摘要

本文深入探討了一款先進的智能振動傳感器，重點介紹它基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的設計、功能和應用。這款傳感器的核心目標是在各種工業(yè)和研究環(huán)境中提供高精度、高可靠性和實時監(jiān)測能力，展現(xiàn)ADI公司不同MEMS傳感技術的實際應用價值。

引言

在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中，對機械健康狀態(tài)進行精確、可靠且實時的監(jiān)測變得空前重要。狀態(tài)監(jiān)控(CbM)系統(tǒng)已成為預測性維護策略的基石，旨在盡可能地減少停機時間、提高生產(chǎn)率并降低維護成本。采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的先進傳感器，結合復雜的診斷算法，正在拓寬能夠評估的各類機械的范圍。MEMS加速度計的性能近年來取得了進步，已具備與壓電振動傳感器分庭抗禮的實力。這類MEMS振動傳感器不僅擁有低功耗、小尺寸、高集成度、寬帶寬等關鍵優(yōu)勢，噪聲水平更低于100μg/√Hz，為維護和設備工程師開辟了全新的CbM范式，助力檢測、診斷、預測和規(guī)避機器故障。得益于MEMS加速度計的超低功耗特性，有線系統(tǒng)逐步被無線解決方案替代，單軸壓電傳感器也升級為小巧輕便的三軸模擬器件，更廣泛的機械設備得以通過經(jīng)濟高效的方式實現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測。本文將探討基于MEMS技術的振動傳感器最新成果，尤其是先進的AVS 1001HF（高頻）與AVS 1003LF（低頻）加速度計。

狀態(tài)監(jiān)控

面向機器人及渦輪機、風扇、泵、電機等旋轉機械的狀態(tài)監(jiān)控傳感器(CMS)，可實時記錄與機械健康狀態(tài)及運行性能相關的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)針對性的預測性維護和優(yōu)化控制。在機械生命周期的早期階段，開展針對性的預測性維護可降低生產(chǎn)停機風險，進而提高可靠性并顯著節(jié)省成本，讓工廠車間的生產(chǎn)效率更上一層樓。據(jù)統(tǒng)計，對于遭遇過意外停機的企業(yè)而言，平均每次停機持續(xù)4小時，每次造成200萬美元損失，且這類企業(yè)平均每年會發(fā)生2次停機事件。1,2

CbM的重要性

CbM的主要功能是提供實時數(shù)據(jù)，為機械的維護計劃提供依據(jù)。這種數(shù)據(jù)驅動的方式確保僅在必要時才進行維護，從而預防意外故障并延長設備的使用壽命。通過減少意外停機，CbM系統(tǒng)有助于維持連續(xù)的生產(chǎn)流程并優(yōu)化資源分配。

具體的解決方案是什么？

這些加速度計代表了工業(yè)資產(chǎn)健康監(jiān)測領域的重大進步。這款傳感器的核心目標是在各種工業(yè)和研究環(huán)境中提供高精度、高可靠性和實時監(jiān)測能力，展現(xiàn)ADI公司不同MEMS傳感技術的實際應用價值。

通過整合高頻與低頻振動測量能力，結合實時數(shù)據(jù)處理與傳輸功能，這些傳感器為預測性維護提供了全方位解決方案。它們易于集成、用途廣泛且精度出眾，成為工業(yè)環(huán)境中提升生產(chǎn)效率、減少停機時間、優(yōu)化維護策略的得力助手。

AVS傳感器系列重新定義了狀態(tài)監(jiān)控，不僅提高了機械設備的運行效率，更為工業(yè)資產(chǎn)健康管理樹立了新標桿。隨著各行各業(yè)不斷采用智能技術，像AVS系列這樣的先進傳感器將在推動下一代工業(yè)自動化與維護發(fā)展方面發(fā)揮更加關鍵的作用。

此解決方案有何優(yōu)勢？

全新AVS傳感器系列的一大核心優(yōu)勢在于重新定義了狀態(tài)監(jiān)控。傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控(CbM)需要傳感器、大量布線以及專用的數(shù)據(jù)采集/處理單元。而借助智能AVS傳感器，所有這些功能如今都可在傳感器內(nèi)部完成。分析結果能直接發(fā)送至可編程邏輯控制器(PLC)或監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)。通過使用數(shù)字RS-485接口，僅需一根線纜就能連接多個傳感器。

另一重要優(yōu)勢是AVS傳感器應用的靈活性：器件正常運行時，僅需發(fā)送計算得出的參數(shù)；若需要更深入的分析，則可發(fā)送原始振動信號并進行解析。

AVS 1001HF和AVS 1003LF傳感器

AVS 1001HF傳感器

AVS 1001HF是一款單軸數(shù)字式高頻加速度計，除了可測量振動外，還具備溫度檢測功能。這款傳感器可對振動加速度信號進行處理，通過工業(yè)標準的RS-485數(shù)字接口及Modbus協(xié)議輸出數(shù)據(jù)。它能提供兩類數(shù)據(jù)：振動原始數(shù)據(jù)流或經(jīng)計算得出的振動信號參數(shù)（見圖1）。

圖1.AVS 1001HF傳感器

AVS 1003LF傳感器

AVS 1003LF是一款三軸數(shù)字式低頻加速度計。與AVS 1001HF類似，它可同時測量振動與溫度，并通過RS-485接口及Modbus協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，旨在實現(xiàn)三個軸向的全方位監(jiān)測（見圖2）。

圖2.AVS 1003LF傳感器。

這兩款傳感器的詳細技術指標參見表1。

表1.技術規(guī)格

應用：

?保護

?機器監(jiān)測

?狀態(tài)評估

?動態(tài)狀態(tài)測量

?新型AVS傳感器系列的優(yōu)勢

直接訪問數(shù)字數(shù)據(jù)

集成了數(shù)字數(shù)據(jù)直接訪問功能后，無需大量布線，也無需專用的數(shù)據(jù)采集/處理單元，所有功能均在傳感器內(nèi)部完成，不僅顯著簡化了安裝流程，還降低了整體成本。

應用的多功能性

AVS傳感器具備出色的多功能性。正常運行時，僅發(fā)送計算得出的參數(shù)，可節(jié)省帶寬和處理能力；如需更深入的分析，可傳輸并解析原始振動信號，從而更透徹地掌握機械的狀態(tài)。

可靠的數(shù)據(jù)傳輸

通過使用數(shù)字RS-485接口，單根線纜即可連接多個傳感器，確保在1公里范圍內(nèi)實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，從而盡可能地減少了工業(yè)噪聲干擾，同時為傳感器網(wǎng)絡的擴展提供了便利。

高精度與低噪聲

兩款傳感器均具有高靈敏度和低噪聲特性，提升了振動數(shù)據(jù)的準確性。AVS 1001HF的靈敏度高達100 mV/g，噪聲密度為4 μg/√Hz；AVS 1003LF的噪聲密度為80 μg/√Hz，即便在復雜的工業(yè)環(huán)境中，也能保證測量的精準性。

MEMS技術

此類傳感器的核心優(yōu)勢源于MEMS技術，能夠將微型尺寸與高性能有效結合。MEMS傳感器具備堅固耐用的特性，對于高要求的工業(yè)應用而言至關重要。

高帶寬和三軸傳感的重要性

高帶寬：用于捕捉故障

ADXL1002單軸加速度計擁有11 kHz、3 dB的帶寬，對捕捉高頻軸承及齒輪故障而言不可或缺，因為低帶寬傳感器極易遺漏此類故障。憑借高帶寬能力，可對關鍵部件進行精細化分析，確保及早發(fā)現(xiàn)并預防潛在故障（見圖 3）。

圖3.ADXL1002的頻率響應、高頻(>5 kHz)振動響應；

三軸傳感：實現(xiàn)全方位監(jiān)測

三軸傳感解決方案（如AVS 1003LF所提供的方案）對于預測單軸傳感器可能遺漏的故障至關重要。通過捕捉三個軸向的數(shù)據(jù)，這些傳感器能夠更全面地呈現(xiàn)機械的運行狀態(tài)，從而優(yōu)化故障預測與維護計劃的制定。

案例研究

AVS 1001HF與AVS 1003LF加速度計已整合至AMC云端狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中。傳感器采集的原始信號傳輸至邊緣處理單元，計算出診斷特征后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務器?？蛻艨煽焖俦憬莸孬@取有關機械健康狀態(tài)的信息。系統(tǒng)提供的圖表包括：設備分布圖、自定義模擬圖（含柱狀圖等多種組件）、報警信息、趨勢圖、波形圖、頻譜圖等。圖4展示了系統(tǒng)提供的部分圖表。

圖4.可配置的柱狀圖

可配置的柱狀圖方便操作人員快速評估。若出現(xiàn)超限情況，柱形會改變顏色：黃色表示警告，紅色表示報警。還可添加圖片及其他組件，使信息更通俗易懂且直觀易用。

此外，通過數(shù)字協(xié)議（如Modbus、OPC UA和MQTT），可輕松實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。另一實用功能是能夠將關注的數(shù)據(jù)導出至文件，以便進行深入透徹的分析（見圖7）。

圖5.事件/警報視圖。

另一種一級圖表是事件/警報視圖（圖5）。操作人員可查看當前活躍的閾值超限情況，也可查閱歷史變化記錄。當然，系統(tǒng)提供了多種篩選選項，能讓操作人員大幅節(jié)省時間。

圖6.所選振動參數(shù)的歷史記錄。

趨勢圖展示了所選振動參數(shù)（均方根值和速度均方根值）的歷史變化（圖6）。用戶可快速掌握這些參數(shù)隨時間的變化特征，例如波動性、上升趨勢，或與其他測量值的相關性。

有時，我們需要更深入的分析。多數(shù)情況下，需找出振動水平升高的原因，而對原始振動信號的分析正是探究根源的關鍵所在。振動專家可通過波形圖和頻譜圖對這些信號進行分析。

圖7.實時數(shù)據(jù)監(jiān)測

這些數(shù)據(jù)來自一臺篩分機，其上總共使用了8個傳感器（4個高頻傳感器和4個低頻傳感器）。圖8展示了其中一個安裝在軸承上的傳感器。

圖8.安裝于惡劣環(huán)境中的AVS傳感器解決方案。

安裝結果表明，這些傳感器不僅功能完備，且具備在惡劣環(huán)境中持續(xù)監(jiān)測資產(chǎn)狀態(tài)的能力。

結語

AVS 1001HF和AVS 1003LF加速度計代表了工業(yè)資產(chǎn)健康監(jiān)測領域的重大進步。通過整合高頻與低頻振動測量能力，結合實時數(shù)據(jù)處理與傳輸功能，這些傳感器為預測性維護提供了全方位解決方案。它們易于集成、用途廣泛且精度出眾，成為工業(yè)環(huán)境中提升生產(chǎn)效率、減少停機時間、優(yōu)化維護策略的得力助手。

AVS傳感器系列重新定義了狀態(tài)監(jiān)控，不僅提高了機械設備的運行效率，更為工業(yè)資產(chǎn)健康管理樹立了新標桿。隨著各行各業(yè)不斷采用智能技術，像AVS系列這樣的先進傳感器將在推動下一代工業(yè)自動化與維護發(fā)展方面發(fā)揮更加關鍵的作用。

參考文獻

1 Graham Immerman，“The Actual Cost of Downtime in the Manufacturing Industry”，IIoT World，2018年11月。

2“What Downtime Really Costs—and Why Maintenance Contracts Make Sense”，Sumitomo Drive Technologies，2025年4月