就是Ta！工业预测性维护中，不可或缺的传感器“先知”

随着物联网、机器学习等技术的兴起，预测性维护和基于条件的维护（PdM / CbM）等新概念进入了人们的视野。简单来讲，预测性维护就是基于从生产现场收集的大量实时数据，利用专门训练出来的预测模型，对机器设备状态做出预判，帮助专业运维人员及时发现存在的问题和隐患，并根据需要主动进行维护的方式。这无疑有助于提高机器设备运作的可靠性，减少停机时间，提高工作效率。

根据Markets and markets的研究报告 ，全球机器状态监控市场规模预计将从2021年的26亿美元增长到2026年的36亿美元，年复合增长率将达7.1%。人们对工业领域预测性维护的兴趣，由此可见一斑。

实现预测性维护，一个重要的基础性工作就是数据的采集，这个工作是由传感器来完成的，它们会感测并汇集包括温度、压力、振动、旋转速度、电流、液体特性等有价值的数据，作为预测的依据。

在诸多数据中，振动是最为关键的一个，因为旋转机器一旦出现问题（如滚珠轴承故障、轴偏差、不平衡、过度松散等），就会通过振动频谱反映出来，而且可以根据频谱的特征判断出问题根源出在哪里。而这些振动相关数据的感测和获取工作，则需要加速度传感器来完成。

图1：机械冲击造成的有断裂（黄色）和无断裂（蓝色）情况下的频谱图，可以明显观察到两者的差别
（图源：TE）

为了对振动进行有效而可靠的感测，传统的方法是将加速度传感器安装在机器上，再通过硬连接方式接回中央机械保护系统（例如振动监视器）。这种方式虽然可靠，但价格昂贵，因此通常仅用于高价值的大型旋转机器。但随着工业4.0落地，预测性维护应用也逐渐下探到更多的中小型设备和系统中，这也就催热了体积更小、综合成本更低、易用性和灵活性更强的嵌入式加速度计市场。

要想实现长期、可靠、稳定和准确的感测，为工业状态监测和预见性维护提供精准的数据，嵌入式加速度计需要具备以下一些特性：

目前用于预测性维护的嵌入式加速度计主要有两种类型：

• 一种是基于MEMS技术的可变电容 (VC) 传感器，它的原理是在两个平行电容板之间放置一个可以振动的质量块，当感应到加速度，质量块会随之发生振动，从而引起电容的变化。这种电容变化与施加的加速度成正比。通过将微弱的电容变化转换成电压输出，就能测算出相应的振动数据。
  

• 另一种是压电式 (PE) 加速度计，它内部包含一个压电晶体，在受到外部机械振动应力时，压电晶体会产生电信号，由此获取振动数据。
  

为了适应预测性维护应用的要求，VC MEMS和PE两种加速度传感器技术都在不断地演进。对照上文所述的嵌入式加速度计的特性要求。我们会发现，相较而言，PE加速度计在预测性维护中的优势更明显一些，这主要体现在以下几个方面——

首先，大多数PE传感器都是基于锆钛酸铅陶瓷 (PZT)，这些陶瓷经过极化处理，可排列偶极子并使晶体产生压电效应。由于PZT晶体具有较大的频率响应范围——可支持>20KHz的应用——因此它们是状态监测应用的理想选择。从图中可以看出，VC MEMS传感器在低频端有较好的频率响应特性，而在3kHz以上就会有明显的偏差；而PE传感器的表现在10kHz的频率范围内则一直都很稳定。

图2：PE和VC MEMS加速度传感器的频率响应特性

（图源：TE）

其次，PE加速度计具有更高的分辨率以及更好的动态范围，便于用户在更早的阶段检测到潜在的问题。下图展示的是基于0.03-10KHz带宽对几款PE和VC MEMS加速度计产品进行测量的结果。可以看到， PE传感器的分辨率约高出VC MEMS传感器9倍。

图3：PE比VC MEMS加速度传感器具有更高的分辨率和动态范围（图源：TE）

再有，从长期稳定性来看，PZT压电晶体具有更佳的稳定性，基于该材料的PE加速度计随着时间的推移也表现出了优异的稳定性。虽然从原理上讲，采用体硅微机械加工的MEMS传感器具有最佳的长期漂移特性，但其成本比较高，因此通常使用在惯性应用中；而针对状态监测，采用的则是基于表面微机械加工工艺的 VC MEMS 传感器，这类传感器的成本较低，但在分辨率和长期稳定性上的表现会有折中。因此综合比较下来，采用PZT材料的PE加速度计是能够兼顾性能和成本的最佳选择。

此外，PE传感元件本身不需要电源，电荷到电压转换的信号调节可以在电流要求极低的器件中实现；而VC MEMS传感器由于在使用中需要不断被激活，功耗通常明显高于压电传感器。

归纳一下，对于那些频率响应带宽较低、对成本更为敏感的振动感测应用，VC MEMS可能是不错的选择；而对于在频率响应范围、分辨率和动态范围、长期稳定性、功耗等方面有更高要求的工业领域的状态监控应用，PE加速度计则应该是优先考虑的选项。

图4：PE比VC MEMS加速度传感器特性比较

（图源：TE）

为了响应工业状态监控和预测性维护市场的需求，TE Connectivity（以下简称TE）可以提供一系列嵌入式PE加速度计，它们包括单轴和三轴的产品，具有不同的测量范围和封装形式，以适应不同终端应用的设计要求。

图5：TE主要的嵌入式PE加速度计

（图源：TE）

其中，830M1三轴状态监测加速度计是一款低成本、小型化、SMT安装式的加速度计专为嵌入式状态监测与预防性维护应用而设计。其测量范围为±25g至±2000g，在所有三个轴上均具有高达15kHz的平坦频率响应，且具有低功耗的特性。

830M1加速度计采用剪切模式设计，具有三个独立且稳定的压电陶瓷晶体。它采用完全密封的无引线芯片载体 (LCC) 封装，封装内还包括一个Ni1000镍薄膜RTD温度传感器，可在单个封装中实现“振动+温度”组合式感测。

对于那些小型化设备的高性价比状态监控，830M1再合适不过了。如果你需要单轴的版本，还可以选择同系列的820M1。

图6：830M1三轴PE加速度计框图

（图源：TE）

如果你在设计中，需要将PE传感器直接安装到轴承座上，TE还可提供采用坚固的TO-5罐状封装、带有不锈钢外壳的805M1单轴3线加速度计，它的动态量程为±20g至±500g，可提供12kHz的平坦频率响应，灵敏范围为4-100mV/g，支持粘合剂或螺钉两种安装方式。由于805M1将稳定的压电陶瓷晶体与低功率处理电路相结合，封装在一个屏蔽外壳中，因而适用于很多工业现场的状态监测应用。

图7：805M1 TO-5单轴3线加速度计

（图源：TE）

在高性能、全系列的PE状态监控加速度传感器基础上，TE还向前迈了一步，将传感器、数据收集器、数字信号处理器和LoRaWAN™无线电整合成一个外形紧凑、可以通过电池供电的完整无线加速度传感器系统——这就是8911无线加速度传感器。

图8：8911无线加速度传感器

（图源：TE）

采用8911无线加速度传感器，有助于客户快速完成设计概念的验证，轻松地将远程无线状态监测功能添加到机器设备中。这款无线加速度传感器主要的优势特性包括：

图8：8911无线加速度传感器框图

（图源：TE）

有数据显示，工业传感器市场规模将从2020年的182亿美元增长到2025年的290亿美元，复合年增长率达到了9.8%。与此同时，工业传感器正在朝向更加智能、更低功耗、更小尺寸、更高性能、更简便易用的方向发展。这一趋势，在面向状态监控和预测性维护的加速度传感器身上，更是体现得淋漓尽致。

因应市场的发展，TE依托自身在PE加速度传感器领域的技术优势，从广度上延展出丰富的产品系列，在深度上开发出了8911这样的完整无线加速度计方案，可以说为预测性维护应用的落地，提供了一种“先知先觉”的关键能力，在未来工业领域中，是一种不可或缺的存在。

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