技術(shù)比較

對(duì)于工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)見性維護(hù)應(yīng)用，以下振動(dòng)規(guī)范參數(shù)被認(rèn)為是確保長(zhǎng)期、可靠、穩(wěn)定和準(zhǔn)確性能的關(guān)鍵。

·          寬頻響應(yīng)

·          測(cè)量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍

·          基于最小偏移量的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

·          工作溫度范圍

·          封裝選項(xiàng)和安裝便捷性

·          傳感器輸出選項(xiàng)

在以下段落中，我們將比較典型壓電狀態(tài)監(jiān)測(cè)加速度傳感器和寬帶 MEMS 可變電容加速度傳感器（也用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用）的這些關(guān)鍵性能規(guī)格。

兩種加速度傳感器的滿量程 (FS) 均為 ±50g。

頻率響應(yīng)

我們?cè)?SPEKTRA GmbH CS18 HF 高頻校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)（振幅范圍為 5Hz 至 20KHz）上測(cè)試了兩種加速度傳感器的頻率響應(yīng)。傳感器安裝牢固，以確保在整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)獲得準(zhǔn)確結(jié)果。我們對(duì)每種技術(shù)（PE 和 MEMS VC）各測(cè)試了三個(gè)傳感器，以確保結(jié)果的一致性。

測(cè)試結(jié)果說明如下。假設(shè)最大 ±1dB 的幅度偏差作為可用帶寬，但帶寬容差通常使用 ±5% 的更嚴(yán)格的偏差。數(shù)據(jù)表明，VC MEMS 傳感器的可用帶寬高達(dá) 3KHz，而壓電傳感器的可用帶寬 >10KHz（該特定 PE 傳感器的可用帶寬在最高 14KHz 的規(guī)格范圍內(nèi)）。

值得注意的是，PE 傳感器的低頻截止頻率為 2Hz，而 MEMS 傳感器的響應(yīng)頻率低至 0Hz，因?yàn)樗�是一個(gè)直流響應(yīng)器件。

測(cè)量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍

為確定壓電傳感器和 VC MEMS 傳感器的測(cè)量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，我們?cè)诟綦x室中對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試，該室具有最先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn) micro-g 測(cè)量分辨率。這些裝置安裝在同一腔室內(nèi)并同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，以消除外界環(huán)境干擾造成的任何誤差。

測(cè)量在四個(gè)不同帶寬設(shè)置下進(jìn)行，并且在每個(gè)設(shè)置下測(cè)量殘留噪聲。測(cè)量結(jié)果詳見下表。

各種帶寬下的殘留噪聲比較

測(cè)量分辨率比較

基于最小偏移量的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

PE 傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性在 30 多年的現(xiàn)場(chǎng)安裝中是眾所周知的。壓電晶體具有固有穩(wěn)定性，隨著時(shí)間的推移仍表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。長(zhǎng)期漂移參數(shù)也將取決于所用的晶體配方，因此難以呈現(xiàn)實(shí)際值。石英材料的 PE 加速度傳感器具有最佳的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，但受產(chǎn)量和成本限制，極少用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)中。PZT（鋯鈦酸鉛-鋯酸鹽）晶體是 PE 加速度傳感器中最常用的晶體，并且正日益成為大多數(shù)應(yīng)用的理想晶體選擇。

可變電容 MEMS 加速度傳感器還具有寬范圍的長(zhǎng)期漂移限制，具體取決于 MEMS 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。雖然體硅微加工 MEMS 傳感器具有最佳的長(zhǎng)期漂移，但其成本也明顯更為昂貴，因此通常只用于慣性應(yīng)用中。針對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，MEMS 供應(yīng)商提供了一種表面微加工 VC MEMS 傳感器，這類傳感器的成本雖然要便宜得多，但最終用戶將無法獲得較好的測(cè)量分辨率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。表面微加工設(shè)計(jì)的 MEMS 結(jié)構(gòu)不如體硅微加工的 MEMS 傳感器穩(wěn)定。

工作溫度范圍

PE 和 VC MEMS 加速度傳感器的工作溫度范圍相當(dāng)，并且兩者都適用于 -40°C 至 +125°C 的典型狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用環(huán)境。在某些極端安裝中，可能需要更高溫度范圍的傳感器，其中充電模式壓電傳感器將是推薦的選擇。不包括板載充電轉(zhuǎn)換器電路的充電模式 PE 加速度傳感器可用于超過 +700℃ 的溫度。

封裝選項(xiàng)和安裝便捷性

對(duì)于小型機(jī)械的嵌入式狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，尺寸和安裝選項(xiàng)都會(huì)成為選擇加速度傳感器的重要考量因素。大型機(jī)械通常使用外部 TO-5 螺柱安裝的加速度傳感器，但對(duì)于具有小型軸承和旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械來說，則需要使用嵌入式或微型加速度傳感器。

大多數(shù) VC MEMS 加速度傳感器采用 SMT 表貼式封裝方式，該封裝非常適合大批量 PCBA 組裝。VC MEMS 傳感器還提供非常小的封裝方式，可實(shí)現(xiàn)更多封裝選擇。

PE 加速度傳感器具有多種配置�？商峁� SMT 安裝版本，類似于 VC MEMS，但 SMT 封裝的尺寸通常大于 VC MEMS 設(shè)計(jì)。PE 加速度傳感器還采用堅(jiān)固的 TO-5 罐封裝，帶有不銹鋼外殼。這些設(shè)計(jì)允許直接安裝到軸承座或嵌入式安裝。下圖展示了 PE 傳感器的一些可用封裝選項(xiàng)。

傳感器輸出選項(xiàng)

根據(jù)具體的安裝和應(yīng)用不同，可能需要選擇傳感器輸出信號(hào)選項(xiàng)。目前大多數(shù)預(yù)見性維護(hù)安裝需要來自傳感器的模擬信號(hào)，以便最終用戶可以決定監(jiān)測(cè)特定機(jī)械的哪些參數(shù)。通常，信號(hào)輸出由 DAQ 或 PLC 接口驅(qū)動(dòng)，而模擬輸出（±2V 或 ±5V）是最常見的選擇。但是，對(duì)于需要長(zhǎng)電纜的安裝，環(huán)路供電 4-20mA 的傳感器也很常見。在未來數(shù)字化工廠和工業(yè) 4.0 中，對(duì)數(shù)字輸出信號(hào)的需要將變得更加普遍，帶有板載微處理器的智能傳感器可以幫助最終用戶做出即時(shí)維護(hù)決策。

這些輸出信號(hào)選項(xiàng)均將在 PE 和 VC MEMS 傳感器中提供。兩種技術(shù)都能夠提供這些功能。

前面段落中討論的所有或部分性能參數(shù)將幫助客戶對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置所選擇的技術(shù)做出明智的決策。下表提供了一個(gè)快速匯總。

匯總比較表

結(jié)論

我們已經(jīng)比較了 MEMS 和 PE 加速度傳感器的不同技術(shù)特性。這兩種技術(shù)各有優(yōu)劣，具體取決于最終應(yīng)用。在我們的工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)見性維護(hù)應(yīng)用中，壓電傳感器是顯而易見的選擇，由于其成熟的技術(shù)，它們可長(zhǎng)期穩(wěn)定地保持可靠性。憑借其寬頻率響應(yīng)，嵌入式 PE 加速度傳感器是從低速到高速機(jī)械的理想選擇，它們還可為早期故障檢測(cè)提供更好的信號(hào)分辨率。

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