壓電式傳感器：機器健康監測中探測早期故障
2024-05-13
在當今以互聯互通和設備間無縫數據共享為特征的工業時代，要求加速度計具有無線傳輸、數字輸出（如IO-Link）、傳感器級別的數據邊緣處理等功能日益成為預防性維護領域的發展趨勢。但不管傳感器數據輸出的技術如何進步，機器健康監測中人們最信賴的傳感技術仍然是兩種，即：壓電傳感和電容式MEMS（微機電系統）。
在消費類電子產品領域，MEMS加速度計因其具有的低成本、頻率范圍低至0Hz等特性而廣受歡迎。而在機械健康監測領域，對傳感器的要求卻有極大的不同。寬頻探測能力對實現故障早期報警至關重要。MEMS傳感器可探測的低頻振動通常和滾動軸承失效后期有關，因此，單純依靠MEMS加速度計進行機械健康監測可能會導致報警遲誤，設備產生重大損壞。為確保早期發現潛在隱患，避免災難性故障，壓電式傳感器成為首選。
本文將對這兩種主流的傳感器類型進行對比，并評估其在常見故障對應的頻率范圍內的性能。
一、頻率范圍的重要性
為說明傳感器寬頻探測能力的重要性，下面我們考慮軸承失效的四個階段相關的振動頻率。
1.第一階段
在軸承失效的初始階段，開始出現狀態惡化的跡象，表現為金屬間的碰撞，通常是由缺乏潤滑引起。這個階段，軸承的振動頻率屬于超聲頻率，范圍大約在1200k至3600k CPM (20,000~60,000Hz)，通常只能用尖峰能量或沖擊脈沖儀器才能探測到。在失效早期對潤滑或對中狀態進行評估，能夠防止產生重大問題。相反，如果不進行干預，損壞就會發展，進入失效的第二個階段。
2.第二階段
在失效的第二個階段，第一階段中的損傷開始變得顯著。微小缺陷引起安裝的加速度計產生諧振響應，頻率范圍約為120k~480k CPM (2,000~8,000 Hz)。磨損或損壞在軸承表面變得可見，可能開始影響軸承的整體壽命。在這個階段，軸承可能開始出現噪聲或振動增大等現象，有時溫度還會上升。此時，軸承很可能需要更換，由此產生的機器停機時間可能導致產量下降。因此，在這個階段，盡早發現和解決問題對于防止產生更大損壞以及機器失效是非常重要的。
3.第三階段
當軸承失效發展到第三個階段，損傷已變得嚴重，軸承的性能顯著衰退。振動增大、工作溫度上升是這個階段的常見表現。缺陷頻率附近可能會出現邊帶頻率。關鍵機器應進行額外的振動分析，以評估損傷。如果在此階段仍不進行人為干預，則引發災難性失效及相應的機器損害的風險非常顯著。
4.第四階段
第四階段是災難性階段，是軸承缺陷發展的最終，也是最嚴重的階段。在這個階段，軸承徹底碎裂或完全喪失功能，致使其不能承擔載荷或有效工作。軸承缺陷對應的頻率集中在5000Hz以下的低頻范圍。災難性失效會造成更長的停機時間、更高的修理費用，并可能對周邊機械產生附帶損壞。
從根本上講，是否可探測高頻振動意味著簡單的預防性維修和高成本修理的區別。與MEMS傳感器不同，壓電式加速度計可以在很寬的頻率范圍內，包括高頻段，精確地測量振動。這種能力由于能夠在設備狀態惡化的早期探測微小的振動異樣，因此對于機器健康監測應用是非常有用的。
二、總結
機器健康監測旨在識別潛在的失效隱患，避免其發展成為災難性事件。使用壓電式傳感器，技術人員能夠在包括低頻段和高頻段在內的頻率范圍內探測和分析振動。壓電式傳感器的寬頻特性使其適用于多種的機器健康監測應用，包括旋轉機械、工業設備以及結構狀態監測。它的探測失效早期微小振動異常的能力使得維修技術人員能夠及時采取行動，防止發生重大故障，減少停機時間。
除寬頻性能之外，壓電式傳感器還具有出色的可靠性和精度。通過可靠而精確的數據，維修技術人員就能夠全面掌握機器的健康狀態，做出科學決策，優化維修計劃，避免計劃外停機，降低維護成本。
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