생산 관리자는 효율성을 극대화하기 위해 오랫동안 입력, 출력 및 생산 속도를 제어할 수 있었습니다. 그러나 생산 기계를 최적화하기 위해 기술을 사용하는 능력은 비교적 최근에 발전한 것입니다. 이제 예방적 유지보수, 고장 방지, 계획된 업그레이드 등의 목적으로 장비의 진동을 지속적으로 모니터링할 수 있습니다. 이 기사에서는 향후 상태 기반 모니터링 프로젝트를 위한 고도의 선형, 저소음, MEM 가속도계 기반 광대역 진동 측정 솔루션을 구축하는 방법을 알아봅니다.
상태 모니터링은 예를 들어 모터, 발전기 및 기어가 사용되는 기계 설비 및 기술 시스템의 사용에 있어 오늘날의 핵심 과제 중 하나입니다. 계획된 유지보수는 산업 분야뿐만 아니라 기계가 사용되는 모든 곳에서 생산 가동 정지 위험을 최소화하기 위해 점점 더 중요해지고 있습니다. 이를 위해 무엇보다도 기계의 진동 패턴이 분석됩니다. 기어박스로 인한 진동은 일반적으로 주파수 영역에서 샤프트 속도의 배수로 감지됩니다. 서로 다른 주파수의 불규칙성은 마모, 불균형 또는 고정되지 않은 부품을 나타냅니다. MEMS(미세 전자 기계 시스템) 기반 가속도계는 종종 주파수 측정에 사용됩니다. 이는 압전 센서에 비해 해상도가 더 높고, 드리프트와 감도 특성이 뛰어나며, 소음 비율에 대한 신호(SNR)가 우수합니다. 또한 dc 범위에 가까운 저주파 진동을 감지할 수 있습니다.
이 기사에서는 ADXL1002 MEMS 가속도계를 기반으로 하는 고도의 선형, 저소음, 광대역 진동 측정 솔루션을 보여줍니다. 이 솔루션은 베어링 분석 또는 엔진 모니터링, 그리고 최대 ±50g의 넓은 동적 범위와 dc에서 11kHz까지의 주파수 응답이 필요한 모든 응용 분야에 사용할 수 있습니다.
그림 1은 회로 예를 보여줍니다. ADXL1002의 아날로그 출력 신호는 2극 RC 필터를 통해 SAR(연속 근사화 레지스터) ADC(아날로그-디지털 변환기) AD4000으로 공급되며, 이는 추가 신호 처리를 위해 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환합니다.
그림 1. ADXL1002에 대한 회로 예
ADXL1002는 센서의 공진 주파수 범위 이상으로 확장되는 출력 신호 통과 대역을 제공하는 고주파 단일 축 MEMS 가속도계입니다. 이는 3dB 대역폭 외부의 주파수도 관찰할 수 있도록 하기 위해 필요합니다. 이를 수용하기 위해 ADXL1002의 출력 증폭기는 70kHz의 소신호 대역폭을 지원합니다. ADXL1002의 출력 증폭기를 사용하여 최대 100pF의 용량성 부하를 직접 구동할 수도 있습니다. 100pF보다 큰 부하의 경우 직렬 저항 8kΩ 이상을 사용해야 합니다.
ADXL1002 출력의 외부 필터는 예를 들어 내부 200kHz 클록 신호의 결합을 통해 ADXL1002의 출력 증폭기 및 다른 내부 소음 부품에서 발생하는 앨리어싱 소음을 제거하는 데 필요합니다. 따라서 그에 따라 필터 대역폭을 구현해야 합니다. 그림 1에 표시된 치수(R1 =16kΩ, C1 = 300pF, R2 = 32kΩ 및 C2 = 300pF)를 사용하면 200kHz에서 약 84dB의 감쇠가 달성됩니다. 또한 선택한 ADC 표본추출률은 증폭기 대역폭(예: 32kHz)보다 높아야 합니다.
ADC의 경우 출력 증폭기가 공급 전압과 비율계량 관계를 갖기 때문에 ADXL1002 공급 전압을 기준으로 선택해야 합니다. 이 경우 전압 공급 공차와 전압 온도 계수(일반적으로 외부 조정기에 연결됨)는 가속도계와 ADC 사이에서 실행되므로 공급 전압과 기준 전압과 관련된 내재적 오류가 상쇄됩니다.
주파수 응답
가속도계의 주파수 응답은 시스템의 가장 중요한 특성이며 그림 2에 나와 있습니다. 게인은 약 2kHz ~ 3kHz 이상의 주파수에서 증가합니다. 공진 주파수(11kHz)의 경우 출력 전압에서 약 12dB(계수 4)의 게인에 대한 피크 값이 산출됩니다.
그림 2. ADXL1002의 주파수 응답
장착과 관련된 기계적 고려 사항
가속도계를 올바르게 배치하려면 특별한 주의를 기울여야 합니다. 회로 기판 자체의 모든 진동과 이에 따른 감쇠되지 않은 회로 기판 진동으로 인한 측정 오류를 방지하기 위해 기판의 단단한 장착 지점 근처에 장착해야 합니다. 이러한 배치는 가속도계의 모든 회로 기판 진동이 기계식 센서 공진 주파수보다 높으므로 가속도계에서는 거의 보이지 않습니다. 센서에 가까운 여러 장착 지점과 더 두꺼운 기판도 시스템 공진이 센서 성능에 미치는 영향을 줄이는 데 기여합니다.
결론
그림 1에 표시된 회로를 사용하면 회전 기계의 상태 모니터링에서 자주 요구되는 것처럼 DC 범위에서 11kHz까지의 진동을 감지하기 위한 MEMS 기반 솔루션을 비교적 쉽게 구축할 수 있습니다.
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