作者：Shuai Ren，軟件系統應用工程師

Tomasz Potacza?a，AMC TECH技術總監

摘要

本文深入探討了一款先進的智能振動傳感器，重點介紹它基于微機電系統(MEMS)技術的設計、功能和應用。這款傳感器的核心目標是在各種工業和研究環境中提供高精度、高可靠性和實時監測能力，展現ADI公司不同MEMS傳感技術的實際應用價值。

引言

在現代工業環境中，對機械健康狀態進行精確、可靠且實時的監測變得空前重要。狀態監控(CbM)系統已成為預測性維護策略的基石，旨在盡可能地減少停機時間、提高生產率并降低維護成本。采用微機電系統(MEMS)技術的先進傳感器，結合復雜的診斷算法，正在拓寬能夠評估的各類機械的范圍。MEMS加速度計的性能近年來取得了進步，已具備與壓電振動傳感器分庭抗禮的實力。這類MEMS振動傳感器不僅擁有低功耗、小尺寸、高集成度、寬帶寬等關鍵優勢，噪聲水平更低于100μg/√Hz，為維護和設備工程師開辟了全新的CbM范式，助力檢測、診斷、預測和規避機器故障。得益于MEMS加速度計的超低功耗特性，有線系統逐步被無線解決方案替代，單軸壓電傳感器也升級為小巧輕便的三軸模擬器件，更廣泛的機械設備得以通過經濟高效的方式實現持續監測。本文將探討基于MEMS技術的振動傳感器最新成果，尤其是先進的AVS 1001HF（高頻）與AVS 1003LF（低頻）加速度計。

狀態監控

面向機器人及渦輪機、風扇、泵、電機等旋轉機械的狀態監控傳感器(CMS)，可實時記錄與機械健康狀態及運行性能相關的數據，從而實現針對性的預測性維護和優化控制。在機械生命周期的早期階段，開展針對性的預測性維護可降低生產停機風險，進而提高可靠性并顯著節省成本，讓工廠車間的生產效率更上一層樓。據統計，對于遭遇過意外停機的企業而言，平均每次停機持續4小時，每次造成200萬美元損失，且這類企業平均每年會發生2次停機事件。1,2

CbM的重要性

CbM的主要功能是提供實時數據，為機械的維護計劃提供依據。這種數據驅動的方式確保僅在必要時才進行維護，從而預防意外故障并延長設備的使用壽命。通過減少意外停機，CbM系統有助于維持連續的生產流程并優化資源分配。

具體的解決方案是什么？

這些加速度計代表了工業資產健康監測領域的重大進步。這款傳感器的核心目標是在各種工業和研究環境中提供高精度、高可靠性和實時監測能力，展現ADI公司不同MEMS傳感技術的實際應用價值。

通過整合高頻與低頻振動測量能力，結合實時數據處理與傳輸功能，這些傳感器為預測性維護提供了全方位解決方案。它們易于集成、用途廣泛且精度出眾，成為工業環境中提升生產效率、減少停機時間、優化維護策略的得力助手。

AVS傳感器系列重新定義了狀態監控，不僅提高了機械設備的運行效率，更為工業資產健康管理樹立了新標桿。隨著各行各業不斷采用智能技術，像AVS系列這樣的先進傳感器將在推動下一代工業自動化與維護發展方面發揮更加關鍵的作用。

此解決方案有何優勢？

全新AVS傳感器系列的一大核心優勢在于重新定義了狀態監控。傳統的狀態監控(CbM)需要傳感器、大量布線以及專用的數據采集/處理單元。而借助智能AVS傳感器，所有這些功能如今都可在傳感器內部完成。分析結果能直接發送至可編程邏輯控制器(PLC)或監測與數據采集(SCADA)系統。通過使用數字RS-485接口，僅需一根線纜就能連接多個傳感器。

另一重要優勢是AVS傳感器應用的靈活性：器件正常運行時，僅需發送計算得出的參數；若需要更深入的分析，則可發送原始振動信號并進行解析。

AVS 1001HF和AVS 1003LF傳感器

AVS 1001HF傳感器

AVS 1001HF是一款單軸數字式高頻加速度計，除了可測量振動外，還具備溫度檢測功能。這款傳感器可對振動加速度信號進行處理，通過工業標準的RS-485數字接口及Modbus協議輸出數據。它能提供兩類數據：振動原始數據流或經計算得出的振動信號參數（見圖1）。

圖1.AVS 1001HF傳感器

AVS 1003LF傳感器

AVS 1003LF是一款三軸數字式低頻加速度計。與AVS 1001HF類似，它可同時測量振動與溫度，并通過RS-485接口及Modbus協議傳輸數據，旨在實現三個軸向的全方位監測（見圖2）。

圖2.AVS 1003LF傳感器。

這兩款傳感器的詳細技術指標參見表1。

表1.技術規格

應用：

-保護

-機器監測

-狀態評估

-動態狀態測量

新型AVS傳感器系列的優勢

直接訪問數字數據

集成了數字數據直接訪問功能后，無需大量布線，也無需專用的數據采集/處理單元，所有功能均在傳感器內部完成，不僅顯著簡化了安裝流程，還降低了整體成本。

應用的多功能性

AVS傳感器具備出色的多功能性。正常運行時，僅發送計算得出的參數，可節省帶寬和處理能力；如需更深入的分析，可傳輸并解析原始振動信號，從而更透徹地掌握機械的狀態。

可靠的數據傳輸

通過使用數字RS-485接口，單根線纜即可連接多個傳感器，確保在1公里范圍內實現可靠的數據傳輸，從而盡可能地減少了工業噪聲干擾，同時為傳感器網絡的擴展提供了便利。

高精度與低噪聲

兩款傳感器均具有高靈敏度和低噪聲特性，提升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；AVS 1003LF的噪聲密度為80 µg/√Hz，即便在復雜的工業環境中，也能保證測量的精準性。

MEMS技術

此類傳感器的核心優勢源于MEMS技術，能夠將微型尺寸與高性能有效結合。MEMS傳感器具備堅固耐用的特性，對于高要求的工業應用而言至關重要。

高帶寬和三軸傳感的重要性

高帶寬：用于捕捉故障

ADXL1002單軸加速度計擁有11 kHz、3 dB的帶寬，對捕捉高頻軸承及齒輪故障而言不可或缺，因為低帶寬傳感器極易遺漏此類故障。憑借高帶寬能力，可對關鍵部件進行精細化分析，確保及早發現并預防潛在故障（見圖 3）。

圖3.ADXL1002的頻率響應、高頻(>5 kHz)振動響應；

三軸傳感：實現全方位監測

三軸傳感解決方案（如AVS 1003LF所提供的方案）對于預測單軸傳感器可能遺漏的故障至關重要。通過捕捉三個軸向的數據，這些傳感器能夠更全面地呈現機械的運行狀態，從而優化故障預測與維護計劃的制定。

案例研究

AVS 1001HF與AVS 1003LF加速度計已整合至AMC云端狀態監控系統中。傳感器采集的原始信號傳輸至邊緣處理單元，計算出診斷特征后，再將數據發送至云服務器。客戶可快速便捷地獲取有關機械健康狀態的信息。系統提供的圖表包括：設備分布圖、自定義模擬圖（含柱狀圖等多種組件）、報警信息、趨勢圖、波形圖、頻譜圖等。圖4展示了系統提供的部分圖表。

圖4.可配置的柱狀圖

可配置的柱狀圖方便操作人員快速評估。若出現超限情況，柱形會改變顏色：黃色表示警告，紅色表示報警。還可添加圖片及其他組件，使信息更通俗易懂且直觀易用。

此外，通過數字協議（如Modbus、OPC UA和MQTT），可輕松實現與其他系統的數據交互。另一實用功能是能夠將關注的數據導出至文件，以便進行深入透徹的分析（見圖7）。

圖5.事件/警報視圖。

另一種一級圖表是事件/警報視圖（圖5）。操作人員可查看當前活躍的閾值超限情況，也可查閱歷史變化記錄。當然，系統提供了多種篩選選項，能讓操作人員大幅節省時間。

圖6.所選振動參數的歷史記錄。

趨勢圖展示了所選振動參數（均方根值和速度均方根值）的歷史變化（圖6）。用戶可快速掌握這些參數隨時間的變化特征，例如波動性、上升趨勢，或與其他測量值的相關性。

有時，我們需要更深入的分析。多數情況下，需找出振動水平升高的原因，而對原始振動信號的分析正是探究根源的關鍵所在。振動專家可通過波形圖和頻譜圖對這些信號進行分析。

圖7.實時數據監測

這些數據來自一臺篩分機，其上總共使用了8個傳感器（4個高頻傳感器和4個低頻傳感器）。圖8展示了其中一個安裝在軸承上的傳感器。

圖8.安裝于惡劣環境中的AVS傳感器解決方案。

安裝結果表明，這些傳感器不僅功能完備，且具備在惡劣環境中持續監測資產狀態的能力。

結語

AVS 1001HF和AVS 1003LF加速度計代表了工業資產健康監測領域的重大進步。通過整合高頻與低頻振動測量能力，結合實時數據處理與傳輸功能，這些傳感器為預測性維護提供了全方位解決方案。它們易于集成、用途廣泛且精度出眾，成為工業環境中提升生產效率、減少停機時間、優化維護策略的得力助手。

AVS傳感器系列重新定義了狀態監控，不僅提高了機械設備的運行效率，更為工業資產健康管理樹立了新標桿。隨著各行各業不斷采用智能技術，像AVS系列這樣的先進傳感器將在推動下一代工業自動化與維護發展方面發揮更加關鍵的作用。

參考文獻

1 Graham Immerman，“The Actual Cost of Downtime in the Manufacturing Industry”，IIoT World，2018年11月。

2 “What Downtime Really Costs—and Why Maintenance Contracts Make Sense”，Sumitomo Drive Technologies，2025年4月

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

作者簡介

Shuai Ren是ADI公司工業自動化業務部智能運動與機器人團隊的系統應用工程師，主要研究領域包括狀態監控、工業通信設計及磁傳感技術。他擁有愛爾蘭高威大學工程碩士學位。

Tomasz Potacza?a現任技術總監，在嵌入式系統部門的任務規劃、流程建立及運營活動組織方面擁有15年以上經驗。作為電子工程師，他在嵌入式系統開發、項目管理及質量保障領域積淀了深厚專業素養，畢業于AGH科技大學，獲電子工程碩士學位。目前，他擔任AMC TECH股份有限公司嵌入式系統部門負責人，已參與近20個研發項目。