在工業(yè)制造運營中，被動的設(shè)備維修是造成生產(chǎn)能力喪失的一個主要因素，這種維修本來是可以避免的。平均售價僅幾美元的零部件，一旦發(fā)生故障，維修成本和由此導(dǎo)致的收入損失可能是其售價的好多倍。在最不利的情況下，未檢測到的故障可能在系統(tǒng)中引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致大面積損壞，觸發(fā)生產(chǎn)停運，造成慘痛損失。傳統(tǒng)上，制造商借助預(yù)防措施來保持生產(chǎn)現(xiàn)場正常運轉(zhuǎn)。

相比事后維修，預(yù)防維護是一大進步，但與其相關(guān)的服務(wù)合同成本高昂，而且其確保設(shè)備連續(xù)正常運行的能力也是有限的。考慮讓一臺200英尺風(fēng)力渦輪機的葉片轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子軸承。緊急維修和現(xiàn)場維護的成本會非常高，甚至可能有危險，因為技術(shù)人員需要在高空作業(yè)。另外，如果該渦輪機接入到本地市政電網(wǎng)，計劃之外的停機可能引起能源生產(chǎn)損失，甚至電力服務(wù)中斷。

一種新的工業(yè)檢測技術(shù)正在幫助制造商們優(yōu)化設(shè)備，它通過預(yù)測維護手段來預(yù)料零部件故障。雖然工業(yè)檢測的形式有很多，但振動檢測可能是最有效且最經(jīng)濟的。根據(jù)Lindsay Engineering(一家位于美國加州卡馬里奧的預(yù)測維護產(chǎn)品和服務(wù)提供商)的研究，振動檢測的投資回報是定期更換齒輪或電機油等措施的投資回報的三倍(參見圖1)。

圖1. 旋轉(zhuǎn)機械的典型振動頻率范圍是6 KHz到10 KHz

振動分析的優(yōu)勢

振動分析常用于旋轉(zhuǎn)機械中，用以檢測可能引起振動變化的軸承松動或磨損、設(shè)備未對準、液位偏低等。通常，這種振動的頻率介于6 kHz到10 kHz。在更高頻率也有一些數(shù)據(jù)可用，但受限于響應(yīng)幅度而非常難以測量，并且需要超聲等成本高昂的技術(shù)。通過測量該頻率范圍并監(jiān)控響應(yīng)的變化，制造商可以安排維護時間，或者在零部件損壞達到一定程度之前的最有利時間關(guān)停設(shè)備，防止損失引起更大的次生系統(tǒng)故障。

另外還可以利用各種統(tǒng)計公式來預(yù)測系統(tǒng)壽命，例如平均無故障時間(MTTF)和平均故障間隔時間(MTBF)。利用這些公式和來自系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)，客戶便可直接處理潛在問題。例如，通過MTTF，您發(fā)現(xiàn)某種軸承的失效率較高。您可以利用振動傳感器來密切監(jiān)視該特定機器和軸承，確保失效不會發(fā)生。

實現(xiàn)工業(yè)振動檢測的最常見方式有兩種：一是用傳感器系統(tǒng)改造現(xiàn)有設(shè)備；二是與第三方服務(wù)商簽約，按照計劃定期執(zhí)行設(shè)備測試。后一種方案的成本可能很高，而且定期檢查的效果比不上直接將傳感器安裝在設(shè)備上。利用系統(tǒng)安裝方法，制造商可以實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控，但也存在傳統(tǒng)上的限制。

當(dāng)今大部分振動傳感器的典型工作帶寬低于5 kHz，比檢測大多數(shù)設(shè)備故障所需的頻率要低一大截。另外，常規(guī)傳感器大多基于高壓壓電技術(shù)，需要體積很大的金屬罐封裝，而且要求頻繁校準，不太容易大批量生產(chǎn)。還有一個問題是，其集成度通常較低，需要經(jīng)過大量外部調(diào)理和處理才能提取有用信息。

MEMS方法

業(yè)界越來越需要其它能夠更早檢測到預(yù)測維護征兆且成本更低的方法，因此，基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的振動傳感器正在成為替代常規(guī)檢測的重要方法。更重要的是，任何替代方案都必須以更高和更寬的頻率范圍工作，這是早期檢測的關(guān)健。ADI公司提供一系列寬帶寬MEMS傳感器(ADXL001、ADIS16220、ADIS16223和ADIS16227)，其具有22 kHz諧振帶寬和高采樣速率，是機器健康檢測應(yīng)用的理想選擇。利用這些傳感器，系統(tǒng)操作員可以及早發(fā)現(xiàn)要失效的設(shè)備，避免遭受重大損失。

振動監(jiān)控錯綜復(fù)雜，準確捕捉振動剖面并正確解讀數(shù)據(jù)更是需要高度復(fù)雜的專業(yè)知識。對于許多希望實施振動監(jiān)控的廠商，最佳解決方案遠不限于傳感器元件。復(fù)雜性的很大一部分在于數(shù)據(jù)分析，對設(shè)備的典型時基分析會產(chǎn)生一個包含多種誤差源的復(fù)雜波形，只有經(jīng)過FFT分析之后才能獲得可以分辨的信息。

多數(shù)壓電傳感器解決方案依賴外部FFT計算和分析。這種方法不僅使得實時通知毫無可能，而且大大增加了設(shè)備開發(fā)商的設(shè)計工作量。像ADI公司的ADIS16227等專業(yè)化MEMS傳感器降低了這種復(fù)雜性，其提供嵌入式頻域處理和512點實值FFT，片上存儲器能夠識別各種振動源并進行歸類，監(jiān)控其隨時間的變化情況，并根據(jù)可編程的閾值做出反應(yīng)。

該器件還具有可配置的報警頻段和窗選項，支持對全頻譜進行分析，并配置6個頻段、報警1(警告閾值)和報警2(故障閾值)，以便能夠更早、更精準地發(fā)現(xiàn)問題。

為了確保準確捕捉數(shù)據(jù)，人們強烈要求實現(xiàn)嵌入式和自主檢測。集成度合適的話(即集成傳感器分析、存儲器和報警功能)，傳感器系統(tǒng)可以嵌入到離潛在誤差源更近的地方，從而更準確地反映機器振動情況，并顯著降低接口復(fù)雜度，如線纜連接、場外分析和數(shù)據(jù)捕捉計劃等。ADIS16227等器件是完整的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳感器處理解決方案，用戶可通過串行外設(shè)接口(SPI)獲得經(jīng)處理的寬帶寬傳感器數(shù)據(jù)。這些器件可實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控，并在達到用戶設(shè)置的報警閾值時提供中斷驅(qū)動的通知。如果關(guān)心功耗，它們還能按照用戶制定的計劃定期喚醒和記錄。

圖2. 諸如ADI公司的ADIS16227等MEMS傳感器可以在高達22 kHz的頻率檢測零部件故障，從而提供關(guān)于設(shè)備故障的早期預(yù)警