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工业4.0的浪潮正在兴起。众所周知，工业4.0有着大量的承诺，其中就包括生产力和安全性的指数级改进。如何实现生产力和安全性的大幅提升呢？这其中工业条件监测将发挥重要作用，而传感器在其中将扮演关键角色。振动是机器诊断的关键要素之一，已被可靠地运用于监控各种工业应用中的最关键设备。

1 高精度的振动加速度计

振动测量可以使用放置在被监测元件附近的加速度计进行。这种传感器可以是压电式，也可以是MEMS（微机电系统）类型，后者更具优势，不仅可以在低频率下提供更好的响应，而且体积小巧。

以滚珠轴承故障监测为例，每次滚珠碰触到开裂处或者触碰到内环或外环的缺陷位置，就会发生撞击，引起振动，甚至导致旋转轴轻微移位。撞击发生的频率由转动速度，以及滚珠的数量和直径决定。一旦故障出现，前面提到的撞击有时候会产生可以听见的声音，即冲击波，表现为低能量谱分量和相对较高的频率，通常大于5 kHz，而且总是远远超过基本的旋转频率。只有低噪声、高带宽加速度计（例如ADI公司的ADXL100x）才能测量与首个故障信号相对应的频谱线。

2 测量模块的解决方案

尽管诸如ADXL100x系列加速度计具有宽带宽和低噪声特点。但是，它们采用单轴，需要配备相关的处理电子设备。为了简化设计，越来越多提供从组件到完整功能模块产品。例如ADI公司提供了一套完整的解决方案，采用 ADcmXL3021型号实施三轴测量。这款3.3 V电源电压产品包括3个基于ADXL1002的测量链、1个温度传感器、1个处理器和1个FIFO（先入先出）。整个装置封装在一个铝壳 (23.7 mm×26.7 mm×12 mm) 内，可以即时安装在旋转机器上。该产品的全尺寸为±50 g，具有仅25 μg/√Hz的极低噪声水平和10 kHz带宽，这些特点使其能够在大量应用中捕捉振动特征。

信号处理模块不仅包括一个具有32个系数的可配置FIR（有限冲击响应）滤波器，还包括一个每轴2 048个节点的FFT（快速傅里叶变换）函数，用于对振动进行频谱分析。再将用这种方法计算得出的频谱的每个频率级别与可配置的报警阈值（每轴6个）进行对比。如果频谱组件过于密集，就会生成警报。该产品还可以通过SPI（串行外设接口）与主机处理器进行交互，提供访问内部寄存器以及一组用户可配置的函数的权限，包括先进的数学函数，例如计算平均值、标准偏差、最大值、波峰因素和峰度（四阶动力矩，支持测量振动的锐度）。利用这些机器健康状况的深入见解，可以提高生产力和效率，最大限度地延长正常运行时间，加速实现工业 4.0。

关键词：振动加速度计