使用 MEMS 加速計快速部署感測器，實現以 IIoT 為基礎的預測性維護

使用振動感測器監測機器的狀況，是實現工業物聯網 (IIoT，又稱工業 4.0) 預測性維護目標的關鍵要素。此方法可讓製造設施在觸發災難性故障之前識別並解決機械問題，從而避免生產作業因緊急維修而被迫中止。對設計人員來說，若使用傳統的壓電 (PE) 振動感測器方法，不僅會增加物料清單 (BOM) 成本和接線費用，實作起來也很複雜，而這可能對其部署產生限制。

為了降低成本並簡化部署，設計人員可改用電容式微機電系統 (MEMS) 感測器。這些感測器近期在效能上取得長足的進步，不僅效能水平與 PE 感測器相當，而且還保留了其 CMOS 基礎成本更低、整合度更高以及工業容差良好的優點。這些改善包括整合類比數位轉換器 (ADC)、濾波器，甚至是適用於機器學習的嵌入式建置組塊，以確保 MEMS 感測器具有良好的成本效益屬性，從而適合廣泛地安裝。

本文將探討 MEMS 電容加速計在振動監測應用中的優勢，然後會介紹 Analog Devices 和 STMicroelectronics 的相關產品，並展示如何將這些產品快速部署成廣泛的感測器網路，以實現對工業機器更徹底、更具成本效益的預測性維護感測。

為何使用振動進行預測性維護

長久以來，振動一直作為工業機器狀況監測、診斷與預測性維護的指標。例如，合適的感測器經過適當的處理後，即可用來偵測負載不平衡、錯位、滾珠軸承故障，以及各種振動幅度與頻率等問題，而這些振動可能預示著將會形成另一種故障模式 (圖 1)。

圖 1：合適的感測器加上適當的處理，可偵測負載或馬達不平衡與滾珠軸承故障等問題，以及可能預示著將會形成另一種故障模式的振動。(圖片來源：Analog Devices)

有幸的是，目前已針對振動監測中使用的感測器系統，制定出一些標準。一個典型的範例就是 ISO 2954:2012 標準《旋轉與往復式機器的機械振動 — 對振動強度測量儀器的要求》。在此類儀器中，加速計是核心元件。但在典型的設計中，感測器的訊號並不會直接使用。

在現代系統中，振動監測的第一步是使用 ADC 將加速計的訊號轉換為數位域。一旦數位化後，加速度測量對電氣雜訊的敏感度會小很多，因而不再需要進行精確的類比訊號調整。振動監測隨後需要歷經幾個階段，對原始加速計資料進行濾波和預處理，以消除雜訊並擷取對診斷有用的資訊。

加速計訊號預處理要求

加速計訊號首先會經過高通濾波，去除任何 DC 分量，例如感測器偏差或重力效應等。濾波後的訊號隨後透過兩種方式使用，一種是直接配合加速資訊使用，另一種是配合對濾波訊號求隨時間變化的積分所得的振動速度使用。另外，產生的速度訊號也需要進行高通濾波，以避免在分析速度資訊時需要知道系統的初始速度 (積分的常數) (圖 2)。

圖 2：原始加速計資料需要經過預處理來消除偏差，然後在求積分產生振動速度的測量值後，擷取有用的監測與診斷資訊。(圖片來源：Richard A. Quinnell)

根據應用的不同，這些加速度與速度訊號可採用各種分析技巧，來擷取有關機器狀況的有用情報。一個最常見也最廣泛使用的技巧是計算振動的均方根速度 (RMS 速度)，並確定其時間變化趨勢。隨著機器的磨損，機器會產生更多移動空間，進而導致振動的速度加快。而監測 RMS 速度趨勢可提供指標來指示磨損程度，將其與預先確定的閾值作比較，即可識別是否需要進行維護。

此外，也可將加速度與預先確定的閾值作比較，以偵測機構中的彎曲或破損情況，尤其是在旋轉機器中。此類缺陷通常表現為訊號中的週期性「尖波」。加速度時間曲線中的加速度增加或不穩定趨勢，也預示著存在磨損與損壞。

光譜分析可產生額外的洞見

使用快速傅立葉轉換 (FFT)，將加速度與速度資料從時域轉換到頻域，能讓您對機器狀況有更深的洞見。例如，在旋轉機器中，若在單個頻率出現與旋轉速率有關的高強度訊號，則表示發生失衡或機軸彎曲。而一般性的鬆動或輪齒斷裂會產生高諧波含量的衝擊訊號。由較低頻率調幅的高強度訊號，則是適用於齒輪齒合分析的強大診斷工具。

若想成功使用這些不同的診斷技巧，提供來源資料的加速計就需要滿足各種要求。例如，其頻寬應足夠，才可輕鬆擷取對基本馬達旋轉的調變以及高階諧波。同步 AC 馬達的轉速通常為 3600 rpm，而 DC 馬達的轉速為 10 rpm 至 7000 rpm 或更高，因此適當的感測器頻寬可能需要低至 0.1 Hz 或高達 5 至 10 kHz，具體視機器的設計而定。

另外，靈敏度也很重要。根據感測器的大小而定，移動機器狀況監測唯一可用的安裝點可能位於外罩上，遠離機器內實際的振動來源。這個距離將使振動衰減，導致訊號變弱。因此，感測器的訊號以及感測器至 ADC 的路徑，需盡可能降低雜訊，避免電氣干擾 (如來自於馬達繞組的干擾) 掩蓋所關注的訊號。

振動監測感測器需要在整個時間和溫度範圍內具有良好的穩定性。當使用 RMS 速度趨勢作為診斷工具時，穩定性尤其重要。加速度讀數隨時間或溫度發生的變化會在產生速度資料的積分期間累積，從而影響到趨勢測量。

除了這些效能需求，還有幾個以系統設計角度來看也很重要的感測器屬性。感測器應盡可能小，以便在受監測機器上有最多的放置選擇。另外，重量輕也很重要，這可避免感測器的質量影響到機器的振動特性。

為了徹底避免需使用昂貴的低雜訊同軸纜線將類比感測器接到數位器，許多用於工業狀態監測的加速計會連同 ADC、通訊電路以及一些可能的數位訊號處理元件整合在感測器模組中。此類模組尺寸小、功率低，因此有機會實現電池與無線作業，這可進一步簡化佈局並降低佈線成本和複雜度。最大程度降低感測器模組的總成本，可改善狀況監測的成本效益，從而提供更多機會來採取預防性維護。

MEMS 加速計可應對效能、成本和整合挑戰

CMOS 設計與製造技術的進步讓 MEMS 電容式加速計能夠實現這些效能與系統設計屬性，用於各種工業狀態監測應用。由於採用與 CMOS 積體電路相容的製程製造，因此 MEMS 加速計相較於傳統的壓電加速計，具有明顯的優勢：MEMS 元件可將一個完整感測器模組的許多功能整合到一個晶片大小的封裝中。

請注意：在這個階段，我們必須指出壓電感測器在市場上仍佔有一席之地，其在需要極高溫度容差或振動可能超過 50 g 的應用中佔據主導地位。

STMicroelectronics 的 IIS3DWBTR 三軸 MEMS 加速計就是一個很好的範例 (圖 3)。此元件含有三個超寬頻寬 (DC 至 6 kHz) 加速感測器，以及一個 ADC、一個可供使用者配置的數位濾波器鏈、一個溫度感測器、一個 3 KB FIFO 和一個 SPI 串列介面。全部整合在一個表面黏著式封裝中，尺寸僅為 2.5 x 3 x 0.83 mm。其功率低，電壓範圍為 2.1 至 3.6 V，完全工作時僅耗用 1.1 mA 電流。5 µA 的睡眠模式會在偵測到活動時自動喚醒。另外，此元件也很耐用，工作溫度範圍為 -40°C 至 +105°C，並具有 10,000 g 的耐衝擊性。此元件有多種靈敏度 (±2、±4、±8 或 ±16 g) 可供選用，因此能夠適應各種應用要求。

圖 3：CMOS MEMS 技術可讓 STMicroelectronics 的 IIS3DWBTR 等加速計在一個的低功率封裝中，納入整合式 ADC、數位濾波器和 FIFO 記憶體等元件，進而最大程度降低振動監測成本。(圖片來源：STMicroelectronics)

IIS3WDB 等元件的問世，擴大了振動狀況監測的機會。透過以低成本整合感測器模組所有必要的屬性，這些元件最大程度地降低了整體物料清單成本，讓監測在更多應用中都更具成本效益。小尺寸與三軸感測 (不再需要置於特定方向) 擴大了感測器的放置選擇，包括嵌入到機器內。數位介面允許以簡單的佈線將感測器連接到主機處理器進行數據收集與分析，而整合的預處理及 FIFO 緩衝區則降低了與主機通訊的要求。低功耗需求則開啟了以電池運作的大門。

MEMS 元件設計在整合上可更進一步。例如，在與 IIS3WDBTR 相同的封裝大小下，STMicroelectronics 的 ISM330DHCXTR 囊括了用於 6 度動作感測的三軸加速計和三軸陀螺計，以及 IIS3DWBTR 內的所有功能。此外，該元件還含有 I²C 介面、感測器集線器功能、9 KB FIFO、用於資料處理的可編程有限狀態機，以及用於機器學習的核心區塊，可讓其根據獨特的安裝情況來調整運作。

模組可整合資料處理

對於更高要求的應用，市面上已有可搭載內建處理功能且高度緊湊的 MEMS 感測器模組。例如，Analog Devices 的 ADIS16228CMLZ 振動感測器模組就是一個完整的三軸 ±18 g MEMS 加速計，其採用 15 x 24 x 15 mm 封裝並具有整合式 ADC 與 512 點 FFT，可在頻域中進行振動分析 (圖 4)。此外，該元件還具有針對六個頻譜帶的可編程警報，可根據這些頻帶中的能量等級發出警告或故障偵測訊號。

圖 4：MEMS 振動感測器模組，內建了 FFT 處理與基於頻率的故障偵測功能 (如 Analog Devices 的 ADIS16628)，並具有堅固緊湊的外罩。(圖片來源：Analog Devices)

MEMS 技術提供完整的感測器系統，能夠能處理高達 ±50 g 的振動。例如，Analog Devices 的 ADCMXL3021BMLZ 具有 10 kHz 感測器頻寬、220 kSPS ADC、數位濾波器，以及可由使用者配置的基於時間和 FFT 的條件式警報。即使具有全部的內建處理能力，此元件在 3.3 V 電壓下通常也只需 30 mA。

這些完整的振動感測器系統模組提供了多種可由使用者配置的選項，可供選擇預處理濾波器頻寬、FFT 窗函數、頻段閾值偵測以及時間統計等屬性。若想有效地使用這些屬性，使用者需要非常瞭解自己系統的特性及其可能會採用的多種振動分析技巧。同樣地，開發人員若想使用 IIS3DWB 或 ISM330DHCX 之類的晶片感測器建立自己的振動監測系統，則需瞭解其目標系統特性以及處理選項。

從評估套件入手

要開始建構此背景，STMicroelectronics 的 STEVAL-STWINKT1 等開發套件或許是個很好的開端 (圖 5)。此套件的模組包括 IIS3DWB 和 ISM330DHCX，以及許多其他感測器和帶浮點單元的 Arm® Cortex®-M4 處理器，可應對額外的處理。模組可由隨附的鋰離子電池供電，並提供有內建的低功耗藍牙無線電以及 Wi-Fi 擴充卡來建立無線連線。因此，此套件非常適合現場安裝，可用作獨立的狀況監測感測器。

圖 5：STEVAL-STWINKT1 等開發套件不僅能為開發人員提供加速計與其他 MEMS 感測器進行評估，還能作為獨立、現成的模組用於工業監測。(圖片來源：STMicroelectronics)

該套件由一組完整的韌體支援，可用於開發狀況監測與預測性維護應用。這包括在頻域以及時域 (RMS 速度與加速度峰值) 中進行振動分析的中介軟體。另外，此軟體也和該公司的 DSH-PREDMNT 網路型預測性維護儀表板相容，可用於監測感測器資料與元件狀態。此軟體提供有實作範例，可為開發人員提供路線圖來設計自己的軟體。

結論

壓電感測器在需要極高溫度容差或振動超過 50 g 的應用中仍佔據著主導地位，但由於尺寸的關係，加上需要使用離散 ADC 和預處理硬體 (還有隨之來而的佈線成本和複雜性)，因此在傳統上只限用於高價值的設備監測應用中。

設計人員可改用 MEMS 加速計，這些元件提供了緊湊而頗具成本效益的替代方案，可簡化部署並擴展振動監測的應用範圍。再加上不斷提高的效能，MEMS 加速計可讓設計人員輕鬆地對各種尺寸的機器進行振動狀況監測和預測性維護。