在自动化程度提高的推动下，对大批量、小型系统的需求不断增长，例如需要更好的预测性维护的机器主轴、传送带、分拣台或机床。
这些应用中的机器停机时间是客户体验和盈利能力的关键考虑因素。过去，加速度计主要用于重型高端机械的状态监测，例如风车、工业泵、压缩机和暖通空调系统。然而，在数字工业转型的推动下，我们看到对大批量和小型机械的需求不断增加。本白皮书将比较工业状态监测中加速度计的不同技术。
对于工业状态监测和预测性维护应用，以下振动规格参数被认为对于确保长期、可靠、稳定和准确的性能至关重要。
• 宽频率响应
• 测量分辨率和动态范围
• 长期稳定性和最小漂移
• 工作温度范围
• 封装选项和易于安装
• 传感器输出选项
为了检测机械所有可能的故障模式，加速度计的频率响应应为用于轴承监测的轴RPM（每分钟转数）的40至50倍。对于风扇和齿轮箱，加速度计的最小上限应为叶片通过频率的4至5倍。频率下限不太重要，具体取决于机械；很少需要 <2Hz 的频率。
振动传感器的测量分辨率是输出信号幅度与板载电子设备宽带噪声的函数。具有卓越信号输出的加速度计可以测量机械中较小的振动水平。测量较低振动幅度的能力使最终用户能够比具有较低动态范围的传感器更早地预测故障。
还有其他因素会影响测量分辨率，例如环境条件、EMI/RFI（电磁和射频）干扰、DAQ（定义数据采集）接口和电缆长度，因此选择安装时需要考虑所有因素。
作为一般规则，输出信号应比传感器噪声水平高 10 倍，输出才能成为可靠的测量结果。
测量分辨率的简单方程如下：
分辨率 (g's) = 宽带噪声 (V) / 传感器灵敏度 (V/g)
长期漂移是灵敏度和/或零输出测量的变化（零输出漂移仅适用于 MEMS 传感器）。随着时间的推移，加速度计灵敏度的变化可能会在监控应用中触发误报。零输出测量的偏移也会产生相同的效果，可能导致误报指示。由于压电传感器没有直流响应，因此它们不易受到零漂移的影响，仅受到灵敏度漂移的影响。 MEMS VC 传感器随着时间的推移可能会出现零漂移和灵敏度漂移。
在下一节中，我们将回顾为状态监测应用提供的两种不同类型的技术。
压电 (PE) 加速度计采用自发电压电晶体，并在受到外部激励（例如振动机械）压力时提供信号。
大多数压电传感器都基于锆钛酸铅陶瓷 (PZT)，该陶瓷通过极化来对齐偶极子并使晶体压电。 PZT 晶体非常适合状态监测应用，因为它们具有宽温度范围、宽动态范围和宽频率带宽（可用至 >20kHz）。
基本上有两种主要类型的 PE 加速度计设计可用：压缩模式和剪切模式（弯曲模式是很少使用的替代方案）。
压缩模式设计是通过在晶体顶部加载质量并施加预紧力来对压电晶体施加压缩应力来组装的。由于性能限制，这些设计已经过时并且越来越不受欢迎。该结构容易受到安装基座应变的影响，并且具有较高的热漂移。
剪切模式设计通常具有环形剪切晶体和固定在支撑柱上的环形质量。与压缩模式设计相比，该设计具有卓越的性能，因为它是底座隔离的，并且更不易受到热应力的影响，从而确保了更高的稳定性。目前提供的大多数状态监测加速度计设计都是剪切模式，应该成为大多数状态监测安装的设计选择。
压缩模式 剪切模式
可变电容 (VC) 传感器根据在两个平行电容器板之间移动的地震质量的电容变化来获取加速度测量值。电容的变化与施加的加速度成正比。 VC 加速度计需要 IC 与传感元件紧密耦合，以将非常小的电容变化转换为电压输出。这种转换过程通常会导致信噪比较差和动态范围有限
VC 传感器通常由硅晶圆制成，并被制成微型 MEMS（微机电系统）芯片。
频率响应表
对于工业状态监测和预测性维护应用，以下振动规格参数被认为对于确保长期可靠、稳定和准确的性能至关重要。
• 宽频率响应
• 测量分辨率和动态范围
• 长期稳定性和最小漂移
• 工作温度范围
• 封装选项和易于安装
• 传感器输出选项
在以下段落中，对典型压电状态监测加速度计和同样用于状态监测应用的宽带宽 MEMS 可变电容加速度计的这些关键性能规格进行了比较。两个加速度计的 FS（满量程）范围均为 ±50g。
两个加速度计的频率响应在 SPEKTRA GmbH CS18 HF 高频校准振动台上进行测试，范围为 5Hz 至 20KHz。传感器安装牢固，以确保在整个测试范围内获得准确的结果。对每种技术（PE 和 MEMS VC）的三个传感器进行了测试，以确保结果一致。
测试结果如下所示。尽管通常使用更严格的 ±5% 偏差作为带宽容差，但假定最大 ±1dB 幅度偏差为可用带宽。数据表明，VC MEMS 传感器的可用带宽高达 3KHz，而压电传感器的可用带宽 >10KHz（该特定 PE 传感器符合高达 14KHz 的规格）。
值得注意的是，PE 传感器的低频截止频率为 2Hz，而 MEMS 传感器的响应低至 0Hz，因为它是直流响应器件
为了确定压电和 VC MEMS 传感器的测量分辨率和动态范围，我们在噪声隔离室中对样品进行了测试，并配备了具有微克测量分辨率的最先进的测量设备。这些装置安装在同一房间内并同时进行测试，以消除外界环境干扰造成的误差。
测量在四种不同的带宽设置下进行，并在每种设置下测量残余噪声。结果详细见下表
| 模型 | 0.03-300Hz µV-rms | 0.03-1KHz µV-rms | 0.03-3KHz µV-rms | 0.03-10KHz µV-rms |
| PE #1 | 27.2 | 30.8 | 39.5 | 57.6 |
| PE #2 | 25.1 | 31.7 | 38.6 | 56.3 |
| MEMS #1 | 377.6 | 405.2 | 412.7 | 498.2 |
| MEMS #2 | 415.7 | 430.2 | 453.9 | 532.1 |
测量分辨率和动态范围是基于0.03-10KHz带宽计算的，详细信息如下。 PE 传感器的分辨率比 VC MEMS 传感器高约 9 倍。这带来了显着更好的动态范围，使最终用户能够在更早的阶段检测到潜在的问题。
| 分辨率 | 残留噪音 | 频谱噪声 | 动态范围 | 分辨率 | |
| 模型 | mg-rms | µV-rms | µg-rms/√Hz | dB | bit |
| PE #1 | 1.4 | 57.6 | 14.4 | 88 | 14.6 |
| PE #2 | 1.4 | 56.3 | 14.1 | 88 | 14.6 |
| MEMS #1 | 12.5 | 498.2 | 124.6 | 69 | 11.5 |
| MEMS #2 | 13.3 | 532.1 | 133.0 | 68 | 11.4 |
PE 传感器的长期稳定性在 30 多年的现场安装中众所周知。压电晶体本质上是稳定的，并且随着时间的推移显示出优异的稳定性。长期漂移参数还取决于所使用的晶体配方，因此很难给出实际值。石英在所有 PE 加速度计中具有最佳的长期稳定性，但由于产量和成本有限，很少用于状态监测应用。 PZT（锆钛酸铅）晶体是 PE 加速度计中最常用的晶体，并且越来越成为大多数应用的晶体选择。
根据 MEMS 设计结构，可变电容 MEMS 加速度计还具有长期漂移的宽规格限制。块状微机械 MEMS 传感器将具有最佳的长期漂移，但也将更加昂贵，并且通常仅用于惯性应用。对于状态监测，MEMS 供应商提供表面微机械加工的 VC MEMS 传感器，这种传感器价格便宜得多，但最终用户将牺牲测量分辨率和长期稳定性。表面微机械设计的 MEMS 结构不如体微机械 MEMS 传感器稳定。
PE 和 VC MEMS 加速度计的工作温度范围相当，均适用于状态监测应用的典型环境（-40°C 至 +125°C）。在某些极端安装中，可能需要更高温度范围的传感器，其中推荐选择充电模式压电传感器。充电模式 PE 加速度计不包括板载电荷转换器电路，可用于超过 +700°C 的温度。
对于小型机械的嵌入式状态监测安装，尺寸和安装选项可能成为选择加速度计的重要因素。较大的机械通常使用外部TO-5 螺柱安装加速度计，但对于具有较小轴承和旋转轴的机械，则需要使用嵌入式或微型加速度计。
大多数 VC MEMS 加速度计均采用SMT 安装封装，非常适合大批量 PCBA 组装。 VC MEMS 传感器还采用非常小的封装，从而提供更多封装选择。
PE 加速度计有多种配置。提供 SMT 安装版本，与 VC MEMS 类似，但 SMT 封装的尺寸通常大于 VC MEMS 设计。 PE 加速度计还采用坚固的 TO-5 罐封装，带有不锈钢外壳。这些设计允许直接安装到轴承箱或嵌入式安装。下图展示了 PE 传感器提供的一些选项。
根据安装和应用，可能需要选择传感器输出信号选项。当前大多数预测性维护装置都需要来自传感器的模拟信号，以便最终用户可以决定监控特定机械的哪些参数。通常，信号输出由 DAQ 或 PLC 接口驱动，模拟输出（±2V 或 ±5V）是最常见的选择。然而，对于需要长电缆的安装，回路供电的 4-20mA 传感器也很常见。对于未来的数字工厂和工业 4.0，对数字输出信号的需求将变得更加普遍，带有板载微处理器的智能传感器也将变得更加普遍，可以为最终用户立即做出维护决策。
这些输出信号选项将在 PE 和 VC MEMS 传感器中提供。两种技术都有能力提供这些功能。
前面段落中讨论的全部或部分性能参数将帮助客户对为状态监测装置选择的技术做出明智的决定。下表提供了快速摘要。
| 关键参数 | 压电式 | 微机电系统VC |
| 宽频率响应 | X | |
| 长期信号稳定性 | X | |
| 动态范围 | X | |
| 工作温度范围 | X | X |
| 包装选项 | X | X |
| 易于安装 | X | X |
| 传感器输出选项 | X | X |
比较 MEMS 和 PE 加速度计，我们看到了不同的技术特征。这两种技术各有优势，具体取决于最终应用。在我们的工业状态监测和预测性维护应用中，压电传感器是显而易见的选择，由于其成熟的技术，它们可以保持可靠的长期稳定性。凭借其宽频率响应，嵌入式 PE 加速度计是从低速到高速机械的理想选择，它们还为早期故障检测提供更好的信号分辨率。
• G-Link-200-8G 无线三轴加速度传感器
• G-Link-200-OEM 嵌入式无线加速度传感器
• BeanDevice WIFI Wilow AX-3D 无线振动传感器
• BeanDevice Wilow® X -INC 无线物联网组合传感器
