Создание детектора вибрации на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС)

Мониторинг состояния — это проблема для компаний, в которых механическое оборудование «забито» двигателями, генераторами и редукторами. Но это необходимо для того, чтобы руководители предприятий понимали, как работает механическое оборудование и нуждается ли оно в обслуживании. Целенаправленное техническое обслуживание может предотвратить ненужные простои и длительные ремонтные работы.

Один из способов, которым руководители предприятий проводят мониторинг состояния, — это анализ моделей вибрации, излучаемых их оборудованием. Например, вибрации редукторов обычно в частотной области кратны скорости вала. Неравномерность этих частот указывает на износ, дисбаланс или выход из строя деталей.

Акселерометры на базе микроэлектромеханических систем (MEMS) часто используются для измерения таких частот. По сравнению с пьезоэлектрическими датчиками вибрации они имеют более высокое разрешение, превосходные характеристики дрейфа и чувствительности, а также лучшее отношение сигнал / шум (signal-to-noise SNR). Они также могут обнаруживать низкочастотные колебания, близкие по частоте к постоянному току.

В этом примере схемы измерения вибрации используется акселерометр MEMS (ADXL1002) и аналого-цифровой преобразователь регистра последовательного приближения (SAR)

Схема выше представляет собой высоколинейное, малошумное, широкополосное измерение вибрации. Аналоговый выходной сигнал от акселерометра ADXL 1002 MEMS через двухполюсный RC-фильтр поступает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) AD4000 регистра последовательного приближения (SAR). Он преобразует аналоговый сигнал в цифровое значение для дальнейшей обработки. Этот подход может использоваться для анализа состояния подшипников или мониторинга двигателя, а также во всех приложениях, требующих динамического диапазона до ± 50 g и частотной характеристики от постоянного тока до 11 кГц.

Высокочастотный одноосевой акселерометр MEMS обеспечивает полосу пропускания выходного сигнала, выходящую за пределы диапазона резонансных частот датчика. Это позволяет контролировать и измерять частоты за пределами полосы пропускания 3 дБ. Для этого выходной усилитель акселерометра поддерживает полосу пропускания сигнала 70 кГц. Емкостные нагрузки до 100 пФ также могут напрямую управляться с помощью выходного усилителя акселерометра. Для нагрузок более 100 пФ следует использовать последовательный резистор сопротивлением менее 8 кОм.

Внешний фильтр на выходе акселерометра необходим для устранения шума наложения спектров выходного усилителя. Он также устраняет шум от внутренних компонентов акселерометра, который может возникнуть, например, когда они соединяются через внутренний тактовый сигнал 200 кГц. Таким образом, ширина полосы фильтра должна быть реализована соответствующим образом.

С элементами, показанными на схеме выше (R1 = 16 кОм, C1 = 300 пФ, R2 = 32 кОм и C2 = 300 пФ), ослабление около 84 дБ достигается на частоте 200 кГц. Кроме того, выбранная частота дискретизации АЦП должна быть выше полосы пропускания усилителя (например, 32 кГц).

Для АЦП в качестве эталона следует выбрать напряжение питания акселерометра, поскольку выходной усилитель имеет логометрическую связь с напряжением питания. В этом случае допустимое отклонение напряжения питания и температурный коэффициент напряжения (которые обычно связаны с внешними регуляторами) проходят между акселерометром и АЦП, так что неявная ошибка, связанная с питающим и опорным напряжениями, устраняется.

Частотная характеристика акселерометра (показанная ниже) является наиболее важной характеристикой схемы. Усиление увеличивается на частотах выше примерно 2–3 кГц. Для резонансной частоты (11 кГц) пиковое значение усиления составляет около 12 дБ (коэффициент 4) выходного напряжения.

На этом графике показана частотная характеристика акселерометра MEMS, используемого в схеме

Для отображения выхода за пределы диапазона измерения акселерометр имеет соответствующий выход (контакт OR). Встроенный монитор выдает предупреждение, когда выходной сигнал выходит за установленный диапазон.

Особое внимание следует уделить правильной установке акселерометра. Он должен располагаться близко к жесткой точке крепления на плате, чтобы избежать вибраций на самой печатной плате, которые могут вызвать ошибки измерения, если они не затухают. Правильное размещение гарантирует, что вибрация каждой печатной платы на акселерометре превышает резонансную частоту механического датчика и, следовательно, практически невидима для акселерометра. Несколько точек крепления рядом с датчиком и более «толстая» плата также уменьшают влияние системного резонанса на характеристики датчика.

Схема, которая обнаруживает колебания в диапазоне от постоянного тока до 11 кГц, что часто требуется при мониторинге состояния вращающегося оборудования, может быть построена относительно легко.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *