Решение на основе МЭМС для контроля вибрации и мониторинга состояния оборудования

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.

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.

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