何將它們輕松地安裝到資產(chǎn)上，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)表給出的性能。對(duì)于CbM開發(fā)平臺(tái)，重要的一點(diǎn)是它能夠收集高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)（無論是基于MEMS還是基于壓電式傳感器），然后將數(shù)據(jù)輸送至正確的環(huán)境中。接下來，我們看看如何獲取IEPE傳感器數(shù)據(jù)并保持最高的數(shù)據(jù)保真度，以開發(fā)最好的CbM算法或機(jī)器學(xué)習(xí)算法。我們的另一款CbM參考設(shè)計(jì)CN0540可以幫助實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

適用于IEPE傳感器的高保真24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(CN0540)

圖6顯示了一款經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試和驗(yàn)證的IEPE DAQ信號(hào)鏈。這款參考設(shè)計(jì)提供了兼容MEMS和壓電式加速度計(jì)的優(yōu)化模擬信號(hào)鏈。ADI不僅關(guān)注基于MEMS加速度計(jì)的解決方案。請(qǐng)注意，壓電式加速度計(jì)提供出色的性能，是廣泛使用的振動(dòng)傳感器；所以，壓電式加速度計(jì)是適用于精密信號(hào)鏈產(chǎn)品的重要傳感器。

圖6所示的電路是適用于IEPE傳感器的傳感器到比特（數(shù)據(jù)采集）信號(hào)鏈，由電流源、輸入保護(hù)、電平轉(zhuǎn)換和衰減級(jí)、三階抗混疊濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)驅(qū)動(dòng)器和全差分∑-Δ ADC組成。CbM系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在使用壓電式加速度計(jì)時(shí)，需要使用高性能模擬信號(hào)鏈來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)保真。設(shè)計(jì)人員只需將IEPE傳感器或CN0532 IEPE傳感器直接連接到CN0540 DAQ參考設(shè)計(jì)，就可以評(píng)估信號(hào)鏈的性能。ADI對(duì)此設(shè)計(jì)進(jìn)行了廣泛測試，提供開源設(shè)計(jì)文件（原理圖、布局文件、材料清單等），以輕松將其集成到終端解決方案中。

CN0540 IEPE數(shù)據(jù)采集板是一種經(jīng)過測試和驗(yàn)證的模擬信號(hào)鏈，專用于獲取IEPE傳感器振動(dòng)數(shù)據(jù)，具有優(yōu)于100 dB的信噪比(SNR)。市場上大多數(shù)與壓電傳感器連接的解決方案都采用交流耦合，不具備直流和亞赫茲測量能力。CN0540適用于直流耦合應(yīng)用場景，在這些場景中，必須保留信號(hào)的直流分量，或者必須確保系統(tǒng)響應(yīng)低至1 Hz或更低的頻率。

采用2個(gè)MEMS傳感器和3個(gè)壓電傳感器對(duì)高精度數(shù)據(jù)采集參考設(shè)計(jì)進(jìn)行測試，如表2所示。從表中可以看出，每個(gè)傳感器的g范圍、噪聲密度和帶寬都有很大差別，價(jià)格也是如此。值得注意的是，壓電傳感器仍具有最佳的噪聲性能和振動(dòng)帶寬。

對(duì)于CN0540，系統(tǒng)帶寬設(shè)置為54 kHz，信號(hào)鏈噪聲性能是針對(duì)在該帶寬范圍內(nèi)能夠達(dá)到>100 dB動(dòng)態(tài)范圍的傳感器，例如，Piezotronics PCB 621B40型加速度計(jì)可以在30 kHz時(shí)達(dá)到105 dB。CN0540旨在提供超越當(dāng)前振動(dòng)傳感器性能的帶寬和精度，確保它不會(huì)成為收集高性能振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)的阻礙。在同一系統(tǒng)上比較MEMS和壓電式傳感器并確定基準(zhǔn)是非常容易的。無論與MEMS傳感器、壓電傳感器還是與兩者一起工作，CN0540都能為數(shù)據(jù)采集和處理提供最佳信號(hào)鏈解決方案，所以必然會(huì)設(shè)計(jì)為嵌入式解決方案。

當(dāng)我們說MEMS傳感器能以更低的成本提供相當(dāng)?shù)男阅軙r(shí)，ADXL1002的SNR為83 dB，但與壓電傳感器相比，其成本低10倍以上。MEMS傳感器現(xiàn)在可替代除最高性能的壓電傳感器以外的所有傳感器，且成本低廉。

圖6.CN0540：適用于IEPE傳感器，可進(jìn)行高性能、寬帶寬、精密數(shù)據(jù)采集

表2.MEMS和壓電傳感器及其相應(yīng)的噪聲密度測量值

嵌入式網(wǎng)關(guān)

在DAQ信號(hào)鏈獲得高保真振動(dòng)數(shù)據(jù)之后，必須處理這些數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)查看和/或?qū)?shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)器學(xué)習(xí)或云環(huán)境，這是嵌入式網(wǎng)關(guān)的工作。

在本地實(shí)時(shí)處理振動(dòng)數(shù)據(jù)

Intel^?(DE10-Nano)和Xilinx^?(Cora Z7-07S)支持兩種嵌入式平臺(tái)，其中包括對(duì)所有相關(guān)HDL、設(shè)備驅(qū)動(dòng)器、軟件包和應(yīng)用的支持。每個(gè)平臺(tái)都運(yùn)行嵌入式ADI Kuiper Linux^?，讓您能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)訪問實(shí)時(shí)捕捉的數(shù)據(jù)，連接熱門的數(shù)據(jù)分析工具（例如MATLAB或Python），甚至連接各種云計(jì)算實(shí)例（例如AWS和Azure）。嵌入式網(wǎng)關(guān)可以通過以太網(wǎng)向您選定的算法開發(fā)工具傳輸6.15 Mbps（256 kSPS × 24位）。嵌入式網(wǎng)關(guān)的一些關(guān)鍵特性包括：

● Intel Terasic DE10-Nano

■雙核Arm^?Cortex^?-A9 MP Core處理器，搭載采用雙精度浮點(diǎn)單元(FPU)的800 MHz neon?框架媒體處理引擎

■1千兆以太網(wǎng)PHY，采用RJ45連接器

●?Digilent Cora Z7-07S (Xilinx)

■667 MHz Cortex-A9處理器，緊密集成Xilinx FPGA

■512 MB DDR3存儲(chǔ)器

■USB和以太網(wǎng)連接

IIO示波器（如圖7所示）是一款與ADI Kuiper Linux一起安裝的免費(fèi)開源應(yīng)用，可以幫助您快速顯示時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)。它基于Linux IIO框架進(jìn)行構(gòu)建，直接與ADI的Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)器連接，可以在一個(gè)工具中完成設(shè)備配置、設(shè)備數(shù)據(jù)讀取和可視化顯示。

圖7.IIO示波器顯示5 kHz純音的FFT

ADI Kuiper Linux鏡像也支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具，例如MATLAB和Python。通過使用可以配合IIO框架工作的連接層，開發(fā)出IIO綁定用于將數(shù)據(jù)流直接傳輸至這些典型的數(shù)據(jù)分析工具。設(shè)計(jì)人員可以使用這些強(qiáng)大工具，結(jié)合IIO集成框架，用于顯示和分析數(shù)據(jù)、開發(fā)算法，以及執(zhí)行硬件環(huán)路測試和其他數(shù)據(jù)處理技術(shù)。提供完整示例，展示如何將高質(zhì)量的振動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸至MATLAB或Python工具。

使用CN0549進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)開發(fā)

為PdM應(yīng)用開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)算法一般包含5大步驟，如圖8所示。在進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)時(shí)，通常使用回歸模型，而不是分類模型來預(yù)測即將發(fā)生的故障。向預(yù)測性模型輸入的訓(xùn)練數(shù)據(jù)越多，其性能表現(xiàn)越出色。如果只輸入10分鐘的振動(dòng)數(shù)據(jù)，可能無法檢測到所有操作特性，但是如果輸入10小時(shí)的數(shù)據(jù)，則檢測幾率大大增加，如果收集10天的數(shù)據(jù)，則模型的性能將更強(qiáng)。

圖8.開發(fā)PdM應(yīng)用的步驟

圖9.CN0549示例用例

CN0549在一個(gè)易于使用的系統(tǒng)中提供數(shù)據(jù)收集步驟，在該系統(tǒng)中，我們可以將高性能振動(dòng)數(shù)據(jù)流傳輸至所選的機(jī)器學(xué)習(xí)環(huán)境。

MEMS IEPE傳感器隨附機(jī)械安裝塊，可以將MEMS傳感器無縫安裝到資產(chǎn)或振動(dòng)臺(tái)上。注意，IEPE壓電傳感器也可與本系統(tǒng)配合使用，輕松安裝到資產(chǎn)、振動(dòng)臺(tái)等裝置中。在將數(shù)據(jù)流傳輸至數(shù)據(jù)分析工具之前，應(yīng)先驗(yàn)證傳感器安裝，確保不會(huì)產(chǎn)生任何干擾諧振。可以使用IIO示波器輕松且實(shí)時(shí)完成這種檢查。系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后，可以定義一個(gè)用例，如圖9所示，例如，在70%的負(fù)載下正常運(yùn)行的電機(jī)。之后，可以將高質(zhì)量的振動(dòng)數(shù)據(jù)流傳輸至基于MATLAB或Python的數(shù)據(jù)分析工具，例如TensorFlow或PyTorch（以及許多其他工具）。

通過分析，可以確認(rèn)能夠定義該資產(chǎn)的健康狀況的特征和特性。建立可以定義正常運(yùn)行狀況的模型后，即可檢測或仿真故障。可以重復(fù)使用第4步來確定能夠定義故障的關(guān)鍵特征，由此生成模型。將故障數(shù)據(jù)與正常運(yùn)行電機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可得到預(yù)測模型。

以上簡要概述了CbM開發(fā)平臺(tái)支持的機(jī)器學(xué)習(xí)流程。需要注意的是，該平臺(tái)可以確保將最高質(zhì)量的振動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)器學(xué)習(xí)環(huán)境。

本文第2部分將詳細(xì)介紹軟件堆棧、數(shù)據(jù)流和開發(fā)策略，并從數(shù)據(jù)專家或機(jī)器學(xué)習(xí)算法開發(fā)人員的角度介紹使用Python和MATLAB的示例。此外，還將概述軟件集成，以及本地和基于云的開發(fā)選項(xiàng)。

關(guān)鍵詞： 加速度計(jì) 解決方案 壓電式傳感器 壓電傳感器 振動(dòng)數(shù)據(jù)