摘要
本文呈現了對一款尖端智慧振動感測器的深入探討，強調其設計、功能與應用，這一切均植根於微機電系統（MEMS）技術。該感測器的核心目標是在各種工業與研究環境中提供高精度、可靠性及即時監測能力，展現了 ADI 不同 MEMS 感測技術的應用。
前言
在現代工業環境中，對機械健康進行精確、可靠且即時監測的需求比以往任何時候都更加關鍵。狀態監測（CbM）系統已成為預測性維護策略的基石，旨在最小化停機時間、提升生產力並降低維護成本。
利用微機電系統（MEMS）技術的尖端感測器，結合複雜的診斷演算法，正在擴大評估不同類型機械的範圍。MEMS 加速規的效能近期已進步到現在可以與壓電（piezo）振動感測器競爭的水準。具備諸如更低功耗、更小尺寸、更高整合度，結合寬頻寬以及低於 $100\text{ μg}/\sqrt{\text{Hz}}$ 的噪聲水準等關鍵優勢，意味著這些 MEMS 振動感測器為維修與設施工程師開啟了全新的 CbM 典範，用以檢測、診斷、預測並最終避免機器故障。
由於 MEMS 加速規的超低功耗，有線系統現在可以被無線解決方案取代，單軸壓電感測器可以被小型、輕量化的三軸類比元件取代，更廣泛的機器現在能以具成本效益的方式進行持續監測。本文討論了 MEMS 振動感測器的最新進展，特別是代表該技術前沿的 AVS 1001HF（高頻）與 AVS 1003LF（低頻）加速規。
狀態監測 (Condition-Based Monitoring)
用於機器人及旋轉機械（如渦輪機、風扇、泵浦和馬達）的狀態監測感測器（CMS），能記錄與機器健康和效能相關的即時數據。這實現了具針對性的預測性維護與優化控制。在機器生命週期早期，具針對性的預測性維護可降低生產停機風險，進而提高可靠性、顯著節省成本並提升工廠生產力。對於那些經歷過非計畫停機的公司，根據平均兩次停機事件計算，停機平均持續四小時，平均損失達 200 萬美元。
CbM 的重要性
CbM 的主要功能是提供即時數據，以作為機械維護時程的依據。這種數據驅動的方法允許僅在必要時進行維護，防止意外故障並延長設備的使用壽命。藉由減少非計畫停機，CbM 系統有助於維持連續的生產流程並優化資源配置。
此解決方案是什麼？
這些加速規代表了工業資產健康監測領域的重大進步。該感測器的核心目標是在各種工業與研究環境中提供高精度、可靠性及即時監測能力，展現了 ADI 不同 MEMS 感測技術的應用。
透過將高頻與低頻振動測量能力與即時數據處理及傳輸相結合，這些感測器為預測性維護提供了全面的解決方案。它們易於整合、多功能且具備高精度，使其成為在工業環境中提升生產力、減少停機時間並優化維護策略的寶貴工具。
藉由重新定義狀態監測，AVS 感測器系列不僅提高了機械的運作效率，還為工業資產健康管理樹立了新標準。隨著各產業持續採用智慧技術，像 AVS 系列這樣的先進感測器，將在推動下一代工業自動化與維護向前發展的過程中變得越來越關鍵。
此解決方案的優勢為何？
這款全新 AVS 感測器系列的一個關鍵優勢在於對狀態監測的重新定義。典型的 CbM 需要感測器、大量的佈線以及一個專用的數據採集/處理單元。藉由智慧型 AVS 感測器，所有這些功能現在都在感測器內部執行。分析結果可以直接傳送至可程式化邏輯控制器（PLC）或監控與資料擷取系統（SCADA）。透過使用數位 RS-485 鏈路，許多感測器可以僅用單一電纜連接。
另一個重要的優點是 AVS 感測器應用的多功能性。在正常運作期間，可以僅傳送計算後的參數。當需要進行更進階的分析時，則可以傳送並分析原始振動訊號。
AVS 1001HF 與 AVS 1003LF 感測器
AVS 1001HF 感測器
AVS 1001HF 是一款單軸、數位、高頻加速規，除了振動之外，還能測量溫度。它會處理振動加速度訊號，並透過工業標準 RS-485 和 Modbus 協定的數位連接器提供數據。該感測器可以提供兩種類型的數據：原始振動數據流（stream of raw vibration data）或振動訊號的判定參數（determined parameters）（參見圖 1）。
圖 1. AVS 1001HF 感測器。
AVS 1003LF 感測器
AVS 1003LF 是一款三軸、數位、低頻加速規。與 AVS 1001HF 類似，它能同時測量振動與溫度，並透過 RS-485 和 Modbus 協定提供數據。它旨在提供跨三個軸向的全面監測能力（參見圖 2）。
圖 2. AVS 1003LF 感測器。
這些感測器的詳細技術規格可以在表 1 中找到
表 1. 技術規格
應用領域：
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保護 (Protection)
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機器監測 (Machine monitoring)
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狀態評估 (Condition assessment)
-
動態狀態測量 (Dynamic state measurements)
新型 AVS 感測器系列的優勢
直接數位數據存取
直接數位數據存取的整合消除了對大量佈線及專用數據採集/處理單元的需求，因為所有功能都在感測器內部執行。這顯著簡化了安裝過程並降低了整體成本。
應用的多功能性
AVS 感測器提供了卓越的多功能性。在正常運作期間，僅傳送計算後的參數，以節省頻寬與處理能力。對於更進階的分析，則可以傳輸並分析原始振動訊號，從而對機械狀況提供更深入的洞察。
可靠的數據傳輸
透過使用數位 RS-485 鏈路，多個感測器可以僅用單一電纜連接，確保長達 1 公里的可靠數據傳輸。這能最大限度地減少工業噪聲，並允許輕鬆擴展感測器網路。
高精度與低噪聲
兩款感測器均展現出高靈敏度與低噪聲水準，增強了振動數據的準確性。AVS 1001HF 的靈敏度高達 100 mV/g，噪聲密度為 4 µg/√Hz ；而 AVS 1003LF 的噪聲密度為 80 µg/√Hz，確保了即使在具挑戰性的工業環境中也能進行精確測量。
MEMS 技術 (MEMS Technology)
這些感測器的核心在於 MEMS 技術，它結合了微型尺寸與高性能。MEMS 感測器提供了強韌性與耐用性，這對於苛刻的工業應用至關重要。
高頻寬與三軸感測的重要性
用於捕捉故障的高頻寬
ADXL1002 單軸加速規具備 11 kHz 的 3 dB 頻寬，這對於捕捉高頻軸承與齒輪故障至關重要，而低頻寬感測器可能會遺漏這些故障。這種高頻寬能力可以對關鍵組件進行詳細分析，確保及早發現並預防潛在失效（參見圖 3）。
圖 3：ADXL1002 的頻率響應，高頻（>5 kHz）振動響應。
全面監測的三軸感測
三軸感測解決方案（如 AVS 1003LF 所提供的方案）對於預測單軸感測器可能會忽略的故障至關重要。透過捕捉三個軸向的數據，這些感測器提供了更全面的機器狀況視圖，從而實現更好的故障預測與維護規劃。
案例研究
AVS 1001HF 與 AVS 1003LF 加速規感測器已與 AMC 雲端狀態監測系統整合。感測器的原始訊號被傳送到邊緣處理單元。該單元計算診斷特徵並將數據傳送到雲端伺服器。客戶可以快速且方便地獲取有關機械健康的資訊。系統提供以下圖表：地圖、自定義模擬圖（包含長條圖等多個組件）、警報、趨勢圖、波形圖、頻譜圖等。圖 4 展示了系統中的部分圖表。
圖 4：可配置的長條圖。
可配置的長條圖是供操作員快速評估的視圖。如果發生超限（limit violation），長條會變色為黃色（警告）或紅色（警報）。可以添加圖片和其他組件來創建使用者友善且直觀的資訊。
圖 5：事件/警報視圖。
另一個第一線圖表是事件/警報視圖（圖 5）。操作員可以檢查目前啟動的閾值違規情況，或檢查過去的變化。當然，系統提供多種過濾選項以節省操作員的時間。
圖 6：選定振動的歷史記錄。
趨勢圖展示了選定振動參數（均方根值 rms 與速度均方根值 velocity rms）的歷史記錄（圖 6）。使用者可以快速檢查隨時間變化的性質，例如波動性、上升趨勢或與其他測量值的相關性。
有時需要更深入的洞察。最常見的情況是，我們需要知道是什麼原因導致了振動位準增加。最終的來源是調查原始振動訊號。振動專家可以透過波形圖和頻譜圖分析這些訊號。
此外，數據可以透過數位協定（例如 Modbus、OPC UA 和 MQTT）輕鬆地與其他系統交換。另一個實用的功能是能夠將感興趣的數據導出為文件，以便進行更深層的分析（參見圖 7）。
圖 7：真實數據監測。
這些數據來自一台使用了八個感測器（四個高頻 HF 和四個低頻 LF）的篩分機（sieve screener）。圖 8 展示了安裝在軸承上的其中一個感測器。
圖 8：安裝在惡劣環境下的 AVS 感測器解決方案。
這次安裝證明了感測器的功能，以及它們即便在惡劣環境下也能監測工業資產的能力。
結論
AVS 1001HF 與 AVS 1003LF 加速規代表了工業資產健康監測領域的重大進步。透過將高頻與低頻振動測量能力與即時數據處理及傳輸相結合，這些感測器為預測性維護提供了全面的解決方案。它們易於整合、多功能且具備高精度，使其成為在工業環境中提升生產力、減少停機時間並優化維護策略的寶貴工具。
藉由重新定義狀態監測，AVS 感測器系列不僅提高了機械的運作效率，還為工業資產健康管理樹立了新標準。隨著各產業持續採用智慧技術，像 AVS 系列這樣的先進感測器，將在推動下一代工業自動化與維護向前發展的過程中變得越來越關鍵。
