MEMS振動監控：從加速度到速度

MEMS加速度計終于達到了能夠測量廣泛機器平臺振動的階段。其最近的能力進步，加上MEMS加速度計已有的相對于傳統振動傳感器的諸多優勢（尺寸、重量、成本、抗沖擊性、易用性），促使一類新興的狀態監控(CBM)系統開始使用MEMS加速度計。結果，許多CBM系統架構師、開發者甚至其客戶考慮使用此類傳感器。他們面臨的問題常常是如何快速了解評估MEMS加速度計功能的方法，以便在其機器平臺上測量最重要的振動特性。這初看起來似乎很困難，因為MEMS加速度計數據手冊表述最重要性能特性的方式常常不是開發人員所熟悉的。例如，許多人熟悉用線速度(mm/s)來量化振動，但大多數MEMS加速度計數據手冊是用基于重力的加速度(g)來表達其性能指標。幸運的是，有一些簡單的技術可用來將加速度轉換為速度，以及估計加速度計關鍵特性（頻率響應、測量范圍、噪聲密度）對重要系統級標準（帶寬、平坦度、峰值振動、分辨率）的影響。

基本振動特性

先從慣性運動角度考察線性振動。在此背景下，振動是平均位移為零的機械振蕩。對于那些不希望其機器穿越整個車間的人來說，零平均位移非常重要！振動檢測節點中核心傳感器的價值與它反映機器振動最重要特性的能力高低直接相關。要評估特定MEMS加速度計在這方面的能力，首先必須從慣性運動角度對振動有一個基本了解。圖1是振動情況的物理示意圖，灰色部分表示中點，藍色部分表示一個方向的峰值位移，紅色部分表示另一方向的峰值位移。等式1提供了一個描述矩形物體瞬時加速度的數學模型，其振動頻率為(fV)，幅度為Arms。

圖1.簡單線性振動

在大部分CBM應用中，機器平臺的振動常常有比等式1所示模型更復雜的頻譜特征，但此模型為學習發現之旅提供了一個很好的出發點，因為它給出了CBM系統常常會跟蹤的兩個常見振動特性：幅度和頻率。此方法對關鍵特性到線性速度項的轉換也很有用（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。第一類（參見圖2中的藍線）在其頻率范圍（f1到f6）內具有恒定幅度。第二類（參見圖2中的紅線）在四個不同頻率處出現了峰值幅度：f2, f3, f4, 和 f5.

圖2.CM振動模式示例

系統要求

測量范圍、頻率范圍（帶寬）和分辨率是用來量化振動檢測節點能力的三個常見特性。圖2通過虛線矩形框顯示了這些特性，其邊界分別對應頻率(fMIN)、最高頻率(fMAX)、最小幅度(AMIN)和最大幅度(AMAX)。當考慮將MEMS加速度計用作振動檢測節點中的核心傳感器時，系統架構師很可能想在設計早期分析其頻率響應、測量范圍和噪聲行為。有一些簡單的技術可用來評估加速度計的各種特性，進而預判其是否滿足要求。很顯然，系統架構師最終必須通過實際驗證和鑒定來核驗上述估計，但由對加速度計能力的早期分析和預測所得來的期望對這些工作是有價值的。