У якому випадку mems-акселерометр є найкращим вибором

26.06.2023 |

Критичними параметрами, які часто недооцінють у процесі вибору MEMS акселерометрів, є діапазон прискорення або g-діапазон, смуга пропускання та резонансна частота сенсора. Якщо ці пара- метри сенсора занадто низькі, можуть виникнути небажані проблеми при  моніторингу стану складних механічних систем. Відомо, що MEMS акселерометри використовують для виявлення несправностей різного устаткування. Вони допомагають запобігти неочікуваним збоям або іншим небажаним та затратним подіям при експлуатації складного обладнання.

При виборі потрібного MEMS акселерометра треба враховувати досить багато критичних параметрів, перш ніж зробити остаточний вибір потрібного сенсора. Деякі з найважливіших критеріїв, якими треба користуватися при виборі  MEMS акселерометра, розглянуті у цій статті. Крім того, при виборі MEMS акселерометра доцільно враховувати переваги та недоліки MEMS технології у порівнянні, наприклад, з п’єзоакселерометрами.

Моніторинг стану механічних систем використовують з метою виявлення  потенційних дефектів або пошкоджень, які можуть виникнути, наприклад, у кулькових підшипниках, шестернях, насосах і в багатьох інших вузлах цих систем. Зазвичай для забезпечення оптимального моніторингу використовують безліч різноманітних сенсорів. За допомогою цих сенсорів можна вчасно виявити будь-які аномалії та вжити запобіжних заходів, щоб уникнути можливих пошкоджень або поломок.

Одним із підходів є прогнозне технічне обслуговування, яке застосовують для прогнозування потенційних несправностей у системі на основі даних, зібраних із показань вбудованих сенсорів. Це допомагає скоротити час простою складного устаткування та підвищити ефективність його експлуатації.

Хоча в системі такого моніторингу використовують- ся різноманітні сенсори, такі як акселерометри, датчики температури, магнітометри, мікрофони, далі буде розглянуто тільки один тип сенсорів, а саме MEMS акселерометри.

Принцип дії MEMS акселерометрів полягає у на- ступному. Вони перетворюють механічні коливання в електричну напругу або цифровий код. MEMS сенсор складається з рухомих і нерухомих кремнієвих елементів, які з’єднані між собою, утворюючи конденсатор, як показано на рис. 1,а. Механічний рух змушує рухомий елемент зміщуватися в бік нерухомого елемента. Конструкцію такого акселерометра можна описати математично як систему маса-пружина, в якій прискорення можна визначити за виміряною силою.

В аналоговому MEMS сенсорі (рис. 1,б) результат виміру перетворюється у напругу. Цифровий ак- селерометр має вбудований АЦП, як показано на рис. 1,в.

 

Рис. 1. Структура MEMS акселерометра з рухом вздовж осі z (а); аналоговий MEMS акселерометр (б); цифровий MEMS акселерометр (в)

Вибір критичних параметрів MEMS-акселерометра для системи моніторингу. G-діапазон MEMS акселерометра слід вибирати так, щоб охопити всі прискорення, що виникають у системі. Якщо вибраний діапазон занадто малий, це може призвести до зсуву в результатах вимірювання та, як слідство, до помилкової інтерпретації прискорень. Частоти, на яких відбуваються прискорення в системі, слід розглядати в поєднанні з пропускною здатністю MEMS акселерометра. Раннє виявлення дефектів, таких, що пов’язані з кульковими підшипниками, насосами тощо, має важливе значення для оцінки працездатності системи в цілому.

Перші ознаки дефектів зазвичай з’являються на високих частотах. Якщо вибрана смуга пропускання занадто мала, ранні дефекти взагалі не будуть виявлені. У наведеному застосуванні MEMS акселерометра прискорення є функцією квадрата частоти. З цього слідує наступне. Якщо при переміщенні на 250 нм і частоті 1 кГц фактичне прискорення становить 1 g, то при цьому ж переміщенні на частоті 10 кГц фактичне прискорення становить вже 100 g або в 100 разів більше. Це означає, що для раннього виявлення дефектів у системі необхідно вибрати акселерометр із достатньо широкою смугою пропускання та відповідним g-діапазоном.

Слід відзначити, що на світовому ринку вже пропонуються MEMS акселерометри із смугою пропускання до 24 кГц і діапазоном до 500 g. Ще одним фактором, який слід враховувати при виборі смуги пропускання, є резонансна частота акселерометра.

Якщо прискорення виникають на резонансній частоті акселерометра, вони посилюються і, у найгіршому випадку, можуть спотворити вимірювальний сигнал і, як слідство, внести похибку у результати вимірювання. Цю проблему можна вирішити шляхом відповідної фільтрації небажаних частот. Окрім пропускної здатності, низький рівень шуму акселерометра також важливий для забезпечення раннього ви- явлення несправностей або відхилень у роботі об- ладнання. Високоякісні MEMS акселерометри мають рівень шуму не більше 100 мкg/√Гц.

Порівняльна таблиця параметрів MEMS та пєзоакселерометрів

Тип акселерометра Рівень шуму, мкд/л/Гц Смуга пропускання, кГц
П’єзоелектричний від <1 до 50 2.5…30
MEMS 25…100 3…20