壓電式傳感器機器健康監(jiān)測中探測早期故障的首選

在當今以互聯(lián)互通和設(shè)備間無縫數(shù)據(jù)共享為特征的工業(yè)時代，要求加速度計具有無線傳輸、數(shù)字輸出（如IOLink）、傳感器級別的數(shù)據(jù)邊緣處理等功能日益成為預防性維護領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。但不管傳感器數(shù)據(jù)輸出的技術(shù)如何進步，機器健康監(jiān)測中人們最信賴的傳感技術(shù)仍然是兩種，即：壓電傳感和電容式MEMS（微機電系統(tǒng)）。

在消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，MEMS 加速度計因其具有的低成本、頻率范圍低至0Hz 等特性而廣受歡迎。而在機械健康監(jiān)測領(lǐng)域，對傳感器的要求卻有極大的不同。寬頻探測能力對實現(xiàn)故障早期報警至關(guān)重要。MEMS 傳感器可探測的低頻振動通常和滾動軸承失效后期有關(guān)，因此，單純依靠MEMS 加速度計進行機械健康監(jiān)測可能會導致報警遲誤，設(shè)備產(chǎn)生重大損壞。為確保早期發(fā)現(xiàn)潛在隱患，避免災難性故障，壓電式傳感器成為首選。

本文將對這兩種主流的傳感器類型進行對比，并評估其在常見故障對應的頻率范圍內(nèi)的性能。

頻率范圍的重要性

為說明傳感器寬頻探測能力的重要性，下面我們考慮軸承失效的四個階段相關(guān)的振動頻率。

第一階段

在軸承失效的初始階段，開始出現(xiàn)狀態(tài)惡化的跡象，表現(xiàn)為金屬間的碰撞，通常是由缺乏潤滑引起。這個階段，軸承的振動頻率屬于超聲頻率，范圍大約在1200k 至3600k CPM (20,000～60,000Hz)，通常只能用尖峰能量或沖擊脈沖儀器才能探測到。在失效早期對潤滑或?qū)χ袪顟B(tài)進行評估，能夠防止產(chǎn)生重大問題。相反，如果不進行干預，損壞就會發(fā)展，進入失效的第二個階段。

第二階段

在失效的第二個階段，第一階段中的損傷開始變得顯著。微小缺陷引起安裝的加速度計產(chǎn)生諧振響應，頻率范圍約為120k～480k CPM (2,000～8,000 Hz)。磨損或損壞在軸承表面變得可見，可能開始影響軸承的整體壽命。在這個階段，軸承可能開始出現(xiàn)噪聲或振動增大等現(xiàn)象，有時溫度還會上升。此時，軸承很可能需要更換，由此產(chǎn)生的機器停機時間可能導致產(chǎn)量下降。因此，在這個階段，盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題對于防止產(chǎn)生更大損壞以及機器失效是非常重要的。

第三階段

當軸承失效發(fā)展到第三個階段，損傷已變得嚴重，軸承的性能顯著衰退。振動增大、工作溫度上升是這個階段的常見表現(xiàn)。缺陷頻率附近可能會出現(xiàn)邊帶頻率。關(guān)鍵機器應進行額外的振動分析，以評估損傷。如果在此階段仍不進行人為干預，則引發(fā)災難性失效及相應的機器損害的風險非常顯著。

第四階段

第四階段是災難性階段，是軸承缺陷發(fā)展的最終，也是最嚴重的階段。在這個階段，軸承徹底碎裂或完全喪失功能，致使其不能承擔載荷或有效工作。軸承缺陷對應的頻率集中在5000Hz 以下的低頻范圍。災難性失效會造成更長的停機時間、更高的修理費用，并可能對周邊機械產(chǎn)生附帶損壞。

從根本上講，是否可探測高頻振動意味著簡單的預防性維修和高成本修理的區(qū)別。與MEMS 傳感器不同，壓電式加速度計可以在很寬的頻率范圍內(nèi)，包括高頻段，精確地測量振動。這種能力由于能夠在設(shè)備狀態(tài)惡化的早期探測微小的振動異樣，因此對于機器健康監(jiān)測應用是非常有用的。

總結(jié)

機器健康監(jiān)測旨在識別潛在的失效隱患，避免其發(fā)展成為災難性事件。使用壓電式傳感器，技術(shù)人員能夠在包括低頻段和高頻段在內(nèi)的頻率范圍內(nèi)探測和分析振動。壓電式傳感器的寬頻特性使其適用于多種的機器健康監(jiān)測應用，包括旋轉(zhuǎn)機械、工業(yè)設(shè)備以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測。它的探測失效早期微小振動異常的能力使得維修技術(shù)人員能夠及時采取行動，防止發(fā)生重大故障，減少停機時間。