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工业4.0中的传感器:振动监测

2024-02-13 09:00:00 Giovanni Di Maria 阅读:
在工业4.0中,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。

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。i5qednc

振动传感器的一般工作原理

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。i5qednc

机械振动:不可低估的信号

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:i5qednc

  • 监控生产过程的质量,例如,验证机器部件是否正确组装或生产线是否高效运行;
  • 确定可能存在的维护问题,如部件老化或机器是否需要更换;
  • 通过检测可能预示故障或紧急危险的异常振动,提高机器安全性。

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。i5qednc

某些型号

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:i5qednc

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图1:QM30VT传感器。i5qednc

  • Z轴速度RMS(mm/s):0至65535之间;
  • X轴速度RMS(mm/s):0至65535之间;
  • 电源电压:3.6VDC至5.5VDC(QM30VT1),10VDC至30VDC(QM30VT2);
  • 电流:3mA(QM30VT1)和9mA(QM30VT2);
  • 测量范围:0至46mm/s;
  • 频率范围:10Hz至4kHz;
  • 采样频率:20kHz(默认);
  • 工作温度:-40℃至+105℃。

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:i5qednc

  • 分辨率:高达16位
  • 测量范围:±2g、±4g、±8g、±16g
  • 频带:高达1.6kHz
  • 精度:高达±0.5%
  • 工作温度:-40℃至+85℃
  • 通信接口:I2C、SPI
  • 尺寸:2.5×2.5×0.75mm

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。i5qednc

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图2:QM30VT MEMS 3轴加速度计工作波形。i5qednc

符合ISO 10816标准的振动强度

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。i5qednc

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图3:关于振动严重程度的ISO 10816标准。i5qednc

总结

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。i5qednc

(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。)i5qednc

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i5qednc

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