压电式传感器机器健康监测中探测早期故障的首选

在当今以互联互通和设备间无缝数据共享为特征的工业时代，要求加速度计具有无线传输、数字输出（如IOLink）、传感器级别的数据边缘处理等功能日益成为预防性维护领域的发展趋势。但不管传感器数据输出的技术如何进步，机器健康监测中人们最信赖的传感技术仍然是两种，即：压电传感和电容式MEMS（微机电系统）。

在消费类电子产品领域，MEMS 加速度计因其具有的低成本、频率范围低至0Hz 等特性而广受欢迎。而在机械健康监测领域，对传感器的要求却有极大的不同。宽频探测能力对实现故障早期报警至关重要。MEMS 传感器可探测的低频振动通常和滚动轴承失效后期有关，因此，单纯依靠MEMS 加速度计进行机械健康监测可能会导致报警迟误，设备产生重大损坏。为确保早期发现潜在隐患，避免灾难性故障，压电式传感器成为首选。

本文将对这两种主流的传感器类型进行对比，并评估其在常见故障对应的频率范围内的性能。

频率范围的重要性

为说明传感器宽频探测能力的重要性，下面我们考虑轴承失效的四个阶段相关的振动频率。

第一阶段

在轴承失效的初始阶段，开始出现状态恶化的迹象，表现为金属间的碰撞，通常是由缺乏润滑引起。这个阶段，轴承的振动频率属于超声频率，范围大约在1200k 至3600k CPM (20,000～60,000Hz)，通常只能用尖峰能量或冲击脉冲仪器才能探测到。在失效早期对润滑或对中状态进行评估，能够防止产生重大问题。相反，如果不进行干预，损坏就会发展，进入失效的第二个阶段。

第二阶段

在失效的第二个阶段，第一阶段中的损伤开始变得显著。微小缺陷引起安装的加速度计产生谐振响应，频率范围约为120k～480k CPM (2,000～8,000 Hz)。磨损或损坏在轴承表面变得可见，可能开始影响轴承的整体寿命。在这个阶段，轴承可能开始出现噪声或振动增大等现象，有时温度还会上升。此时，轴承很可能需要更换，由此产生的机器停机时间可能导致产量下降。因此，在这个阶段，尽早发现和解决问题对于防止产生更大损坏以及机器失效是非常重要的。

第三阶段

当轴承失效发展到第三个阶段，损伤已变得严重，轴承的性能显著衰退。振动增大、工作温度上升是这个阶段的常见表现。缺陷频率附近可能会出现边带频率。关键机器应进行额外的振动分析，以评估损伤。如果在此阶段仍不进行人为干预，则引发灾难性失效及相应的机器损害的风险非常显著。

第四阶段

第四阶段是灾难性阶段，是轴承缺陷发展的最终，也是最严重的阶段。在这个阶段，轴承彻底碎裂或完全丧失功能，致使其不能承担载荷或有效工作。轴承缺陷对应的频率集中在5000Hz 以下的低频范围。灾难性失效会造成更长的停机时间、更高的修理费用，并可能对周边机械产生附带损坏。

从根本上讲，是否可探测高频振动意味着简单的预防性维修和高成本修理的区别。与MEMS 传感器不同，压电式加速度计可以在很宽的频率范围内，包括高频段，精确地测量振动。这种能力由于能够在设备状态恶化的早期探测微小的振动异样，因此对于机器健康监测应用是非常有用的。

总结

机器健康监测旨在识别潜在的失效隐患，避免其发展成为灾难性事件。使用压电式传感器，技术人员能够在包括低频段和高频段在内的频率范围内探测和分析振动。压电式传感器的宽频特性使其适用于多种的机器健康监测应用，包括旋转机械、工业设备以及结构状态监测。它的探测失效早期微小振动异常的能力使得维修技术人员能够及时采取行动，防止发生重大故障，减少停机时间。