追求准确可靠的振动传感以实现基于状态的预测性维护

作者：Bob Scannell

探索基于压电陶瓷的传感器和手持式数据收集工具在用于基于状态的预测性维护时的优势和局限性，以及完全集成和可靠的振动传感器的优势。

精密工业过程越来越依赖于电机和相关机械的高效和一致运行。机械中的不平衡、缺陷、配件松动和其他异常通常会转化为振动，然后是精度损失以及安全问题。如果不加以解决，除了性能和安全问题外，如果设备需要离线维修，生产力损失将不可避免。

基于状态的预测性维护是避免生产力损失的已知且经过验证的方法，但这种方法的价值与其复杂性相匹配。现有方法存在局限性，特别是在分析振动数据（无论如何收集）和隔离误差源时。

现有的数据收集方法包括安装在机器上的简单压电传感器和手持式数据收集工具。这些方法有许多局限性，特别是与可以嵌入机器上或机器中并自主行动的完整检测和分析系统的理想解决方案相比。本文将进一步探讨这些局限性以及与理想的比较。

测量的可重复性

手持式振动探头具有一些实现优势，例如不需要对终端设备进行任何修改，并且鉴于其大（砖）尺寸，它们相对高度集成，允许足够的处理和存储。然而，一个主要的限制是测量的可重复性。探头位置或角度的微小差异会产生不一致的振动曲线，使时间比较不准确。因此，维护技术人员面临的问题是，观察到的任何振动偏移是由于机器内部的实际变化，还是仅仅是测量技术的变化。理想情况下，传感器既紧凑又集成，足以允许直接和永久嵌入感兴趣的设备中。

测量时间表

手持式探头方法的另一个限制是缺乏对麻烦的振动偏移的实时通知。大多数基于压电陶瓷的传感器也是如此，这些传感器通常处于非常低的集成度（在某些情况下仅为传感器），数据传输到其他地方以供以后分析。这些设备需要外部干预，因此为错过事件/班次提供了机会。另一方面，自主传感器处理系统包括传感器、分析、存储和报警功能，并且仍然足够小，可以嵌入，提供最快的振动偏移通知，以及显示基于时间的趋势的最佳能力。

了解数据

只有采用频域分析，才能实现嵌入式传感器实时通知的理想（如前所述）。任何给定的设备通常具有多个振动源，例如轴承缺陷、不平衡和齿轮啮合，以及设计来源，例如钻头或机械压力机在其正常运行过程中产生振动。对设备进行基于时间的分析会产生复杂的波形，将多个源组合在一起，在FFT分析之前提供很少的可识别信息。大多数基于压电陶瓷的传感器解决方案依赖于FFT的外部计算和分析。这不仅消除了实时通知的可能性，而且还给设备开发人员带来了巨大的额外设计负担。通过在传感器上嵌入FFT分析，可以立即将振动偏移隔离到特定来源。鉴于完全集成和自主传感器的完整性和简单性，这种完全集成的传感器元件还可以将设备设计人员的开发时间缩短 6 到 12 个月。

访问数据

嵌入式FFT分析假设模拟传感器数据已经过调理并转换为数字数据，因此数据传输大大简化。事实上，目前使用的大多数振动传感器解决方案都是模拟输出，导致传输过程中信号衰减，更不用说已经讨论过的离线数据分析的复杂性。鉴于大多数需要振动监测的工业设备往往存在于嘈杂、移动、难以接近甚至危险的环境中，人们强烈希望不仅要降低接口布线的复杂性，还要在源头执行尽可能多的数据分析，以尽可能准确地捕获设备振动的表示。

多少数据

许多现有的传感器解决方案都是单轴压电传感器。这些压电传感器不提供方向性信息，因此限制了对设备振动曲线的理解。缺乏方向性意味着需要非常低噪声的传感器，这也会影响成本。基于三轴MEMS的传感器的可用性，如果每个轴的精度对齐，可以显着提高隔离振动源的能力，同时可能降低成本。

探测点

传感器的放置位置问题至关重要，但高度依赖于设备类型、环境甚至设备的生命周期。由于现有的高成本传感器元件将探测点的数量限制在几个或一个，因此放置更加关键。这意味着要么需要大量的前期开发时间，要么通过实验确定最佳放置，要么在大多数情况下会导致要捕获的数据的数量和质量有所妥协。以现有成本的一小部分存在更完全集成的传感器探头，可以允许每个系统放置多个探头，减少前期开发时间/成本，或者只是更少和更便宜的传感器。

设备生命周期转变

无论采用何种技术，传感器元件都是一个重要的考虑因素，但通常更关键的是传感器信号调理和处理。信号调理和处理不仅特定于独特的设备，而且特定于设备的生命周期。这转化为传感器设计中的几个重要考虑因素。早期的模数转换（即，在传感器头，而不是在设备外）允许在系统内配置/调整。理想的传感器将提供一个简单的可编程接口，通过快速基线数据捕获、过滤操作、警报编程和不同传感器位置的实验来简化设备设置。对于现有的简单传感器，只要它们可在设备设置中配置，仍然必须在传感器设置中做出一些妥协，以适应设备生命周期内维护问题的变化。例如，传感器是否应配置为设备故障可能性较小的早期使用寿命，还是在故障不仅可能而且可能更有害时配置为使用寿命结束？首选方法是系统内可编程传感器，它允许对生命周期中的变化进行配置。例如，在早期生命期间不经常监测最低功耗;一旦观察到偏移（警告阈值），则重新配置为频繁（用户编程周期）监控;除了对用户编程的报警阈值进行连续监控和中断驱动通知外。

识别变化/趋势

之前关于使传感器适应设备生命周期变化的讨论在某种程度上取决于对基线设备响应的了解。即使是简单的模拟传感器也可以做到这一点，假设操作员进行测量，进行离线分析，并将这些数据离线存储，并正确标记到特定设备和探头位置。一种首选且不易出错的方法将允许在传感器头存储基线FFT，从而消除任何错放数据的可能性。基线数据还有助于建立报警级别，理想情况下，该级别将直接在传感器上进行编程，因此在检测到警告或故障条件的任何后续数据分析/捕获中，可以生成实时中断。

文档/可追溯性

在出厂设置中，适当的振动分析程序可以通过手持式探头或嵌入式传感器监测数十甚至数百个位置。在给定的设备生命周期内，这可能会产生捕获数千条记录的需求。预测性维护计划的完整性取决于与传感器收集点的位置和时间的正确映射。为了获得最低风险和最有价值的数据，除了嵌入式存储外，传感器还应具有唯一的序列号和为数据添加时间戳的能力。

可靠性

前面的讨论重点介绍了改进现有基于传感器的振动监测方法的方法，以实现预测性维护。但是，如果传感器出现故障（性能偏移），而不是设备，该怎么办？或者，如果使用完全自主的传感器（如理想情况所述）进行操作，我们对传感器继续工作的信心有多大？对于许多现有的传感器，例如基于压电陶瓷的传感器，这些情况存在严重的限制，因为简单的压电传感器无法提供系统内自检。人们总是对随时间记录的数据的一致性缺乏信心，在报废关键监控阶段，实时故障通知对时间和成本至关重要，并且可能是一个重大的安全问题，因此总是担心传感器可能无法正常工作。高置信度预测性维护计划的一个基本要求是能够远程自检传感器。幸运的是，这可以通过一些基于MEMS的传感器来实现。嵌入式数字自检功能将缩小可靠振动监测系统的最后差距。

ADI公司的ADIS16227是完全自主频域振动监测器的一个例子，能够解决前面讨论的所有十个关键问题。ADIS16227具有嵌入式频域处理、512点实值FFT和板载存储功能，能够识别和分类各个振动源，监控其随时间的变化，并对可编程阈值电平做出反应。该器件提供可配置的频谱报警频段和窗口选项，允许通过配置6个频段（警报1（警告阈值）和警报2（故障阈值）来分析全频谱，以便更早、更准确地检测问题。其核心是基于MEMS的三轴宽带宽（22 kHz谐振）传感器，具有可配置的采样率（高达100 kHz）和平均/抽取选项，可以更准确地评估微小的振动曲线变化。MEMS传感器提供数字自检模式，为功能和数据完整性提供持续的信心。其紧凑的 15 mm 立方体配置完全嵌入且可编程，可以放置在靠近振动源的位置，并以可重复的方式早期检测小信号。这避免了由于使用手持设备进行测量时的位置/耦合差异而导致的数据差异。

引入完全集成且可靠的振动传感器，具有自主和可配置操作的能力，使预测性维护计划开发人员能够显着提高数据收集过程的质量和完整性，而不受过去振动分析方法的限制和妥协。凭借高集成度和简化的可编程接口，这些新型传感器可以更轻松地采用振动传感，而以前仅限于少数具有数十年机器振动分析经验的高技能技术人员。