РадиоЛоцман - Все об электронике

Акселерометры Analog Devices для систем автоматического мониторинга состояния промышленного оборудования. Часть 2

Analog Devices ADXL356 ADXL357 ADXL1001 ADXL1002

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2017

Михаил Русских

Часть 1

ADXL356/357 представляют собой трехосевые устройства с низким уровнем шумов, малым дрейфом и низкой потребляемой мощностью. Они являются продолжением серии ADXL35x. ADXL356 выпускается в двух версиях: ADXL356B и ADXL356C. ADXL356B поддерживает диапазоны измерений ±10 g и ±20 g, а ADXL356C выполняет измерения в диапазонах ±10 g и ±40 g. ADXL357 может измерять в диапазонах ±10.24 g, ±20.48 g и ±40.96 g. Плотность шума этих акселерометров по всем осям составляет всего лишь 80 мкg/√Гц, а гарантированный максимальный температурный дрейф нуля равен 0.75 мg/°C, что позволяет обеспечить высокоточные измерения при минимальной калибровке. Также ADXL356 и ADXL357 имеют расширенный температурный диапазон (от –40 °C до +125 °C) и обладают герметичным корпусом, что позволяет использовать их в суровых промышленных условиях.

Основное отличие между акселерометрами ADXL356 и ADXL357 заключается в том, что ADXL356 имеет аналоговый выход с возможностью пользовательского конфигурирования, а ADXL357 – цифровой выходной интерфейс SPI/I2C. Функциональные схемы этих устройств представлены на Рисунке 3.

а) Акселерометры Analog Devices для систем автоматического мониторинга состояния промышленного оборудования
б) Акселерометры Analog Devices для систем автоматического мониторинга состояния промышленного оборудования
Рисунок 3. Функциональные схемы ADXL356 (а) и ADXL357 (б).

В ADXL356 и ADXL357 используется аналоговый низкочастотный сглаживающий фильтр для уменьшения внеполосного шума и ограничения полосы пропускания. Этот фильтр обеспечивает фиксированную полосу пропускания около 1.5 кГц. Форма его отклика в частотной области соответствует фильтру sinc3. В ADXL356 после аналогового фильтра в каждом канале (X, Y и Z) имеются встроенные усилители с последовательно подключенными резисторами 32 кОм, которые окончательно формируют выходные аналоговые сигналы XOUT, YOUT и ZOUT.

В ADXL357 к выходам аналогового фильтра подключены 20-разрядные сигма-дельта АЦП для оцифровки отфильтрованных сигналов. Данные, полученные с АЦП, поступают в блок цифровой фильтрации, состоящий из цифрового фильтра-дециматора нижних частот и цифрового фильтра верхних частот. Частота сопряжения характеристики фильтра нижних частот составляет 1 кГц. Частота сопряжения характеристики фильтра верхних частот может настраиваться в диапазоне от 0 (фильтр отключен) до 9.88 Гц.

На Рисунке 4 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) ADXL356 и ADXL357 по оси Z. Судя по графикам, данные акселерометры в составе систем мониторинга состояния промышленного оборудования позволят достаточно эффективно определять такие механические проблемы, как износ подшипников скольжения, изгиб приводного вала и слабую устойчивость рабочего механизма на фундаменте, которые проявляют себя на частотах до 1 кГц. Благодаря высокой резонансной частоте, равной 5.5 кГц, ADXL356 можно использовать для определения износа шестерней и подшипников качения.

Акселерометры Analog Devices для систем автоматического мониторинга состояния промышленного оборудования Акселерометры Analog Devices для систем автоматического мониторинга состояния промышленного оборудования
а) б)
Рисунок 4. АЧХ ADXL356 (а) и ADXL357 (б) по оси Z.

При очень больших ускорениях, превышающих диапазон измерения на ±25%, акселерометры ADXL356 и ADXL357 активируют защиту от перегрузки. При этом вся синхронизация датчика отключается на 0.5 мс. В период действия такой защитной функции сигналы на линиях XOUT, YOUT и ZOUT акселерометра ADXL356 стремятся к середине диапазона, выход ADXL357 обнуляется, а буфер FIFO заполняется этими обнуленными значениями.

В данных устройствах также присутствует функция самодиагностики, которая проверяет работоспособность как механической, так и электронной системы. Механизм самодиагностики игнорирует внешнее приложенное ускорение и реагирует только на силу, генерируемую в процессе тестирования, что позволяет выполнять точные внутренние измерения во время самодиагностики даже при наличии внешних механических шумов.

Хотя ADXL356 и ADXL357 поддерживают довольно широкие диапазоны измерений, имеют достаточно широкую полосу пропускания и обладают хорошими шумовыми характеристиками, все же они годятся для создания относительно простых систем автоматического мониторинга состояния промышленного оборудования, поскольку позволяют определять уже возникшие механические проблемы, которые могут привести к поломке механизма через несколько дней или даже часов при его штатной эксплуатации. Для создания более функциональных систем, которые смогут предупредить о возникновении проблем на ранних этапах, компания Analog Devices предлагает одноосевые акселерометры ADXL1001 и ADXL1002.

ADXL1001 имеет очень широкий диапазон измеряемых ускорений ±100 g, у ADXL1002 диапазон составляет ±50 g. Помимо этого, данные акселерометры отличаются очень низкой плотностью шумов. Типовая плотность шума ADXL1001 равна 30 мкg/√Гц, в то время как для ADXL1002 это значение составляет 25 мкg/√Гц. ADXL1001 и ADXL1002 имеют только аналоговый выход, вариантов с цифровым интерфейсом не предусмотрено. На Рисунке 5 показана функциональная схема этих акселерометров.

Акселерометры Analog Devices для систем автоматического мониторинга состояния промышленного оборудования
Рисунок 5. Функциональная схема ADXL1001/ADXL1002.

Одноосевой датчик состоит из подвижной поликремниевой структуры, прикрепленной микропружинами к кремниевой пластине, и дифференциальных конденсаторов, которые определяют отклонение структуры. Они состоят из независимых неподвижных пластин, и пластин, прикрепленных к движущейся массе. Ускорение отклоняет структуру и разбалансирует дифференциальный конденсатор, что приводит к появлению на выходе датчика сигналов с амплитудой, пропорциональной ускорению. Эти сигналы усиливаются и подаются на фазочувствительный демодулятор. Демодулятор определяет величину и полярность ускорения. Полученные с него сигналы, в свою очередь, усиливаются выходным усилителем, после чего они могут быть считаны внешним устройством с АЦП. Для подавления внеполосных шумов Analog Devices рекомендует на выходе акселерометра ставить фильтр нижних частот, состоящий из резистора и конденсатора. В составе акселерометров ADXL1001/ADXL1002, как и в ADXL356/ADXL357, присутствуют блок защиты от перегрузки и блок самодиагностики.

Особого внимания заслуживает АЧХ этих акселерометров, показанная на Рисунке 6. Как видно из графика, ADXL1001 и ADXL1002 могут выполнять измерения ускорения на очень высоких частотах, а их резонансная частота составляет примерно 21 кГц.

Акселерометры Analog Devices для систем автоматического мониторинга состояния промышленного оборудования
Рисунок 6. АЧХ акселерометров ADXL1001 и ADXL1002.

При этом методика считывания аналогового сигнала с выхода акселерометра для полосы выше 10 кГц немного отличается от методики для полосы ниже 10 кГц. При использовании ADXL1001 и ADXL1002 за пределами 10 кГц необходимо учитывать нелинейность при приближении к резонансной частоте, дополнительные шумы, вносимые широкополосным выходным усилителем, и паразитные помехи, вносимые внутренним источником тактовых импульсов 200 кГц. Влияние этих нежелательных факторов может привести к значительному ухудшению характеристик, поэтому для обеспечения оптимальной работы требуется сочетание высокоскоростной выборки и соответствующей фильтрации.

Так, ширина полосы пропускания выходного усилителя составляет 70 кГц. Участок АЧХ усилителя со спадом можно представить в виде АЧХ однополюсного фильтра нижних частот с частотой среза 70 кГц. В отсутствие дополнительных внешних фильтров нижних частот, чтобы избежать внесения высокочастотного шума, следует выбрать частоту дискретизации, по меньшей мере, в два раза превышающую эквивалентную шумовую ширину полосы пропускания (ЭШШПП) для однополюсного фильтра нижних частот. При этом

То есть частота дискретизации должна быть не менее 220 кГц.

Другой серьезной проблемой является влияние внутреннего тактового сигнала 200 кГц на выходной сигнал. Это влияние должно быть устранено с помощью аналоговой или цифровой фильтрации. Так, для достижения наименьшей плотности шума и среднеквадратичного шума при измерении ускорений на высоких частотах на выходе ADXL1001/ADXL1002 рекомендуется использовать фильтр нижних частот с несколькими порядками, а также установить частоту дискретизации, четырехкратно превышающую требуемую полосу пропускания. Это обеспечит достаточную фильтрацию внутреннего тактового сигнала 200 кГц.

Таким образом, акселерометры ADXL1001/ADXL1002, в отличие от ADXL356/ADXL357, могут применяться для создания более функциональных систем мониторинга состояния промышленного оборудования, которые смогут эффективно определять износ шестерен и подшипников качения, а также обеспечат возможность раннего предупреждения их износа и проблем недостаточной смазки этих механических элементов.

В итоге можно сказать, что использование ADXL356/ADXL357 и ADXL1001/ADXL1002 значительно улучшит и упростит процесс определения состояния промышленных исполнительных механизмов. Благодаря их динамическим и частотным характеристикам для механизмов всех четырех классов из Таблицы 1 можно будет максимально точно установить, в какой зоне вибрационного состояния они находятся в текущий момент. А компактные размеры и малое энергопотребление этих акселерометров позволят создавать на их основе интеллектуальные автономные датчики для реализации концепции Интернета вещей в промышленности.

Список источников

  1. «Large Electric Motor Reliability: What Did The Studies Really Say?»
  2. ГОСТ ИСО 10816-1-97 «Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях».
  3. PRÜFTECHNIK AG «Machine diagnosis: Quick and easy through FFT analysis». p. 9.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices ADXL356/ADXL357
  2. Datasheet Analog Devices ADXL1001/ADXL1002

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

ADXL356 Купить ЦенаКупить ADXL356 на РадиоЛоцман.Цены — от 3 281 до 258 610
8 предложений от 7 поставщиков
Инструменты разработки датчика ускорения EB: Eval Board for ADXL356 10g/20g Acc
Элитан
Россия
ADXL356CEZ
Analog Devices
3 281 ₽
ПМ Электроникс
Россия
EVAL-ADXL356BZ
Analog Devices
от 4 516 ₽
Триом
Россия
EVAL-ADXL356CZ
Analog Devices
5 941 ₽
Зенер
Россия и страны ТС
ADXL356CEZ-RL7
Analog Devices
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя