预测性维护中如何选择合适的加速度计
数字化转型的趋势，提高了为工业状态监测选择最佳加速度计的需求。本文比较了压电和可变电容两种用于状态监测的振动传感器技术，旨在帮助用户实现更好的预测性维护。
加速度计，以往主要用于重型、高端机械的状态监测，如风车、工业泵、压缩机和HVAC 系统。然而，最近向数字化转型的趋势，增加了对应用于大批量、小型机械的加速度计的开发需求。这包括机器主轴、传送带、分拣台和机床等方面的应用。但是，这样做不仅需要更好的预测性维护，还需要更有效地管理机器停机时间，以改善客户体验，提高整体盈利能力。
不断变化的市场，进一步提高了为工业状态监测应用选择最佳加速度计的需求，本文对压电加速度计和可变电容传感器进行了技术特点、功能和适用条件方面的比较，这些分析将对于提供长期、可靠、稳定和准确的性能至关重要。
压电振动传感器
压电加速度计包含自生压电晶体，并在受到由振动机械激励引起的外部应力时产生信号。大多数压电传感器都是基于锆钛酸铅陶瓷（也称为PZT），它们被极化以使偶极子对齐并使晶体成为压电材料。由于具有较宽的温度范围、较宽的动态范围和较宽的频带宽（通常> 20kHz），PZT 晶体是条件监测应用的理想选择。
在当今市场中，主要有两种类型的压电加速度计：压缩模式和剪切模式。
压缩模式设计通过加压，将压电晶体压缩成块来组装（通常在晶体顶部加载质量并施加预加载力来组装）。由于其在性能方面具有一定的限制，而且这些结构容易受到安装基座应变和较高热漂移的影响，这些设计已经过时，现在应用不是特别广泛。
图1. 压缩模式设计通过加压，将压电晶体压缩成块来组装。剪切模式设计通常具有环形剪切晶体和以及固定到支撑柱上的环形质量。所有图片来源：TE Connectivity
剪切模式设计通常具有环形剪切的晶体和以及固定到支撑柱上的环形质量。这种设计提供了卓越的性能，它的底座是隔离的，并且对热应力的敏感性较小，因此提高了稳定性。今天提供的大多数压电加速度计都是剪切模式设计，很显然，这是更有效的选择。
可变电容传感器
可变电容传感器根据两个并联电容器板之间移动的振动质量的电容变化，推导出加速度测量值。电容的变化与施加的加速度成正比。可变电容加速度计需要集成电路与传感元件紧密耦合，以将非常小的电容变化转换为电压输出。这种转换过程通常会导致较差的信噪比和有限的动态范围。
可变电容传感器通常由硅晶片制造，并被制造成微电子机械系统（MEMS）芯片。对压电加速度计和宽带宽MEMS 可变电容加速度计进行有意义的比较评估，需要查看关键性能指标规范。需要重点查看的两种加速度计的特性包括：宽频率响应、测量分辨率和动态范围、具有最小漂移的长期稳定性、工作温度范围、包装选择和易于安装以及传感器输出选项（参见表3）。
频率响应宽
两种加速度计的频率响应是在SPEKTRA CS18 HF 高频校准振动台上进行的测试，振幅范围为5Hz 至20kHz。传感器安装牢固，确保在整个测试范围内获得准确的结果。对每种技术的两个传感器压电和微电子机械系统可变电容进行测试，以确保结果的一致性。
假设可用带宽的幅值偏差为±1dB，但带宽容差通常使用更严格的±5％的偏差。数据表明，可变电容MEMS 传感器的可用带宽高达3kHz，而压电传感器的可用带宽> 10kHz（这种特殊的压电传感器在规格范围内，可高达14kHz）。值得注意的是，压电传感器的低频截止频率为2Hz，而由于MEMS是一种直流响应设备，因此传感器响应可低至为0Hz。
测量分辨率和动态范围
为了确定压电和可变电容MEMS 传感器的测量分辨率和动态范围，样品在噪声隔离室中进行测试，采用最先进的测量设备，能够实现微G 级别的测量分辨率。这些装置安装在同一个腔室中并同时进行测试，以消除外界环境干扰造成的误差。
测量在4 个不同的带宽设置下进行，并且在每个设置下测量残留噪声（结果详见表1）。测量分辨率和动态范围基于0.03-10kHz 带宽计算，（详见表2）。压电传感器的分辨率约为可变电容MEMS 传感器的9 倍。这样就有更好的动态范围，使最终用户能够更早检测到潜在问题。
长期稳定与最小漂移
经过30 多年的现场应用，压电传感器的长期稳定性得到了很好的证明。已知压电晶体本身是稳定的，具有取决于所用晶体配方的长期漂移参数。虽然在任何压电加速度计中，石英都具有最佳的长期稳定性，但由于产量和成本方面的限制，很少用于状态监测应用。相反，PZT 晶体最常用于压电加速度计，并且在大多数应用中，越来越多的被选用。
根据MEMS 设计结构， 可变电容MEMS 加速度计对长期漂移也有广泛的规格限制。立体MEMS 传感器具有最佳的长期漂移，但价格也更昂贵。因此，它们通常仅用在惯性应用中。因此，MEMS 供应商提供用于状态监测的表面微机械可变电容MEMS 传感器，这些传感器的成本要低得多，但却具有极高的测量分辨率和长期稳定性。
工作温度范围
压电和可变电容MEMS 加速度计的工作温度范围相当。两种传感器均可在状态监测应用中工作，典型环境范围为-40℃至125℃。在某些极端环境中，可能需要更高温度范围的传感器，建议选择充电模式压电传感器。充电模式压电加速度计，不包括板载充电转换电路，可用于温度超过700℃的环境。
包装选项和易于安装
对于较小机械中的状态监测装置，尺寸和安装选项可能成为选择加速度计的重要因素。较大的机械通常使用外部螺柱安装的加速度计，但对于具有较小轴承和旋转轴的机械，需要嵌入式或微型加速度计。
大多数可变电容MEMS 加速度计，采用表面贴装技术封装，非常适合大容量印刷电路板装配。可变电容MEMS 传感器也有较小规格的，从而可以创建更多的封装选择。压电加速度计提供各种配置。可提供SMT 安装版本，类似于可变电容MEMS，但SMT 封装的尺寸通常大于可变电容MEMS 设计。压电加速度计还采用坚固的TO-5 罐式封装，带有不锈钢外壳。这些设计允许将其直接安装到轴承座或采用嵌入式安装。
传感器输出选项
根据安装和应用需求，可能需要传感器输出信号选项。当前大多数预测性维护装置，需要来自传感器的模拟信号，以便最终用户决定监视特定机器的哪些参数。通常，信号输出由数据采集或PLC 接口驱动，模拟输出（±2V或±5V）是最常见的选择。但是，对于需要较长电缆的装置，环路供电的4-20mA 传感器也很常见。
由于工业 4.0 专注于自动化和数据交换以重塑制造技术，数字工厂已成为未来发展的趋势。数字输出信号将变得更加普遍，带有板载微处理器的智能传感器，可以为终端用户提供即时维护决策所需的信息。通过压电和可变电容MEMS 传感器技术，可以提供这些输出信号选项。
适合的选择
基于此分析，鉴于压电传感器具有成熟的技术、较高的可靠性和长期稳定性，往往成为状态监测装置的首选。此外，由于具有宽频率响应，能够为早期故障检测提供更好的信号分辨率，嵌入式压电加速度计是低速到高速机械的理想选择。
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本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2019年08月刊《技术文章》栏目，原标题为：如何选择合适的加速度计。
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