在高級狀態監測和預測性維護中
，振動傳感器起著至關重要的作用。本文我們將介紹不同加速度計設計的利弊。

 

數字化正在給工業領域帶來巨大變革
，無論是製造業、公用事業

、采礦業還是鋼鐵業

，采用基於傳感器的數字網絡可以實時地采集、傳輸和分析數據，從而可為相關機構提供比以往任何時候都更好的資產可視性。

 

zhezhongzhinengzhengzaigeixuduoguanjianlingyudailaijudajinbu。xiamiangeichudeyigeshilishiyucexingweihu。tongguofenxilaizigongchangchejianhuogongzuoxianchangdegezhongjiqishuju
，keyishibiechubuguizedeyunxingmoshi，congerzaijiqishebeichuxianwentizhiqianjiushixianfaxian。suizheshijiandeleiji
，zhexiexinxikeyibuduanwanshan

，nenggoubimianyiwaidetingjishijian，bingjiangdiweixiuchengben，congershixiangenggaoxiaodeyunying。

 

但dan是shi有you效xiao的de預yu測ce性xing維wei護hu依yi賴lai於yu廣guang泛fan的de機ji械xie和he電dian氣qi技ji術shu
，通tong過guo這zhe些xie技ji術shu的de密mi切qie配pei合he可ke以yi為wei工gong程cheng師shi提ti供gong所suo需xu的de信xin息xi。這zhe其qi中zhong一yi個ge重zhong要yao部bu件jian是shi加jia速su度du計ji，它ta是shi一yi種zhong用yong於yu測ce量liang工gong業ye環huan境jing中zhong結jie構gou振zhen動dong的de微wei型xing器qi件jian。從cong發fa展zhan曆li史shi上shang看kan
，加jia速su度du計ji一yi直zhi在zai用yong於yu監jian測ce大da型xing高gao端duan機ji械xie設she備bei的de振zhen動dong性xing能neng。但dan是shi，隨sui著zhe數shu字zi化hua和he自zi動dong化hua趨qu勢shi的de加jia速su發fa展zhan，它ta們men已yi越yue來lai越yue多duo地di應ying用yong於yu智zhi能neng化hua預yu測ce維wei護hu

，例li如ru機ji床chuang主zhu軸zhou

、傳送帶、分揀台和機床等數量眾多
，但又較小的係統。

 

yinci，duiyukekaoxinggongchengshieryan，bixuduikeyongdebutongleixingjiasudujijishutexingyouchongfenlejie，zhexiexinxiyouzhuyuquanhenggezhongleixingqijiandeyouquedian，bingzhenduigezhongbutongzhendongyingyongzaijuedingcaiyongnazhongqijianshizuochumingzhidexuanze。

 

不同類型的振動傳感器

用於振動測量的兩種主要加速度計為壓電（piezoelectric）和可變電容（variable capacitance）振動傳感器，這裏我們將介紹它們的更詳細信息，根據TE Connectivity最近發布的技術比較研究，我們將討論這些器件各自的優缺點。

 

就它們的工作原理而言
，壓電（PE）加速度計內部包含壓電晶體

，它們在遇到振動時自身會產生並發出信號。大多數壓電傳感器都包含鋯鈦酸鉛陶瓷（PZT）
，能夠通過極化對齊偶極子並使晶體能夠產生壓電效應。 PZT晶體非常適合狀態監測應用，它們可以在寬溫度和動態範圍內工作，並且有高於 20kHz的頻率帶寬。

 

市場上主要有兩種壓電加速度計設計類型：壓ya縮suo模mo式shi和he剪jian切qie模mo式shi。壓ya縮suo模mo式shi設she計ji是shi通tong過guo將jiang重zhong量liang加jia載zai到dao晶jing體ti上shang並bing通tong過guo預yu加jia載zai力li來lai對dui壓ya電dian晶jing體ti施shi加jia應ying力li，這zhe種zhong方fang式shi構gou建jian的de壓ya縮suo模mo式shi設she計ji具ju有you性xing能neng局ju限xian，容rong易yi受shou到dao安an裝zhuang基ji座zuo應ying變bian的de影ying響xiang，並bing且qie具ju有you較jiao高gao的de熱re漂piao移yi。

 

lingyifangmian
，jianqiemoshishejijuyougudingzaizhizhushangdehuanxingjianqiejingtihehuanxingzhiliang。zhezhongshejiyouyucaiyonggelidejizuo，bingqiejihubushoureyingliyingxiang，congertigaolewendingxing，juyoubiyasuomoshigenghaodexingneng。deque，zhexietexingshijianqiemoshishejizaizhuangtaijianceyingyongzhonggengshouhuanying。

 

現在讓我們評估一下可變電容（VC）傳感器的性能。這些器件通過記錄在兩個電容器極板之間地震震動質量（seismic mass）傳遞導致的電容變化來測量加速度。電容變化與施加的加速度成比例。可變電容加速度計需要將IC耦(ou)合(he)到(dao)傳(chuan)感(gan)元(yuan)件(jian)，以(yi)將(jiang)微(wei)小(xiao)的(de)電(dian)容(rong)變(bian)化(hua)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)。但(dan)是(shi)，此(ci)轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)低(di)信(xin)噪(zao)比(bi)和(he)有(you)限(xian)的(de)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)。就(jiu)主(zhu)流(liu)技(ji)術(shu)而(er)言(yan)
，可(ke)變(bian)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)主(zhu)要(yao)由(you)矽(gui)晶(jing)片(pian)製(zhi)成(cheng)
，並(bing)構(gou)建(jian)於(yu)微(wei)型(xing)微(wei)機(ji)電(dian)係(xi)統(tong)（MEMS）芯片之上。

 

比較測試結果

因此，從本質上講，這就是兩種技術的工作方式。但是
，當通過仔細控製的測試將它們進行彼此比較時，它們的測量結果會如何
？ TE Con​​nectivity進行的一項研究目的是針對這個重要問題提供一些答案。這項研究是通過比較壓電狀態監測加速度計和高寬帶MEMS可變電容加速度計典型的關鍵振動指標參數進行，兩者的滿量程範圍均為±50g。

 

這項研究采用了一個高頻校準振動器（shaker）
，頻率範圍為5～20kHz
，進行了包括頻率響應在內的一係列測試。傳感器安裝牢固
，可在整個測試範圍內保持高精度

，並且可接受最大±1dB幅度偏差可用帶寬。結果表明
，可變電容器MEMS傳感器的可用帶寬高達3kHz
，而壓電傳感器的可用帶寬超過10kHz。

 

可將樣品放置在噪聲隔離的腔室中
，並使用具有微G分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)測(ce)量(liang)設(she)備(bei)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)。同(tong)時(shi)也(ye)測(ce)試(shi)這(zhe)些(xie)單(dan)元(yuan)，以(yi)消(xiao)除(chu)外(wai)部(bu)環(huan)境(jing)幹(gan)擾(rao)帶(dai)來(lai)的(de)任(ren)何(he)誤(wu)差(cha)。此(ci)處(chu)記(ji)錄(lu)了(le)針(zhen)對(dui)四(si)個(ge)不(bu)同(tong)帶(dai)寬(kuan)設(she)置(zhi)運(yun)行(xing)的(de)結(jie)果(guo)，以(yi)及(ji)每(mei)種(zhong)設(she)置(zhi)下(xia)的(de)殘(can)留(liu)噪(zao)聲(sheng)：

測量分辨率和動態範圍是基於0.03～10kHz帶寬得出，如下圖所示。根據TE的研究
，壓電傳感器的分辨率比可變電容MEMS傳感器高約9倍。這一結果顯著提高了動態範圍，使最終用戶能夠在更早的階段發現潛在的問題。

 

圖2：測量分辨率比較。

 

tongguobijiaowendingxinghepiaoyi

，keyifaxianyadianchuanganqizaizhefangmianbiaoxianchuse
，suizheshijiandeleiji，yadianjingtizaigongyehuanjingzhongyibeizhengmingfeichangwending。changqidepiaoyicanshuyusuoshiyongjingtipeifangyouguan，yinciyaotigongyigeshijizhijuyouhendatiaozhanxing。TE的研究指出
，PZT晶體是壓電加速度計中最常用的類型

，並且是多種廣泛應用中很受歡迎的晶體。

 

可變電容MEMS加速度計對於長期漂移也有多種參數限製
，這取決於MEMS設計架構。整體微加工（bulk micromachined）MEMS傳感器通常可提供最佳的長期漂移性能，但成本更高
，通常僅用於慣性應用。

 

為了進行狀態監測
，MEMS供應商還可提供表麵微加工可變電容MEMS傳感器。這些器件價格相對便宜一些，但在測量分辨率和長期穩定性方麵卻無法達到最佳水平。TE報告指出，“表麵微加工”設計的MEMS架構不如整體微加工MEMS傳感器穩定。

 

在對工作溫度範圍進行比較時

，發現壓電和可變電容MEMS加速度計在狀態監測應用（-40℃～+ 125℃溫度範圍）中均表現良好。在特定的極端安裝環境下

，溫度越高可能需要的傳感器作用範圍越大。在這種情況下
，推薦使用充電模式壓電傳感器。

 

genjuanzhuangdeteshuxingheshoutouderenwu
，kenengxuyaoxuanzechuanganqideshuchuxinhaoleixing。daduoshuyucexingweihuanzhuangdouxuyaolaizichuanganqidemonixinhao，yincizuizhongyonghukeyigenjujiqishebeideleixingxuanzeyaojiancedecanshu。zaidaduoshuqingkuangxia，DAQ或PLC接口主導信號輸出
，因此模擬輸出是最常見的選擇。

 

但是，就需要較長電纜的安裝而論，環路供電的4～20mA傳感器也是標準配置。對於實施數字工業4.0策ce略lve的de智zhi能neng工gong廠chang，隨sui著zhe帶dai有you板ban載zai微wei處chu理li器qi的de智zhi能neng傳chuan感gan器qi應ying用yong越yue來lai越yue多duo，數shu字zi輸shu出chu信xin號hao也ye更geng加jia普pu遍bian，這zhe些xie可ke幫bang助zhu最zui終zhong用yong戶hu立li即ji做zuo出chu維wei護hu決jue策ce。根gen據juTE的研究，這些輸出信號選項在壓電和可變電容MEMS傳感器中都可提供，因此這兩種技術都能夠提供上述功能。

 

壓電傳感器滿足所有要求

總之，TE的研究表明，在工作溫度、封裝靈活性、傳感器輸出選項和安裝簡便性等方麵，MEMSheyadianchuanganqijiasudujijuyouxiangsidexingneng。raner
，youyuqiguyoudetexing，yadianchuanganqinenggouweichangqiwendingxingtigonggengkekaodexuanze。qianrushiyadianjiasudujijuyouquanmiandepinlvxiangying，congdisudaogaosujixieshebeitadoushilixiangdexuanze，keweizaoqiguzhangjiancetigonggengqingxidexinhaofenbianlv。yinci
，duiyugongyezhuangtaijianceheyucexingweihuyingyong
，yadianchuanganqishishouxuanjishu。

（來源：EDN


，作者：貿澤電子Mark Patrick）