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構建用于工業應用中基于狀態監測的 MEMS 振動傳感器系統

2512852 2022-11-25 | pdf | 468.48KB | 次下載 | 免費

資料介紹

任何工業機械最終都會出現故障，或早于制造缺陷，或后于碎屑堆積、內部零件退化或僅僅是磨損。隨著自動化工業生產線的發展，工廠操作員面臨著看似無窮無盡的維護和維修周期，這可能會使生產線停滯不前，尤其是當未檢測到的機械故障演變成災難性故障時。任何工業機械最終都會出現故障，或早于制造缺陷，或后于碎屑堆積、內部零件退化或僅僅是磨損。隨著自動化工業生產線的發展，工廠操作員面臨著看似無窮無盡的維護和維修周期，這可能會使生產線停滯不前，尤其是當未檢測到的機械故障演變成災難性故障時。工廠操作員可以使用基于狀態的監測 (CBM) 指標，在設備進入關鍵運行狀態之前更有效地安排維護和維修，而不是應對意外的設備故障或忍受不必要的停機時間進行無保證的維護。監控機器運行狀態的能力可以轉化為工業環境中的顯著節省。通過檢測通常先于設備故障發生的情況，工業工程師可以在機器發生故障之前對其進行維修。工廠操作員可以使用基于狀態的監測 (CBM) 指標，在設備進入關鍵運行狀態之前更有效地安排維護和維修，而不是應對意外的設備故障或忍受不必要的停機時間進行無保證的維護。監控機器運行狀態的能力可以轉化為工業環境中的顯著節省。通過檢測通常先于設備故障發生的情況，工業工程師可以在機器發生故障之前對其進行維修。然而，在實施 CBM 時，需要監控的條件的性質可能會有所不同，這需要開發人員構建符合其特定要求的準確傳感器信號鏈。然而，在實施 CBM 時，需要監控的條件的性質可能會有所不同，這需要開發人員構建符合其特定要求的準確傳感器信號鏈。本文討論了為工業設備實施 CBM 的要求，并描述了開發人員如何使用 Analog Devices 的器件組合來構建能夠滿足這些要求的信號鏈。本文討論了為工業設備實施 CBM 的要求，并描述了開發人員如何使用 Analog Devices 的器件組合來構建能夠滿足這些要求的信號鏈。振動分析振動分析作為 CBM 方法的基礎，振動分析已成為評估機械及其運動部件運行狀態的主要技術。在這種方法中，工業工程師分析振動測量值以識別表明轉子、齒輪、軸承和機器部件之間的任何其他機械接口不平衡、未對準或損壞的模式。例如，高振幅振動的重復模式可以反映由于損壞或磨損的離合器、齒輪、軸承、軸承座圈或其他接觸機器表面而導致的機械沖擊事件。作為 CBM 方法的基礎，振動分析已成為評估機械及其運動部件運行狀態的主要技術。在這種方法中，工業工程師分析振動測量值以識別表明轉子、齒輪、軸承和機器部件之間的任何其他機械接口不平衡、未對準或損壞的模式。例如，高振幅振動的重復模式可以反映由于損壞或磨損的離合器、齒輪、軸承、軸承座圈或其他接觸機器表面而導致的機械沖擊事件。然而，除了這種時域振動測量之外，使用快速傅里葉變換 (FFT) 分析的頻域測量可以提供有關機械狀態的更多詳細信息。盡管用于生成此頻域分析的 FFT 計算需要更多的計算能力，但結果是值得付出努力的。使用這種方法，經驗豐富的工程師已經找到了幾個與頻率相關的可靠指標，這些指標可以指示諸如不平衡、未對準、松動和軸承缺陷等故障（圖 1）。然而，除了這種時域振動測量之外，使用快速傅里葉變換 (FFT) 分析的頻域測量可以提供有關機械狀態的更多詳細信息。盡管用于生成此頻域分析的 FFT 計算需要更多的計算能力，但結果是值得付出努力的。使用這種方法，經驗豐富的工程師已經找到了幾個與頻率相關的可靠指標，這些指標可以指示諸如不平衡、未對準、松動和軸承缺陷等故障（圖 1）。圖 1：通過測量頻域中峰值的絕對和相對幅度，工業工程師可以推斷出各種當前和潛在的機械問題，從機器部件不平衡到軸承故障。（圖片來源：Analog Devices）圖 1：通過測量頻域中峰值的絕對和相對幅度，工業工程師可以推斷出各種當前和潛在的機械問題，從機器部件不平衡到軸承故障。（圖片來源：Analog Devices）在這些指標中，基頻（也稱為 1x 分量）相對于其諧波的變化和早期基線 1x 測量值可能表示機器中存在某種不平衡，反映在幅度與旋轉速率的平方成正比的信號中，并且其頻率與機器的旋轉或共振頻率相匹配。相比之下，機器部件之間的未對準或松動會導致一次諧波（也稱為 2x 分量）甚至高達 10x 的頻率分量的特性增加。同樣，不平衡、未對準或損壞的內部零件（例如齒輪）會導致與其自身旋轉速率和齒數相關的頻率出現更高的峰值。在這些指標中，基頻（也稱為 1x 分量）相對于其諧波的變化和早期基線 1x 測量值可能表示機器中存在某種不平衡，反映在幅度與旋轉速率的平方成正比的信號中，并且其頻率與機器的旋轉或共振頻率相匹配。相比之下，機器部件之間的未對準或松動會導致一次諧波（也稱為 2x 分量）甚至高達 10x 的頻率分量的特性增加。同樣，不平衡、未對準或損壞的內部零件（例如齒輪）會導致與其自身旋轉速率和齒數相關的頻率出現更高的峰值。故障指示器可能會變得相當復雜，特別是對于埋在機器內的滾道中的軸承。當軸承在其座圈中移動時，它們會在稱為滾珠旋轉頻率 (BSF) 的頻率下產生特征信號，該信號包含在與軸承座圈的基本頻率 (FTF) 相關的包絡內——軸承保持架繞軸承圈移動的速率軸承。有缺陷的軸承或座圈會在 BSF 處導致相對較高的振幅事件，從而導致由 FTF 調制的一系列低振幅振動（圖 2）。故障指示器可能會變得相當復雜，特別是對于埋在機器內的滾道中的軸承。