【導讀】探索基于壓電陶瓷的傳感器和手持式數據收集工具在用于基于狀態的預測性維護時的優勢和局限性，以及完全集成和可靠的振動傳感器的優勢。
探索基于壓電陶瓷的傳感器和手持式數據收集工具在用于基于狀態的預測性維護時的優勢和局限性，以及完全集成和可靠的振動傳感器的優勢。
精密工業過程越來越依賴于電機和相關機械的高效和一致運行。機械中的不平衡、缺陷、配件松動和其他異常通常會轉化為振動，然后是精度損失以及安全問題。如果不加以解決，除了性能和安全問題外，如果設備需要離線維修，生產力損失將不可避免。
基于狀態的預測性維護是避免生產力損失的已知且經過驗證的方法，但這種方法的價值與其復雜性相匹配。現有方法存在局限性，特別是在分析振動數據（無論如何收集）和隔離誤差源時。
現有的數據收集方法包括安裝在機器上的簡單壓電傳感器和手持式數據收集工具。這些方法有許多局限性，特別是與可以嵌入機器上或機器中并自主行動的完整檢測和分析系統的理想解決方案相比。本文將進一步探討這些局限性以及與理想的比較。
測量的可重復性
手持式振動探頭具有一些實現優勢，例如不需要對終端設備進行任何修改，并且鑒于其大（磚）尺寸，它們相對高度集成，允許足夠的處理和存儲。然而，一個主要的限制是測量的可重復性。探頭位置或角度的微小差異會產生不一致的振動曲線，使時間比較不準確。因此，維護技術人員面臨的問題是，觀察到的任何振動偏移是由于機器內部的實際變化，還是僅僅是測量技術的變化。理想情況下，傳感器既緊湊又集成，足以允許直接和永久嵌入感興趣的設備中。
測量時間表
手持式探頭方法的另一個限制是缺乏對麻煩的振動偏移的實時通知。大多數基于壓電陶瓷的傳感器也是如此，這些傳感器通常處于非常低的集成度（在某些情況下僅為傳感器），數據傳輸到其他地方以供以后分析。這些設備需要外部干預，因此為錯過事件/班次提供了機會。另一方面，自主傳感器處理系統包括傳感器、分析、存儲和報警功能，并且仍然足夠小，可以嵌入，提供最快的振動偏移通知，以及顯示基于時間的趨勢的最佳能力。
了解數據
只有采用頻域分析，才能實現嵌入式傳感器實時通知的理想（如前所述）。任何給定的設備通常具有多個振動源，例如軸承缺陷、不平衡和齒輪嚙合，以及設計來源，例如鉆頭或機械壓力機在其正常運行過程中產生振動。對設備進行基于時間的分析會產生復雜的波形，將多個源組合在一起，在FFT分析之前提供很少的可識別信息。大多數基于壓電陶瓷的傳感器解決方案依賴于FFT的外部計算和分析。這不僅消除了實時通知的可能性，而且還給設備開發人員帶來了巨大的額外設計負擔。通過在傳感器上嵌入FFT分析，可以立即將振動偏移隔離到特定來源。鑒于完全集成和自主傳感器的完整性和簡單性，這種完全集成的傳感器元件還可以將設備設計人員的開發時間縮短 6 到 12 個月。
訪問數據
嵌入式FFT分析假設模擬傳感器數據已經過調理并轉換為數字數據，因此數據傳輸大大簡化。事實上，目前使用的大多數振動傳感器解決方案都是模擬輸出，導致傳輸過程中信號衰減，更不用說已經討論過的離線數據分析的復雜性。鑒于大多數需要振動監測的工業設備往往存在于嘈雜、移動、難以接近甚至危險的環境中，人們強烈希望不僅要降低接口布線的復雜性，還要在源頭執行盡可能多的數據分析，以盡可能準確地捕獲設備振動的表示。
多少數據
許多現有的傳感器解決方案都是單軸壓電傳感器。這些壓電傳感器不提供方向性信息，因此限制了對設備振動曲線的理解。缺乏方向性意味著需要非常低噪聲的傳感器，這也會影響成本。基于三軸MEMS的傳感器的可用性，如果每個軸的精度對齊，可以顯著提高隔離振動源的能力，同時可能降低成本。
探測點
傳感器的放置位置問題至關重要，但高度依賴于設備類型、環境甚至設備的生命周期。由于現有的高成本傳感器元件將探測點的數量限制在幾個或一個，因此放置更加關鍵。這意味著要么需要大量的前期開發時間，要么通過實驗確定最佳放置，要么在大多數情況下會導致要捕獲的數據的數量和質量有所妥協。以現有成本的一小部分存在更完全集成的傳感器探頭，可以允許每個系統放置多個探頭，減少前期開發時間/成本，或者只是更少和更便宜的傳感器。
設備生命周期轉變
無論采用何種技術，傳感器元件都是一個重要的考慮因素，但通常更關鍵的是傳感器信號調理和處理。信號調理和處理不僅特定于獨特的設備，而且特定于設備的生命周期。這轉化為傳感器設計中的幾個重要考慮因素。早期的模數轉換（即，在傳感器頭，而不是在設備外）允許在系統內配置/調整。理想的傳感器將提供一個簡單的可編程接口，通過快速基線數據捕獲、過濾操作、警報編程和不同傳感器位置的實驗來簡化設備設置。對于現有的簡單傳感器，只要它們可在設備設置中配置，仍然必須在傳感器設置中做出一些妥協，以適應設備生命周期內維護問題的變化。例如，傳感器是否應配置為設備故障可能性較小的早期使用壽命，還是在故障不僅可能而且可能更有害時配置為使用壽命結束？首選方法是系統內可編程傳感器，它允許對生命周期中的變化進行配置。例如，在早期生命期間不經常監測最低功耗;一旦觀察到偏移（警告閾值），則重新配置為頻繁（用戶編程周期）監控;除了對用戶編程的報警閾值進行連續監控和中斷驅動通知外。
識別變化/趨勢
之前關于使傳感器適應設備生命周期變化的討論在某種程度上取決于對基線設備響應的了解。即使是簡單的模擬傳感器也可以做到這一點，假設操作員進行測量，進行離線分析，并將這些數據離線存儲，并正確標記到特定設備和探頭位置。一種首選且不易出錯的方法將允許在傳感器頭存儲基線FFT，從而消除任何錯放數據的可能性。基線數據還有助于建立報警級別，理想情況下，該級別將直接在傳感器上進行編程，因此在檢測到警告或故障條件的任何后續數據分析/捕獲中，可以生成實時中斷。
文檔/可追溯性
在出廠設置中，適當的振動分析程序可以通過手持式探頭或嵌入式傳感器監測數十甚至數百個位置。在給定的設備生命周期內，這可能會產生捕獲數千條記錄的需求。預測性維護計劃的完整性取決于與傳感器收集點的位置和時間的正確映射。為了獲得最低風險和最有價值的數據，除了嵌入式存儲外，傳感器還應具有唯一的序列號和為數據添加時間戳的能力。
可靠性
前面的討論重點介紹了改進現有基于傳感器的振動監測方法的方法，以實現預測性維護。但是，如果傳感器出現故障（性能偏移），而不是設備，該怎么辦？或者，如果使用完全自主的傳感器（如理想情況所述）進行操作，我們對傳感器繼續工作的信心有多大？對于許多現有的傳感器，例如基于壓電陶瓷的傳感器，這些情況存在嚴重的限制，因為簡單的壓電傳感器無法提供系統內自檢。人們總是對隨時間記錄的數據的一致性缺乏信心，在報廢關鍵監控階段，實時故障通知對時間和成本至關重要，并且可能是一個重大的安全問題，因此總是擔心傳感器可能無法正常工作。高置信度預測性維護計劃的一個基本要求是能夠遠程自檢傳感器。幸運的是，這可以通過一些基于MEMS的傳感器來實現。嵌入式數字自檢功能將縮小可靠振動監測系統的最后差距。
ADI公司的ADIS16227是完全自主頻域振動監測器的一個例子，能夠解決前面討論的所有十個關鍵問題。ADIS16227具有嵌入式頻域處理、512點實值FFT和板載存儲功能，能夠識別和分類各個振動源，監控其隨時間的變化，并對可編程閾值電平做出反應。該器件提供可配置的頻譜報警頻段和窗口選項，允許通過配置6個頻段（警報1（警告閾值）和警報2（故障閾值）來分析全頻譜，以便更早、更準確地檢測問題。其核心是基于MEMS的三軸寬帶寬（22 kHz諧振）傳感器，具有可配置的采樣率（高達100 kHz）和平均/抽取選項，可以更準確地評估微小的振動曲線變化。MEMS傳感器提供數字自檢模式，為功能和數據完整性提供持續的信心。其緊湊的 15 mm 立方體配置完全嵌入且可編程，可以放置在靠近振動源的位置，并以可重復的方式早期檢測小信號。這避免了由于使用手持設備進行測量時的位置/耦合差異而導致的數據差異。
引入完全集成且可靠的振動傳感器，具有自主和可配置操作的能力，使預測性維護計劃開發人員能夠顯著提高數據收集過程的質量和完整性，而不受過去振動分析方法的限制和妥協。憑借高集成度和簡化的可編程接口，這些新型傳感器可以更輕松地采用振動傳感，而以前僅限于少數具有數十年機器振動分析經驗的高技能技術人員。
(來源：中電網，作者：Bob Scannell）
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