Da molto tempo, i responsabili della produzione sono in grado di controllare input, output e velocità di produzione per massimizzare l'efficienza. Al contrario, la capacità di utilizzare la tecnologia per ottimizzare i macchinari di produzione è una conquista relativamente recente. Ora è possibile monitorare costantemente le vibrazioni delle apparecchiature per garantire manutenzione preventiva, prevenzione dei guasti, aggiornamenti programmati e altro ancora. In questo articolo, scopri come costruire una soluzione di misurazione delle vibrazioni a banda larga basata su un accelerometro MEMS altamente lineare e a basso rumore per il tuo prossimo progetto di monitoraggio basato sulle condizioni.
Il monitoraggio delle condizioni è una delle sfide principali di oggi nell'uso di strutture meccaniche e sistemi tecnici in cui, ad esempio, vengono utilizzati motori, generatori e ingranaggi. La manutenzione programmata diventa sempre più importante per ridurre al minimo il rischio di blocchi della produzione, non solo nel settore industriale, ma in qualunque ambito vengano utilizzate delle macchine. Tra i vari fattori soggetti a monitoraggio, vengono analizzati anche i modelli di vibrazione delle macchine. Le vibrazioni causate dagli organi di trasmissione sono generalmente percepite nel dominio della frequenza come un multiplo della velocità dell'albero. Eventuali irregolarità nelle diverse frequenze indicano usura, sbilanciamento o elementi allentati. Gli accelerometri basati sui MEMS (sistemi microelettromeccanici) sono spesso usati per misurare la frequenza. Rispetto ai sensori piezoelettrici, offrono una risoluzione più elevata, eccellenti caratteristiche di deriva e sensibilità e un migliore rapporto segnale/rumore (SNR). Inoltre, consentono il rilevamento di vibrazioni a bassa frequenza vicine alla gamma CC.
In questo articolo viene presentata una soluzione di misurazione delle vibrazioni a banda larga altamente lineare, a basso rumore e basata sull'accelerometro MEMS ADXL1002. Questa soluzione può essere utilizzata per l'analisi di cuscinetti o il monitoraggio di motori e per tutte le applicazioni in cui sono richieste un'ampia gamma dinamica fino a ±50 g e una risposta in frequenza da CC a 11 kHz.
La figura 1 mostra un circuito di esempio. Il segnale di uscita analogico proveniente dall'accelerometro ADXL1002 viene inviato, tramite un filtro RC a 2 poli, al convertitore analogico-digitale (ADC) del registro ad approssimazioni successive (SAR) AD4000, che converte il segnale analogico in un valore digitale per consentire un'ulteriore elaborazione del segnale.
Figura 1. Circuito di esempio per il dispositivo ADXL1002.
Il dispositivo ADXL1002 è un accelerometro MEMS ad asse singolo ad alta frequenza che fornisce una banda passante del segnale di uscita che si estende oltre l'intervallo della frequenza di risonanza del sensore. Ciò è necessario in modo che si possano osservare anche le frequenze al di fuori della larghezza di banda di 3 dB. Per consentirlo, l'amplificatore di uscita del dispositivo ADXL1002 supporta una larghezza di banda minima del segnale pari a 70 kHz. Inoltre, con l'amplificatore di uscita del dispositivo ADXL1002 è possibile guidare direttamente anche carichi capacitivi fino a 100 pF. Per carichi superiori a 100 pF, è necessario utilizzare un resistore in serie ≥8 kΩ.
Il filtro esterno all'uscita dell'accelerometro ADXL1002 è necessario per eliminare il rumore di aliasing dell'amplificatore di uscita e di altri componenti interni che provocano rumore nel dispositivo ADXL1002 e che derivano, ad esempio, dall'accoppiamento del segnale di clock interno a 200 kHz. Pertanto, la larghezza di banda del filtro dovrebbe essere implementata di conseguenza. Con il dimensionamento mostrato nella figura 1 (R1 = 16 kΩ, C1 = 300 pF, R2 = 32 kΩ e C2 = 300 pF), si ottiene un'attenuazione di circa 84 dB a 200 kHz. Inoltre, la frequenza di campionamento selezionata dell'ADC dovrebbe essere superiore alla larghezza di banda dell'amplificatore (ad esempio, 32 kHz).
Per l'ADC, la tensione di alimentazione dell'accelerometro ADXL1002 dovrebbe essere selezionata come riferimento perché l'amplificatore di uscita ha una relazione raziometrica con la tensione di alimentazione. In questo caso, la tolleranza della tensione di alimentazione e il coefficiente di temperatura della tensione (che di solito sono collegati a regolatori esterni) passano tra l'accelerometro e l'ADC in modo da annullare l'errore implicito associato alle tensioni di alimentazione e di riferimento.
Risposta in frequenza
La risposta in frequenza dell'accelerometro è la caratteristica più importante del sistema ed è mostrata nella figura 2. Il guadagno aumenta a frequenze superiori a quelle comprese tra circa 2 kHz e 3 kHz. Per la frequenza di risonanza (11 kHz), si produce un valore di picco per il guadagno di circa 12 dB (fattore di 4) nella tensione di uscita.
Figura 2. Risposta in frequenza dell'accelerometro ADXL1002.
Considerazioni meccaniche relative al montaggio
È necessario prestare particolare attenzione al corretto posizionamento dell'accelerometro. Deve essere posizionato vicino a un punto di montaggio rigido sulla scheda per evitare eventuali vibrazioni sul circuito stampato e conseguenti errori di misurazione dovuti a vibrazioni non smorzate di quest'ultimo. Tale posizionamento garantisce che ogni vibrazione del circuito stampato sull'accelerometro si trovi al di sopra della frequenza di risonanza del sensore meccanico e quindi sia praticamente invisibile all'accelerometro. Inoltre, più punti di montaggio vicino al sensore e una scheda più spessa contribuiscono a ridurre l'impatto della risonanza del sistema sulle prestazioni del sensore.
Conclusione
Con il circuito mostrato nella figura 1, è possibile costruire, in modo relativamente semplice, una soluzione basata su MEMS per il rilevamento delle vibrazioni dalla gamma CC a 11 kHz, spesso necessario nel monitoraggio delle condizioni delle macchine rotanti.
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