Les responsables de la production sont depuis longtemps en mesure de contrôler les entrées, les sorties et la vitesse de production afin de maximiser l'efficacité. Cependant, l'utilisation de la technologie pour optimiser les machines de production est une avancée relativement récente. Il est désormais possible de surveiller en permanence les vibrations des équipements à des fins de maintenance préventive, d'évitement des pannes, de mises à niveau planifiées, etc. Dans cet article, découvrez comment concevoir une solution de mesure des vibrations à large bande qui utilise un accéléromètre MEMS hautement linéaire et à faible bruit pour votre prochain projet de surveillance d'état.
La surveillance de l'état est l'un des principales difficultés rencontrée actuellement pour l'exploitation d'installations mécaniques et de systèmes techniques qui utilisent, par exemple, des moteurs, des générateurs et plus généralement, des engrenages. La maintenance planifiée est de plus en plus importante pour minimiser les risques d'arrêt de production, non seulement dans le secteur industriel, mais partout où des machines sont utilisées. Entre autres choses, elle permet d'analyser les modèles de vibration des machines. Les vibrations émises par la boîte de vitesses sont généralement perçues comme des fréquences qui sont ensuite traduites en tant que valeur multiple de la vitesse de l'arbre. Les irrégularités de fréquence indiquent une usure, un déséquilibre ou des pièces désolidarisées. Les accéléromètres basés sur des MEMS (système microélectromécanique) sont souvent utilisés pour mesurer la fréquence. Par rapport aux capteurs piézoélectriques, ils offrent une résolution plus élevée, d'excellentes caractéristiques de dérive et de sensibilité, et un meilleur rapport signal sur bruit (SNR). Ils permettent également de détecter les vibrations basse fréquence proches du domaine continu.
Cet article traite d'une solution de mesure des vibrations à large bande, hautement linéaire et à faible bruit, utilisant l'accéléromètre MEMS ADXL1002. Cette solution peut être utilisée pour l'analyse des roulements ou la surveillance des moteurs et pour toutes les applications dans lesquelles une large plage dynamique allant jusqu'à ± 50 g et une réponse de fréquence de cc à 11 kHz sont requises.
La figure 1 montre un exemple de ce circuit. Le signal de sortie analogique de l'ADXL1002 est transmis via un filtre RC à 2 pôles au convertisseur analogique-numérique (ADC) AD4000 du registre d'approximations successives (SAR), qui convertit le signal analogique en une valeur numérique pour un traitement ultérieur du signal.
Figure 1. Exemple de circuit pour le ADXL1002.
L'ADXL1002 est un accéléromètre MEMS à axe unique haute fréquence qui fournit une bande passante du signal de sortie s'étendant au-delà de la plage de fréquences de résonance du capteur. Ceci est requis afin que les fréquences en dehors de la bande passante de 3 dB puissent également être observées. Pour s'adapter à cela, l'amplificateur de sortie de l'ADXL1002 prend en charge une petite bande passante de signal de 70 kHz. Des charges capacitives allant jusqu'à 100 pF peuvent également être pilotées directement avec l'amplificateur de sortie de l'ADXL1002. Pour les charges supérieures à 100 oF, une résistance en série de ≥ 8 kΩ doit être utilisée.
Le filtre externe à la sortie de l'ADXL1002 est nécessaire pour éliminer le bruit de repliement de l'amplificateur de sortie et d'autres composants de bruit internes de l'ADXL1002 qui surviennent, par exemple, par le couplage du signal d'horloge interne de 200 kHz. Par conséquent, la bande passante du filtre doit être implémentée en conséquence. Avec les dimensions de la Figure 1 (R1 = 16 kΩ, C1 = 300 pF, R2 = 32 kΩ et C2 = 300 pF), une atténuation d'environ 84 dB est atteinte à 200 kHz. De plus, le taux d'échantillonnage ADC sélectionné doit être supérieur à la bande passante de l'amplificateur (par exemple, 32 kHz).
Pour l'ADC, la tension d'alimentation ADXL1002 doit être sélectionnée comme référence, car l'amplificateur de sortie possède une relation ratiométrique avec la tension d'alimentation. Dans ce cas, la tolérance de tension d'alimentation et le coefficient de température de tension (qui sont généralement connectés à des régulateurs externes) circulent entre l'accéléromètre et l'ADC de sorte que l'erreur implicite associée aux tensions d'alimentation et de référence est annulée.
Réponse de fréquence
La réponse de fréquence de l'accéléromètre est la caractéristique la plus importante du système et est indiquée dans la Figure 2. Le gain augmente à des fréquences supérieures, à environ 2 kHz à 3 kHz. Pour la fréquence de résonance (11 kHz), on obtient une valeur de crête pour le gain d'environ 12 dB (facteur 4) dans la tension de sortie.
Figure 2. Réponse de fréquence d’un ADXL1002.
Considérations mécaniques concernant le montage
Une attention particulière doit être portée au placement correct de l'accéléromètre. Il doit être monté à proximité d'un point de montage rigide sur la carte de circuit imprimé pour éviter toute vibration sur la carte de circuit elle-même, et donc les erreurs de mesure dues aux vibrations non amorties de la carte. Le placement garantit que chaque vibration de la carte de circuit imprimé sur l'accéléromètre se situe au-dessus de la fréquence de résonance du capteur mécanique et est donc pratiquement ignorée pour l'accéléromètre. Plusieurs points de montage à proximité du capteur et une carte plus épaisse contribuent également à réduire l'impact de la résonance du système sur les performances du capteur.
Conclusion
Avec le circuit imprimé illustré à la Figure 1, une solution basée sur MEMS pour détecter les vibrations de la plage CC à 11 kHz, comme cela est souvent requis dans la surveillance de l'état des machines tournantes, peut être construite relativement facilement.
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