隨著工業(yè)場(chǎng)景對(duì)設(shè)備的監(jiān)控的重視程度越來(lái)越高，傳感器需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行可預(yù)測(cè)的狀態(tài)監(jiān)控。基于狀態(tài)的監(jiān)控（CbM）是一種預(yù)測(cè)性維護(hù)，使用不同類型的傳感器持續(xù)監(jiān)控設(shè)備狀況。
我們以電機(jī)為例，軸承損壞是使用過(guò)程中時(shí)常能碰見(jiàn)的故障，在檢測(cè)此類故障時(shí)用到的最多的就是振動(dòng)和聲壓傳感器件。而轉(zhuǎn)子、繞組等方面的故障則多通過(guò)電流變壓器在電機(jī)供電時(shí)測(cè)量。

CbM與傳感

在工業(yè)場(chǎng)景中，電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合很多，我們以電機(jī)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控來(lái)看傳感器在其中的作用。這種場(chǎng)景中，有幾大類信息需要傳感器測(cè)量，振動(dòng)、升壓、電機(jī)電流、磁場(chǎng)以及溫度。振動(dòng)信號(hào)一般使用加速度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，電機(jī)中常見(jiàn)的幾個(gè)故障和振動(dòng)息息相關(guān)，諸如軸承狀態(tài)、齒輪嚙合、泵氣蝕、電機(jī)對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)、電機(jī)平衡狀態(tài)以及電機(jī)負(fù)載狀態(tài)。在此類檢測(cè)里，壓電式加速度計(jì)和MEMS加速度計(jì)非常常見(jiàn)。壓電式加速度計(jì)噪聲低、頻率高，適用的場(chǎng)合非常多，MEMS加速度計(jì)成本低尺寸小、功率不大，也是CbM中出現(xiàn)的常客。

聲壓的檢測(cè)自然是通過(guò)麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)，普通的麥克風(fēng)和超聲麥克風(fēng)成本都不高，尺寸也都很小，功率上也不會(huì)占用太多預(yù)算，區(qū)別主要在頻率上。普通麥克風(fēng)頻率上限在20kHz左右，超聲麥克風(fēng)頻率上限可以達(dá)到100kHz，更高的頻率上限意味著使用超聲麥克風(fēng)可以檢測(cè)壓力泄露等設(shè)備故障，普通的麥克風(fēng)主要還是檢測(cè)軸承狀態(tài)、齒輪嚙合、泵氣蝕、電機(jī)對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)、電機(jī)平衡狀態(tài)以及電機(jī)負(fù)載狀態(tài)等故障。

電機(jī)電流的測(cè)量使用傳統(tǒng)的分流辦法，成本不高而且對(duì)設(shè)備電路本身沒(méi)有侵入性，在電機(jī)供電時(shí)可以檢測(cè)偏心轉(zhuǎn)子、繞組問(wèn)題、轉(zhuǎn)子條問(wèn)題、供電不平衡問(wèn)題以及軸承問(wèn)題。磁場(chǎng)相關(guān)的檢測(cè)也是耳熟能詳?shù)幕魻?、磁力?jì)這些傳感器，成本低尺寸也不大，在工業(yè)溫度范圍內(nèi)也能保持穩(wěn)定性，多用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子條以及端環(huán)問(wèn)題。

溫度方面的檢測(cè)常規(guī)的我們會(huì)先想到RTD、熱電偶、數(shù)字溫感這些傳感，這些傳感器現(xiàn)在都做到了低成本小尺寸而且也夠準(zhǔn)確，能對(duì)由于摩擦、負(fù)載變化、過(guò)度啟停、供電不足等造成的溫度變化敏銳感知。如果對(duì)溫度檢測(cè)的要求非常高，想要檢測(cè)由于負(fù)載變化、過(guò)度啟停、供電不足等原因造成的熱源位置變化，紅外熱成像更合適，雖然這種傳感一次性配備成本高昂，但能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的CbM。

CbM振動(dòng)檢測(cè)應(yīng)該怎樣選用傳感器

在基于狀態(tài)的監(jiān)控中選用傳感器標(biāo)準(zhǔn)肯定是選擇高性能的器件，但這個(gè)高性能究竟高在哪里還是要分不同的檢測(cè)對(duì)象來(lái)判斷。比如在軸承檢測(cè)上，振動(dòng)傳感器必須具有低噪聲和寬帶寬，這是最重要的兩個(gè)性能。當(dāng)然，受益于無(wú)線安裝的推動(dòng)在近年來(lái)增長(zhǎng)迅速，傳感器的尺寸、集成性和功耗也是很大一部分考慮因素。

在振動(dòng)檢測(cè)中，軸承缺陷和齒輪缺陷都需要振動(dòng)傳感器的噪聲控制在100 μg/√Hz以下，同時(shí)帶寬需要在5kHz以上，否則就無(wú)法感知在軸承和齒輪上出現(xiàn)的故障，而且軸承缺陷檢測(cè)會(huì)額外要求更高的傳感器g值范圍。因?yàn)檫@種故障開(kāi)始出現(xiàn)并不是很明顯，尤其是在早期，很難單單通過(guò)增加振動(dòng)頻率來(lái)識(shí)別，必須將具備低噪聲和寬帶寬的振動(dòng)傳感器與高性能信號(hào)鏈、處理、收發(fā)器和后處理器配對(duì)來(lái)進(jìn)行完全的監(jiān)控。

100 μg/√Hz以上的中等噪聲要求適用于不平衡以及為電機(jī)未對(duì)準(zhǔn)的檢測(cè)，這類故障檢測(cè)對(duì)帶寬的要求達(dá)到5×至10×基頻即可。不平衡以及為電機(jī)未對(duì)準(zhǔn)可能出現(xiàn)的故障會(huì)額外要求傳感器能進(jìn)行多軸檢測(cè)，其中不平衡的故障會(huì)需要振動(dòng)傳感器對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)緩慢的機(jī)器做出低頻響應(yīng)。

在需要高帶寬和低噪聲的振動(dòng)檢測(cè)中，壓電式加速度計(jì)和MEMS加速度計(jì)都具有滿足條件的帶寬和低噪聲，如果追求極致性能，壓電式的帶寬和噪聲性能肯定是更好一些，但也比MEMS貴了不少。MEMS加速度計(jì)則可以提供直流響應(yīng)，自帶的自測(cè)功能能驗(yàn)證傳感器自身的可用性，畢竟MEMS模塊通常包含ADC、處理器和根據(jù)傳感器調(diào)諧的濾波，以優(yōu)化性能，并節(jié)省信號(hào)鏈對(duì)空間的需求。應(yīng)該說(shuō)MEMS加速度計(jì)更小的尺寸和更高的集成性優(yōu)勢(shì)也很明顯。

小結(jié)

在CbM應(yīng)用中選擇合適的傳感器非常重要，一個(gè)合適的傳感器選擇可以檢測(cè)、診斷甚至是預(yù)測(cè)設(shè)備可能發(fā)生的故障。另外，目前機(jī)器學(xué)習(xí)也開(kāi)始應(yīng)用在CbM上，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與其他傳感數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，推斷出設(shè)備更多可能出現(xiàn)的狀況。