电机设备状态监控在CbM与传感的作用

电子发烧友网报道（文/李宁远）随着工业场景对设备的监控的重视程度越来越高，传感器需要对设备进行可预测的状态监控。基于状态的监控（CbM）是一种预测性维护，使用不同类型的传感器持续监控设备状况。

我们以电机为例，轴承损坏是使用过程中时常能碰见的故障，在检测此类故障时用到的最多的就是振动和声压传感器件。而转子、绕组等方面的故障则多通过电流变压器在电机供电时测量。

CbM与传感在工业场景中，电机的应用场合很多，我们以电机设备的状态监控来看传感器在其中的作用。这种场景中，有几大类信息需要传感器测量，振动、升压、电机电流、磁场以及温度。振动信号一般使用加速度计进行检测，电机中常见的几个故障和振动息息相关，诸如轴承状态、齿轮啮合、泵气蚀、电机对准状态、电机平衡状态以及电机负载状态。在此类检测里，压电式加速度计和MEMS加速度计非常常见。压电式加速度计噪声低、频率高，适用的场合非常多，MEMS加速度计成本低尺寸小、功率不大，也是CbM中出现的常客。

声压的检测自然是通过麦克风实现，普通的麦克风和超声麦克风成本都不高，尺寸也都很小，功率上也不会占用太多预算，区别主要在频率上。普通麦克风频率上限在20kHz左右，超声麦克风频率上限可以达到100kHz，更高的频率上限意味着使用超声麦克风可以检测压力泄露等设备故障，普通的麦克风主要还是检测轴承状态、齿轮啮合、泵气蚀、电机对准状态、电机平衡状态以及电机负载状态等故障。

电机电流的测量使用传统的分流办法，成本不高而且对设备电路本身没有侵入性，在电机供电时可以检测偏心转子、绕组问题、转子条问题、供电不平衡问题以及轴承问题。磁场相关的检测也是耳熟能详的霍尔、磁力计这些传感器，成本低尺寸也不大，在工业温度范围内也能保持稳定性，多用来检测转子条以及端环问题。

温度方面的检测常规的我们会先想到RTD、热电偶、数字温感这些传感，这些传感器现在都做到了低成本小尺寸而且也够准确，能对由于摩擦、负载变化、过度启停、供电不足等造成的温度变化敏锐感知。如果对温度检测的要求非常高，想要检测由于负载变化、过度启停、供电不足等原因造成的热源位置变化，红外热成像更合适，虽然这种传感一次性配备成本高昂，但能够实现精准的CbM。

CbM振动检测应该怎样选用传感器在基于状态的监控中选用传感器标准肯定是选择高性能的器件，但这个高性能究竟高在哪里还是要分不同的检测对象来判断。比如在轴承检测上，振动传感器必须具有低噪声和宽带宽，这是最重要的两个性能。当然，受益于无线安装的推动在近年来增长迅速，传感器的尺寸、集成性和功耗也是很大一部分考虑因素。

在振动检测中，轴承缺陷和齿轮缺陷都需要振动传感器的噪声控制在100 µg/√Hz以下，同时带宽需要在5kHz以上，否则就无法感知在轴承和齿轮上出现的故障，而且轴承缺陷检测会额外要求更高的传感器g值范围。因为这种故障开始出现并不是很明显，尤其是在早期，很难单单通过增加振动频率来识别，必须将具备低噪声和宽带宽的振动传感器与高性能信号链、处理、收发器和后处理器配对来进行完全的监控。

100 µg/√Hz以上的中等噪声要求适用于不平衡以及为电机未对准的检测，这类故障检测对带宽的要求达到5×至10×基频即可。不平衡以及为电机未对准可能出现的故障会额外要求传感器能进行多轴检测，其中不平衡的故障会需要振动传感器对转动缓慢的机器做出低频响应。

在需要高带宽和低噪声的振动检测中，压电式加速度计和MEMS加速度计都具有满足条件的带宽和低噪声，如果追求极致性能，压电式的带宽和噪声性能肯定是更好一些，但也比MEMS贵了不少。MEMS加速度计则可以提供直流响应，自带的自测功能能验证传感器自身的可用性，毕竟MEMS模块通常包含ADC、处理器和根据传感器调谐的滤波，以优化性能，并节省信号链对空间的需求。应该说MEMS加速度计更小的尺寸和更高的集成性优势也很明显。

小结在CbM应用中选择合适的传感器非常重要，一个合适的传感器选择可以检测、诊断甚至是预测设备可能发生的故障。另外，目前机器学习也开始应用在CbM上，将监测数据与其他传感数据关联起来，推断出设备更多可能出现的状况。

审核编辑：彭静