本文说明MEMS技术的最新进展如何将加速度传感器推到前沿，在状态监控应用中与压电传感器抗衡竞争；还将讨论如何使用使这一切成为可能的新开发平台。
状态监控(CbM)和预测性维护(PdM)简介
状态监控(CbM)涉及使用传感器来测量当前的健康状态，以监测机器或资产。预测性维护(PdM)需要组合使用CbM、机器学习和分析等多种技术，以预测未来的资产维护周期或可能发生的故障。预计全球设备健康监测将显著发展，因而知晓和了解关键的趋势势在必行。越来越多的CbM公司开始采用PdM来提高其产品的差异化优势。关于CbM，维护和设备管理人员现在有了新的选择，比如无线装置，以及更低成本的高性能装置。虽然大部分CbM系统的基础设施保持不变，但现在我们可以将新的MEMS技术直接集成到以前主要采用压电式传感器，或因成本障碍而未进行监控的系统中。
状态监控—工程挑战和设计决策
在典型的CbM信号链设计中，需要考虑许多不同的工程规范和技术，这些规范和技术都在不断改进，其复杂性也在不断增加。现在有各种类型的客户，他们可能具备某个领域的专业知识，例如算法开发（仅软件）或硬件设计（仅硬件），但并非始终同时精通这两个方面。
对于希望专注于算法开发的开发人员，他们要求数据信息库能够准确预测资产故障和停机。他们不想设计硬件，或者解决数据完整性故障；而是想使用确实高度保真的数据。同样，对于希望提高系统可靠性或降低成本的硬件工程师，他们需要一种可以轻松连接到现有的基础设施的解决方案，从而可以对现有解决方案进行基准测试。他们需要以易于使用和导出的可读格式访问数据，以免浪费时间来评估性能。
Manyofthesystem-levelchallengescanbesolvedwithaplatformapproach—fromthesensorallthewaytoalgorithmicdevelopment—enablingallcustomertypes.
许多系统级挑战都可以采用平台方法解决（从传感器到算法开发），从而支持所有类型的客户。
CN是什么？它如何帮助延长设备的寿命？
CNCbM开发平台
CN状态监控平台是一种高性能、现成的硬件和软件解决方案，可以将高保真的振动数据流从资产传输到算法/机器学习开发环境中。该平台为硬件专家提供了一个经过测试和验证的系统解决方案，可以提供高度精准的数据采集、与资产之间的可靠机械耦合，以及高性能宽带振动传感器。同时提供所有硬件设计文件，帮助您轻松集成到设计的产品中。CN对软件专家也很有吸引力，它概括了状态监控信号链硬件挑战，让软件团队和数据专家能够直接开始开发机器学习算法。重要特性和优点包括：
u易于安装到资产中，同时保持机械耦合信号的完整性
u具有IEPE数据输出格式的宽带宽MEMS加速度计传感器
uIEPE、模拟输入带宽从DC到54kHz的高保真数据采集(DAQ)解决方案
u嵌入式网关捕捉和存储原始数据，用于本地或联网处理
u使用ADI的IIO示波器应用实时显示频域数据
u直接将传感器数据流传输至热门的数据分析工具，例如Python和MATLAB
CbM开发平台主要由四种不同的元件构成（如图1所示），我们将分别逐一介绍，然后介绍整个组合解决方案。
图1.构成CbM开发平台的元件
高度精准、高保真的数据捕捉和处理
在带宽更宽、传感器噪声更低时，可以更早检测到故障，例如轴承问题、气蚀和齿轮啮合。数据采集电子设备必须确保测量的振动数据高度保真，这一点非常重要；否则可能导致重要的故障信息丢失。确保振动数据保真，这样我们就可以更快地发现变化趋势，且非常自信地提供预测性维护建议，从而减少机械元件不必要的磨损，随之延长资产的使用寿命。
对重要性较低的资产实施状态监控的经济高效的方法
压电式加速度计是最关键的资产上使用的最高性能的振动传感器，对于这些资产来说，性能比成本更重要。一直以来，压电传感器的高成本都阻碍了对重要性较低的资产实施状态监控。现在，MEMS振动传感器在噪声、带宽和g范围等方面都不逊于压电式传感器，这让维护和设备管理人员能够更深入地了解重要性较低的资产，这些资产以前采用故障排除或被动维护计划。这主要是因为MEMS的性能高，成本低。现在，我们可以使用经济高效的方法来持续监控中低等重要性的资产。我们可以利用先进的振动传感技术，轻松识别和修复资产上不必要的磨损，帮助延长资产的使用寿命。这也有助于提高设备的整体效率，减少机器或工艺停机时间。
监控资产—检测问题
对于CbM和PdM，可以使用多种不同类型的检测模式。大部分应用都涉及电流检测、电磁检测、流量监控和其他几种模式。振动检测是CbM中最常用的模式，压电式加速度计则是最常用的振动传感器。在本节中，我们将回顾技术进步如何推动振动传感器领域不断发展，以及这对应用决策产生什么样的影响。
MEMS与压电式加速度计
压电式加速度计是性能非常高的传感器，但要达到该性能，需要做出许多设计取舍。例如，压电式加速度计通常都是用在有线安装中，这是因为它们会消耗过多功率、体积可能很大（尤其是三轴传感器），且成本高昂。综合上述所有这些因素，在整个工厂内使用压电式传感器是不现实的，所以，它们一般只用在关键资产上。
MEMS加速度计一直没有足够的带宽、噪声过高，g范围也仅支持监控不太重要的资产，这种情况直到最近才发生改变。MEMS技术的最新进展克服了这些限制，使MEMS振动传感器能够监控低端资产，也能监控非常重要的资产。表1显示了压电式传感器和MEMS传感器在CbM应用中所需的重要特性。MEMS加速度计体积小、可通过电池供电运行数年、成本低，且性能不逊于压电式传感器，正快速成为许多CbM应用的首选传感器。
CNCbM开发平台兼容MEMS和IEPE压电式加速度计，可在不同传感器类型之间进行基准比较。
表1.MEMS与压电式加速度计
现有IEPE基础设施中使用MEMS加速度计
如表1所示，与压电式传感器相比，MEMS加速度计现在可以提供具有竞争力的规格和性能，但是，它们能够取代现有的压电式传感器吗？为了便于设计人员评估并使用MEMS加速度计来取代压电式加速度计，ADI设计了一个接口，它可以兼容CbM应用中实际使用的IEPE标准压电式传感器接口。
IEPE传感器接口和机械安装(CN)
CN（如图2所示）是一个IEPE转换电路，让MEMS加速度计和现有IEPE传感器一样，直接与IEPE基础设施无缝连接。
图2.CNMEMSIEPE转换电路
单轴MEMS传感器通常有三条输出线路：电源、接地和加速度输出。IEPE基础设施只需要两条：一条线路接地，另一条传输电源/信号。电流传输给传感器，当传感器检测到振动时，由同一条线路输出电压。
图3.说明MEMS传感器如何与现有的IEPE基础设施（电源和数据）连接的简化示意图
CNPCB的设计厚度为90mils，以保持数据手册中给出的MEMS加速度计的频率响应性能。测试装置采用螺钉安装，开箱即可进行测试。安装块、PCB和焊锡膏等均进行了广泛表征，以确保全带宽机械转换功能、最大限度地提高传感器带宽内各类故障的可见性，并通过捕捉这些故障来延长资产的使用寿命。这些解决方案让CbM设计人员能够轻松将MEMS加速度计集成到他们的资产中，并与现有的压电式基础设施无缝连接。
对于高频振动测试，机械信号路径的完整性非常重要。换句话说，从信号源到传感器，振动信号必须没有衰减（由于阻尼）或放大（由于谐振）。如图4所示，一个铝质安装块(EVAL-XLMOUNT1)、四个螺钉安装座和一个厚PCB，确保对目标频率范围提供平坦的机械响应。IEPE参考设计让设计人员能够轻松使用MEMS传感器来取代压电式传感器。
图4.振动测量测试装置：使用EVAL-XLMOUNT1铝质安装块将EVAL-CN-EBZ板连接至振动台
图5.EVAL-CN的频率响应与ADXL数据手册给出的频率响应的比较
振动到比特——数据转换的完整性
现在，我们知道可以使用MEMS传感器来代替IEPE压电传感器。也知道如何将它们轻松地安装到资产上，同时保持数据表给出的性能。对于CbM开发平台，重要的一点是它能够收集高质量的转换数据（无论是基于MEMS还是基于压电式传感器），然后将数据输送至正确的环境中。接下来，我们看看如何获取IEPE传感器数据并保持最高的数据保真度，以开发最好的CbM算法或机器学习算法。我们的另一款CbM参考设计CN可以帮助实现上述目标。
适用于IEPE传感器的高保真24位数据采集系统(CN)
图6显示了一款经过实验室测试和验证的IEPEDAQ信号链。这款参考设计提供了兼容MEMS和压电式加速度计的优化模拟信号链。ADI不仅