【導讀】振動監測 (VM) 已經問世很長一段時間
，並且已被用於監測機器、設備或結構的健康狀況。在機器運行過程中
，可以利用專用傳感器收集其振動數據以對其進行實時監測和分析。

振動監測的主要目標是降低致命性損壞的風險並減少潛在的生產線停產狀況，從而最終控製並降低運營成本。

來(lai)自(zi)振(zhen)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)振(zhen)動(dong)數(shu)據(ju)可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)輸(shu)入(ru)數(shu)據(ju)獨(du)立(li)使(shi)用(yong)
，也(ye)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)操(cao)作(zuo)需(xu)求(qiu)與(yu)其(qi)他(ta)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)據(ju)結(jie)合(he)使(shi)用(yong)。例(li)如(ru)，在(zai)工(gong)廠(chang)自(zi)動(dong)化(hua)應(ying)用(yong)中(zhong)，振(zhen)動(dong)數(shu)據(ju)可(ke)以(yi)與(yu)以(yi)下(xia)數(shu)據(ju)結(jie)合(he)使(shi)用(yong)：

1. 溫度

2. 煙霧

3. 濕度

4. 壓力

5. 聲音

這種組合可以構成一個完整的係統，從而提供更穩固、更可靠的解決方案。

在其他一些用例中（例如結構監測），可以將振動數據與傾角儀收集的傾斜位置數據相結合
，來確定結構的健康狀況。

這些收集到的數據輸入至專用算法，例如新興的人工智能 (AI) suanfa，kejianlinenggouyuceweilaiqianzaiguzhangdemoxing。ranhou，moxingyucexinxikeyongyugoujianzhishi，yibianjuedingshifouxuyaolijicaiqucuoshilaibimianshengchanlisunshi。

工(gong)廠(chang)自(zi)動(dong)化(hua)的(de)一(yi)個(ge)新(xin)趨(qu)勢(shi)是(shi)人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)算(suan)法(fa)的(de)興(xing)起(qi)
，這(zhe)種(zhong)算(suan)法(fa)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)訓(xun)練(lian)
，預(yu)測(ce)應(ying)執(zhi)行(xing)的(de)任(ren)務(wu)。這(zhe)就(jiu)減(jian)輕(qing)了(le)各(ge)操(cao)作(zuo)員(yuan)的(de)負(fu)擔(dan)
，讓(rang)他(ta)們(men)不(bu)必(bi)像(xiang)以(yi)前(qian)一(yi)樣(yang)做(zuo)出(chu)極(ji)其(qi)困(kun)難(nan)而(er)費(fei)時(shi)的(de)決(jue)定(ding)。自(zi)主(zhu)自(zi)動(dong)化(hua)工(gong)廠(chang)可(ke)以(yi)承(cheng)擔(dan)各(ge)操(cao)作(zuo)員(yuan)的(de)責(ze)任(ren)，並(bing)根(gen)據(ju)工(gong)況(kuang)變(bian)化(hua)自(zi)動(dong)作(zuo)出(chu)反(fan)應(ying)。

振動傳感器

在振動監測應用中，振動傳感器是一個關鍵部件。最新的振動傳感器基於 MEMS 技術，使用與加速度計中的加速度檢測相同的概念。它們的主要區別在於傳感器的帶寬。MEMS 加速度計的典型帶寬為 3 kHz
，而振動傳感器則能夠以明顯更高的帶寬檢測振動。振動傳感器能夠捕獲高頻信號
，因此可以對振動進行更為精確的頻率分析。最新的 MEMS 振動傳感器可以提供超過 6 kHz 的帶寬，這一點我們將在後麵討論。

MEMS 振動傳感器有許多用例，圖 1 列出了一些主要應用。電機振動監測是成功實施工廠自動化的重要一環。鐵路振動監測有助於避免發生災難性的火車事故。自 MEMS 傳感器開始應用於工業應用起，洗衣機等家用電器就已經配備了振動監測功能。而結構監測應用則在 MEMS chuanganqidechengbenbiandegengjiahelizhihouhuodelepengbofazhan。liru，shizhengdangjuyouzerenjianceqiaoliangdezhendong，yiquebaojiegouchuyulianghaodejiankangzhuangkuang。qiaoliangzhendongshuju，youqishizaijiaotonggaofengshiduandezhendongshuju，keyizhenduirenhekenengdaozhiqiaoliangdaotadeyichangqingkuangtigongyoujiazhidexinxi。

圖 1：部分 MEMS 傳感器和振動傳感器應用。（圖片來源：STMicroelectronics）

若要確保振動傳感器符合目標應用的需求，我們需要仔細分析傳感器的技術規格。表 1 列出了 STMicroelectronics 提供的其中一款最新振動傳感器的主要參數。此器件可以捕捉到三維空間（X、Y
、Z）的振動。其所提供的三個自由度，可用於靈活地在安裝方向上調整位置。

每個軸的加速度滿量程高達 16 g，足以覆蓋監測機器健康狀況通常所需的振動幅度範圍。

此器件可以提供超寬帶寬
，平坦頻率響應高達 6.3 kHz

，並具有消除頻率混疊的嵌入式濾波功能。

這款傳感器的另一個主要特點是頻譜噪聲密度非常低。當需要捕捉低頻振動時，這是一個非常重要的優勢。

與現有的振動傳感器相比，其工作溫度範圍擴大至 +105°C
，可以滿足苛刻的工作環境要求。

此器件可以在三軸模式或單軸模式下運行
，模式選擇通過專用寄存器來完成。在三軸模式下，所有三個軸（X、Y、Z）會同時啟用。在單軸模式下，隻有一個軸處於活動狀態。在單軸模式下
，活動軸的分辨率（噪聲密度）會顯著提高。

表 1：STMicroelectronics 提供的最新振動傳感器的主要參數。

振動監測應用

振動監測通常是指對機器、設備或電器的振動進行分析
，這是所謂狀態監測 (CM) 或基於狀態監測 (CbM) 的de綜zong合he應ying用yong的de一yi部bu分fen。振zhen動dong分fen析xi在zai監jian測ce機ji器qi的de長chang期qi健jian康kang狀zhuang況kuang方fang麵mian發fa揮hui著zhe越yue來lai越yue重zhong要yao的de作zuo用yong。但dan是shi，除chu了le收shou集ji振zhen動dong數shu據ju之zhi外wai，完wan整zheng的de狀zhuang態tai監jian測ce解jie決jue方fang案an通tong常chang還hai包bao含han多duo個ge傳chuan感gan器qi，用yong以yi收shou集ji包bao括kuo溫wen度du、噪音
、壓力
、yanwuheshiduzaineideqitazhongyaoshebeicanshu。zaizhexiechuanganqizhong，meiyizhongchuanganqidouketigongguanyujiqitedingzhuangkuangdebaoguixinxi。tongguoduizhexiechuanganqishujujinxingronghe、處理和分析
，人們可以了解機器整體狀況，從而做出關鍵的機器維護決策。

圖 2 列lie舉ju了le振zhen動dong監jian測ce在zai不bu同tong市shi場chang的de一yi些xie主zhu要yao應ying用yong。圖tu中zhong的de分fen類lei凸tu顯xian出chu數shu據ju收shou集ji和he分fen析xi對dui於yu狀zhuang態tai檢jian測ce綜zong合he解jie決jue方fang案an的de重zhong要yao性xing。其qi他ta傳chuan感gan器qi可ke用yong來lai收shou集ji數shu據ju
，再zai將jiang這zhe些xie數shu據ju融rong合he在zai一yi起qi以yi獲huo得de可ke靠kao而er有you效xiao的de結jie果guo。在zai業ye界jie提ti供gong的de最zui新xin解jie決jue方fang案an中zhong，使shi用yong智zhi能neng算suan法fa處chu理li傳chuan感gan器qi數shu據ju，可ke以yi將jiang此ci類lei解jie決jue方fang案an的de能neng力li和he有you效xiao性xing提ti升sheng至zhi全quan新xin水shui平ping。這zhe些xie功gong能neng強qiang大da的de創chuang新xin解jie決jue方fang案an有you助zhu於yu顯xian著zhu減jian少shao與yu設she備bei停ting機ji相xiang關guan的de成cheng本ben和he低di效xiao問wen題ti，原yuan本ben這zhe些xie情qing況kuang不bu可ke避bi免mian。

圖 2：各種振動監測應用。（圖片來源：STMicroelectronics）

雲yun計ji算suan已yi經jing成cheng為wei一yi個ge廣guang泛fan解jie決jue方fang案an的de關guan鍵jian組zu成cheng部bu分fen之zhi一yi
，該gai解jie決jue方fang案an涉she及ji從cong企qi業ye多duo個ge地di點dian收shou集ji傳chuan感gan器qi數shu據ju以yi確que保bao任ren何he位wei置zhi都dou不bu會hui出chu現xian任ren何he程cheng度du的de中zhong斷duan。雲yun端duan的de中zhong央yang處chu理li器qi用yong於yu對dui所suo有you數shu據ju進jin行xing合he並bing與yu分fen析xi，並bing對dui涉she及ji的de機ji器qi設she備bei進jin行xing實shi時shi監jian測ce，確que保bao它ta們men平ping穩wen地di不bu間jian斷duan運yun行xing。

圖 3 列出了振動監測係統的基本組成部分。根據係統的需求
，可以在必須監測的設備上安裝各種傳感器。這些傳感器包括：

●   振動

●   慣性傳感器模塊

●   溫度

●   濕度

●   壓力

●   環境光傳感器

●   傾角儀

分析收集的數據需要使用處理單元。根據數據量
、隱私性、數據安全性、延遲和功耗要求，分析可以由本地處理單元完成，也可以傳輸到雲處理中心，由其收集和分析來自多台設備的所有數據。

圖3：振動監測係統的組成部分。（圖片來源：STMicroelectronics）

在機器安裝後和運行期間，機器的狀況會在某個時間點開始發生變化。因此
，務必要安裝所有需要的傳感器
，以收集有關超聲和噪音
、振動

、功耗、溫(wen)度(du)和(he)任(ren)何(he)潛(qian)在(zai)煙(yan)霧(wu)的(de)數(shu)據(ju)。隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)推(tui)移(yi)
，收(shou)集(ji)機(ji)器(qi)參(can)數(shu)和(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)據(ju)的(de)必(bi)要(yao)性(xing)愈(yu)發(fa)凸(tu)顯(xian)
，這(zhe)對(dui)於(yu)監(jian)測(ce)機(ji)器(qi)的(de)健(jian)康(kang)狀(zhuang)況(kuang)變(bian)得(de)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。

圖 4 描繪了受監測機器的典型安裝和故障點 (IPF) 曲qu線xian。從cong機ji器qi狀zhuang況kuang變bian化hua到dao最zui終zhong發fa生sheng故gu障zhang可ke能neng曆li時shi很hen久jiu，或huo許xu要yao幾ji個ge月yue甚shen至zhi幾ji年nian才cai會hui開kai始shi出chu現xian故gu障zhang症zheng狀zhuang。對dui傳chuan感gan器qi數shu據ju進jin行xing早zao期qi分fen析xi
，可ke以yi了le解jie機ji器qi的de健jian康kang狀zhuang況kuang，而er使shi用yong傳chuan感gan器qi數shu據ju作zuo為wei輸shu入ru進jin行xing訓xun練lian的de人ren工gong智zhi能neng算suan法fa
，則ze可ke以yi預yu測ce故gu障zhang並bing開kai始shi采cai取qu必bi要yao的de措cuo施shi。

圖 4：IPF 曲線。（圖片來源：STMicroelectronics）

圖 5 提供了電動泵振動監測的示例。失衡、鬆動、shuchuzhouhebengdechilunxiangdenggezhongbutongdezhuangkuang
，doukeyishiyongzhendongchuanganqilaijiance。ranhou，zhendongchuanganqideshujubeichuansongchuqu，yijinyibujinxinggezhongfenxi，baokuoduizhendongshujujinxingkuaisufuliyebianhuan (FFT)
，從而確定這些狀況的各個頻率特征。

圖 5：不同狀況下的電動泵振動監測。（圖片來源：STMicroelectronics）

電動機的狀態監測係統除了電動機之外，還可以包含幾個組件。該解決方案可以包含多個傳感器，例如振動傳感器、溫度傳感器、壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)以(yi)及(ji)其(qi)他(ta)傳(chuan)感(gan)器(qi)，具(ju)體(ti)取(qu)決(jue)於(yu)操(cao)作(zuo)環(huan)境(jing)的(de)要(yao)求(qiu)。泵(beng)與(yu)處(chu)理(li)單(dan)元(yuan)之(zhi)間(jian)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)有(you)線(xian)或(huo)無(wu)線(xian)的(de)連(lian)接(jie)方(fang)式(shi)

，並(bing)使(shi)用(yong)專(zhuan)門(men)的(de)通(tong)信(xin)協(xie)議(yi)。處(chu)理(li)和(he)分(fen)析(xi)單(dan)元(yuan)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)泵(beng)的(de)診(zhen)斷(duan)和(he)可(ke)視(shi)化(hua)工(gong)具(ju)，幫(bang)助(zhu)操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)主(zhu)動(dong)識(shi)別(bie)和(he)解(jie)決(jue)諸(zhu)如(ru)泵(beng)異(yi)常(chang)等(deng)問(wen)題(ti)，這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)操(cao)作(zuo)停(ting)機(ji)和(he)中(zhong)斷(duan)。通(tong)過(guo)這(zhe)種(zhong)主(zhu)動(dong)介(jie)入(ru)，可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)工(gong)廠(chang)的(de)運(yun)營(ying)和(he)維(wei)護(hu)成(cheng)本(ben)，提(ti)高(gao)公(gong)司(si)的(de)利(li)潤(run)。

結語

為了實施預測性維護綜合解決方案，需要部署許多傳感器。最新的 MEMS 振動傳感器為工廠自動化、電力設施、家jia用yong電dian器qi以yi及ji結jie構gou健jian康kang狀zhuang況kuang監jian測ce和he監jian管guan提ti供gong了le高gao效xiao和he經jing濟ji的de振zhen動dong監jian測ce解jie決jue方fang案an。振zhen動dong監jian測ce既ji可ke以yi作zuo為wei獨du立li解jie決jue方fang案an進jin行xing部bu署shu，也ye可ke以yi作zuo為wei基ji於yu狀zhuang態tai監jian測ce的de組zu成cheng部bu分fen，後hou者zhe已yi逐zhu漸jian成cheng為wei通tong過guo實shi時shi收shou集ji和he分fen析xi數shu據ju來lai監jian測ce各ge種zhong機ji器qi的de綜zong合he解jie決jue方fang案an不bu可ke或huo缺que的de部bu分fen。這zhe一yi解jie決jue方fang案an使shi21shijidegongchangyounenglizhudongjiancehejiejueyinjiqishengchanlizhongduanhetinggongerchanshengdewenti。zairenhegongchangzidonghuazonghejiejuefanganzhong，zhendongjiancedoushizhongyaozuchengbufen。

參考文獻

1. 用於工業應用的超寬帶寬低噪聲3軸數字加速度計：https://www.st.com/zh/mems-and-sensors/iis3dwb.html

2. Analog bottom port microphone with frequency response up to 80 kHz for Ultrasound analysis and Predictive Maintenance applications.https://www.st.com/zh/mems-and-sensors/imp23absu.html

3. Low-voltage, ultra-low-power, 0.5 °C accuracy I²C/SMBus 3.0 temperature sensor.https://www.st.com/zh/mems-and-sensors/stts22h.html

4. https://www.st.com/zh/applications/factory-automation/condition-monitoring-predictive-maintenance.html#overview

5. https://www.st.com/zh/applications/factory-automation.html

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