РадиоЛоцман - Все об электронике

Решение на основе МЭМС для контроля вибрации и мониторинга состояния оборудования

Analog Devices ADXL1002 AD4000

Thomas Brand - Analog Devices

Мониторинг состояния – одна из основных задач, возникающих в настоящее время при эксплуатации механического оборудования и технических систем, в которых используются, например, двигатели, генераторы или редукторы. Плановое техническое обслуживание приобретает все более важное значение для минимизации риска простоев производства не только в промышленном секторе, но и везде, где используется техническое оборудование. Для этого, среди прочего, анализируются шаблоны вибрации машин. Вибрации, создаваемые редуктором, в частотной области обычно воспринимаются кратными скорости вращения вала. Неравномерности различных частот указывают на износ, разбаланс или ослабление крепления деталей. Для измерения частоты часто используются акселерометры на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС). По сравнению с пьезоэлектрическими датчиками они имеют более высокое разрешение, отличные характеристики дрейфа и чувствительности и лучшее отношение сигнал/шум. Они также позволяют обнаруживать колебания с низкими частотами, близкими к диапазону постоянного тока.

В этой статье показано высоколинейное малошумящее широкополосное решение для измерения вибраций, основанное на МЭМС акселерометре ADXL1002. Это решение можно использовать для анализа состояния подшипников или мониторинга двигателей, а также для всех приложений, требующих большого динамического диапазона до ±50 g и частотной характеристики от постоянного тока до 11 кГц.

Пример схемы показан на Рисунке 1. Аналоговый выходной сигнал акселерометра ADXL1002 через двухполюсный RC фильтр подается на АЦП последовательных приближений AD4000, который преобразует аналоговый сигнал в цифровое значение для последующей обработки.

Пример схемы с акселерометром ADXL1002.
Рисунок 1. Пример схемы с акселерометром ADXL1002.

ADXL1002 – это высокочастотный одноосевой МЭМС акселерометр c полосой пропускания выходного сигнала, выходящей за пределы диапазона резонансной частоты датчика. Это необходимо для того, чтобы иметь возможность наблюдения частот за пределами полосы, в которой частотная характеристика спадает на 3 дБ. Для этого в ADXL1002 реализован выходной усилитель, поддерживающий малосигнальную полосу пропускания до 70 кГц. Выходной усилитель ADXL1002 также может напрямую управлять емкостными нагрузками до 100 пФ. Для нагрузок более 100 пФ следует использовать последовательный резистор сопротивлением не менее 8 кОм.

Внешний фильтр на выходе ADXL1002 необходим для устранения шума наложения спектров выходного усилителя и других внутренних шумовых компонентов ADXL1002, которые возникают, например, из-за прохождения внутреннего тактового сигнала 200 кГц. Следовательно, полоса пропускания фильтра должна быть соответствующим образом подобрана. При номиналах компонентов, указанных на Рисунке 1 (R1 = 16 кОм, C1 = 300 пФ, R2 = 32 кОм и C2 = 300 пФ), на частоте 200 кГц достигается ослабление порядка 84 дБ. Кроме того, частота дискретизации выбранного АЦП должна быть выше полосы пропускания усилителя (например, 32 кГц).

В качестве опорного напряжения АЦП должно быть выбрано напряжение питания ADXL1002, поскольку выходной усилитель имеет логометрическую связь с напряжением питания. В этом случае отклонение напряжения питания и температурный коэффициент напряжения (которые обычно связаны с внешними регуляторами) влияют одновременно на акселерометр и АЦП, так что неявная ошибка, обусловленная питающим и опорным напряжениями, устраняется.

Частотная характеристика

Частотная характеристика акселерометра, являющаяся наиболее важной характеристикой системы, показана на Рисунке 2. На частотах выше примерно 2-3 кГц коэффициент усиления растет. На резонансной частоте (11 кГц) пиковое усиление достигает значения порядка 12 дБ (4 раза).

Частотная характеристика акселерометра ADXL1002.
Рисунок 2. Частотная характеристика акселерометра ADXL1002.

Для информирования внешнего контроллера о выходе измеряемой частоты за пределы диапазона измерений ADXL1002 имеет соответствующий выход (вывод OR). В случае значительного превышения допустимого диапазона встроенный монитор выдает предупреждение.

Соображения, касающиеся механического монтажа

Особое внимание следует уделить правильному монтажу акселерометра. Он должен быть установлен на плате рядом с точкой ее жесткого крепления, чтобы избежать любых вибраций самой печатной платы и, соответственно, ошибок измерения из-за недемпфированных колебаний платы. Такое размещение дает гарантию, что любая частота вибрации печатной платы лежит выше механической резонансной частоты датчика и, следовательно, для акселерометра практически невидима. Снижению влияния системного резонанса на характеристики датчика также способствуют несколько точек крепления возле акселерометра и более толстая плата.

Заключение

С помощью схемы, показанной на Рисунке 1, можно относительно легко создать основанное на МЭМС решение для измерения вибраций в диапазоне от 0 до 11 кГц, что часто требуется при мониторинге состояния вращающихся механизмов.

Ссылка

  1. Circuit Note CN-0303: MEMS-Based Vibration Analyzer with Frequency Response Compensation. Analog Devices, Inc., September 2016.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices ADXL1002
  2. Datasheet Analog Devices AD4000

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: How to Build a MEMS-Based Solution for Vibration Detection in Condition Monitoring

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

ADXL1002 Купить ЦенаКупить ADXL1002 на РадиоЛоцман.Цены — от 101 до 6 277
7 предложений от 6 поставщиков
Акселерометры Low Noise 21kHz 50g 1-axis accel
ПМ Электроникс
Россия
ADXL1002BCPZ
Analog Devices
от 101 ₽
Элитан
Россия
ADXL1002BCPZ
Analog Devices
3 423 ₽
Триема
Россия
ADXL1002BCPZ
Analog Devices
4 498 ₽
Триом
Россия
ADXL1002BCPZ-RL7
Analog Devices
6 277 ₽
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Решение это известное. Но есть ограничения. Кроме инерциальной навигации, я пробовал применять МЭМС датчики для задач [b]вибродиагностики и динамической балансировки[/b]. И если контроль вибраций в принципе им под силу, то в балансировке они не пошли, поскольку имеют существенную зависимость сдвига фазы сигнала от частоты механических колебаний. А в многоплоскостной балансировке это противопоказано. При этом Analog Devices чуть ли не единственный производитель, который оговорил это в техническом доке. На выяснение этого эмпирическим путем когда-то потратил много времени, потом обратился в техподдержку. Правда, сейчас появились акселерометры, почти что лишенные этого недостатка. Но нелинейность АЧХ на частотах, грубо говоря, кратных резонансной, делает их приборами именно [b]"контроля"[/b], а не измерения. Плюс появляются затруднения при спектральном анализе. Куда лучше использовать классические пьезоэлектрические датчики виброскорости и виброускорения. Но у каждого свои задачи. Очевидно, акселерометр ADXL1002 не позволит реализовать на нём полноценный прибор диагностики подшипниковых узлов, но грубый аварийны сигнализатор "Хьюстон, у нас проблемы" можно слепить. Хотя в даташите парни и пишут
  • Ардуино в помощь ! ))
  • Как следует из названия статьи, речь об измерениях и не идёт, - лишь контроль. Как вариант, такой МЭМС можно использовать в качестве порогового устройства выхода на заданную частоту вибраций.
  • САТИР, Вы как всегда правы. Но я смотрю не на название статьи, а на даташит ADXL1002. Еще раз процитирую, ведь в AD замахнулись именно на измерения: Потому что measurement [mezh-er-muhnt] - the act of measuring. В большинстве задач частота вибраций сама по себе не на столько показательна, как амплитуда (зачастую в спектре доминирует какая-нибудь частота вращения). [URL="https://vibrocenter.ru/vibration_norm.htm"]Предельные значения[/URL] нормируются. Диагностика же подшипников стоит особняком, там и алгоритмы нетривиальные (метод ударных волн и т.п.), и анализируемые частоты в районе 20-40кГц и выше. Но, разумеется, "когда все идёт в разнос", то тут уже не до измерений. Сейчас выпускается масса вибродатчиков промышленного исполнения с токовым выходом или RS485. Такие ставят на крупное стационарное оборудование для контроля СКЗ или максимальных амплитуд с дальнейшим выводом в сеть предприятия. Но это больше для безопасности.
  • [b]antonydublin[/b], Вы абсолютно правы в своих оценках. Что касается описания от производителя, то там, безусловно, усматривается некоторое лукавство, когда они указывают, что "позволяет измерять образцы вибрации". Речь идёт, по-видимому, о фиксированных значениях вибраций, т.е. о пороговых значениях.