工业4.0又称第四次工业革命，用于描述当前制造技术自动化和数据交换趋势的一个术语，包括物联网(IoT)和人工智能(AI)。传感器发挥着关键作用，因为它们用于收集制造过程中的各类数据，并将其传输到其他系统进行分析和决策。振动传感器是一个重要的子集，特别是在机器自动化领域。
振动传感器是检测物体或表面的振荡或振动的器件。这些传感器应用于许多领域，如工厂质量控制和设备监控。振动传感器有多种类型，但大多数振动传感器的工作原理都是将物理量转换为电气信号。换句话说，传感器将振动转换为电气信号，然后由测量器件或控制系统读取和解释。振动传感器可根据其工作原理进行分类。例如，压电传感器使用压电晶体，当受到机械应力时会产生电压。应变传感器使用薄膜等变形元件，在受到振动时会变形。电容式传感器使用成对的电极形成电容器，其值取决于电极之间的距离。当电极受到振动时，距离会发生变化，电容值也会随之变化。振动传感器可用于测量各种量，如加速度、速度或振动幅度。在某些情况下，振动传感器可用于确定振动频率，这对于识别系统的振动模式非常有用。一般来说，振动传感器的设计要坚固，能够承受机械应力，这样才能在恶劣的工作条件下正常工作。不过，重要的是要确认传感器是否适合使用环境，因为有些传感器可能容易受到极端温度或强磁场的影响。
振动监测是工业4.0中预测性维护和机器诊断的一项重要技术。通过振动监测，可以发现机器中任何异常或故障的早期迹象，从而及早采取措施，避免更严重的故障和未来生产活动的中断。振动监测的基础是使用能够检测机器机械振动的特殊传感器和器件。这些传感器可以安装在机器上，也可以安装在机器的结构上，可以有不同的类型，如加速度计、速度计或位移传感器。振动传感器收集的数据随后会传输到数据采集系统，该系统可以是一台个人电脑，也可以是一个采集卡。数据采集系统可实时处理数据，并提供机器振动分析。一旦收集并分析了振动数据，就可以利用这些信息对机器的健康状况进行准确诊断。例如，如果机器的振动非常大，则可能是轴承或电机等机械部件出现了问题。在这种情况下，振动监测可以为预测性维护提供有价值的支持，从而及早干预，避免出现更严重的故障。振动监测是一种用途极为广泛的技术，可用于许多行业，如能源、消费品制造和航空航天业。使用振动监测传感器和器件，可以提高机器效率和安全性，同时降低维护成本和停机时间。此外，振动监测还可集成到基于物联网的预测性维护系统中，以便收集和分析所有异常情况。传感器可以安装在机器和设备上，用于检测运行过程中产生的振动，从而发现各种问题或故障。其最重要的用途如下：
振动传感器通常与振动分析系统结合使用，以解释检测到的数据，并为机器维护和性能改进提供有用的信息。
目前，我们正在研究工业市场提供的两种型号的振动检测传感器。QM30VT振动传感器可以监控机器的健康状况，通过带宽高达4kHz的两轴振动检测来发现发动机、风扇和类似设备的潜在问题。它们的特点是设计极为紧凑、精度高、安装简单。它们还能检测温度，从而对这两个高度反映设备运行状态的数据进行分析。这种传感器(如图1所示)可以防止机器意外停机，并有效地安排预防性维护。它可以检测多种物理量，例如速度的有效值(RMS)、高频加速度的RMS、峰值速度等。根据使用的具体型号(QM30VT1或QM30VT2)，传感器的采样率可能不同。如果传感器连接到外部节点，则采样频率由该节点的采样频率决定。可使用随附的配置软件来调整传感器的内部采样率。六个传感器输出可用于读取器件寄存器。动态特性如下：
图1：QM30VT传感器。
另一个值得注意的型号是由意法半导体(ST)公司生产的。它是IIS3DWB型3轴MEMS加速度计，专为振动测量而优化，如图2所示。它是一种全新的振动测量解决方案，专为工业设备的智能维护而设计。它可以从机器振动曲线的异常或变化中截获故障信号。本地或云端的振动测量分析可帮助用户制定策略，最大限度地延长机器的正常运行时间，降低运营成本，避免紧急维修。频率响应平坦，噪声低至6kHz。低功耗使电池供电的传感器能够最大限度地工作。传感器收集的数据随后由微控制器或微处理器进行分析。以下是一些主要技术数据：
IIS3DWB加速度计设计用于需要精确测量加速度的场合，例如车辆运动、惯性导航、身体活动跟踪和能源管理。它尤其适用于空间有限的环境或需要低功耗的应用。
图2：QM30VT MEMS 3轴加速度计工作波形。
ISO 10816为评估发动机、泵、风扇、压缩机、变速箱、鼓风机、干燥机、压力机和其他在10至1000Hz频率范围内运行的机器的振动速度提供了指南。图3中的表格突出显示了评估振动速度所涉及的各类机器。在评估不同振动等级时，系统应遵循图表中所示的数值。
图3：关于振动严重程度的ISO 10816标准。
总之，振动传感器是工业企业优化机械运行不可或缺的监控工具。它们能够实时检测到所有异常或故障，使技术人员能够及时采取措施，防止机械和设备出现故障或问题。此外，振动传感器还可用于生产过程质量控制和能效监测。在工业4.0中，振动传感器的使用与物联网和人工智能等其他先进技术相结合，创建了自动化和智能化的监控系统和控制装置。这样就能更高效地收集和分析数据，并根据实时数据分析做出决策。此外，振动传感器的实施有助于提高工作场所的安全性并减少事故，因为它可以在事故发生之前及早发现问题并进行干预。归根结底，振动传感器是工业4.0的关键组成部分，也是确保工业企业最佳运行和安全的关键解决方案。
（原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb，参考链接：Sensors in Industry 4.0: vibration monitoring，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2024年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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