作者：ADI應用工程師Chris Murphy
介紹狀態監測
全球狀態監測(CbM)市場在過去幾年出現明顯成長，且預料成長動能還會延續。這波成長正好對應MEMS加速計快速發展的步伐，相關元件廣泛用在各種振動感測應用，如今已能追上一度主宰市場的壓電或PZT加速計。隨著重要性較低的資產對於CbM的需求日增，市場對無線式CbM系統的採納速度也持續攀升，而MEMS加速計在此方面則扮演關鍵角色。本文將比較MEMS加速計與壓電式加速計，突顯MEMS感測器在短暫生命週期內獲得的進展。另外我們並探討MEMS加速計在CbM應用設計上的關鍵考量因素，比較三家不同廠商的五款MEMS感測器。
振動感測的現況 – MEMS對比壓電式
業界早在1930年代就開始運用振動感測器來偵測機器的健康狀況。發展至今，振動分析仍被視為預測性維護(PdM)最重要的方式。壓電式加速計早已發展成振動感測器的黃金標準，用在監測最重要的資產，確保其正常且有效率地運作。直到最近，MEMS加速計因為其有限的頻寬、雜訊性能、以及g值範圍等因素限制了其在關鍵資產的應用能力。雖然市面上有許多高g值範圍的加速計(專門設計用在汽車撞擊偵測)，然而其有限的雜訊性能與頻寬使其不適合用在狀態監測。另外市面上還有一些低雜訊MEMS加速計(專門設計用在偵測傾斜度)其頻寬與g值範圍也同樣不足。
少數幾家MEMS元件製造商持續努力克服雜訊、頻寬、以及g值範圍等方面的缺陷，開發出多種中等與高效能MEMS加速計，其中高效能產品足以媲美壓電式加速計。MEMS感測器採用和壓電式感測器完全不同的工作原理，從而衍生出許多關鍵差異。圖1顯示MEMS元件如何測量出最低至dc穩態加速度時的數據，能從極低轉速的機具量測到數據以及測量傾斜度。壓電式感測器在較高頻率下顯然能提供比MEMS元件更好的雜訊性能，但在較低頻率下MEMS感測器能提供較低的雜訊，一直延伸到dc範圍。能夠量測這些低頻率數據，對於風力發電機以及其他低轉速機具相當有用，包括金屬加工、紙漿/紙張加工、以及食品/飲料產業採用的機具其轉速通常低於60 rpm (1 Hz)。
圖1. 雜訊密度: MEMS 對比壓電式元件
圖2顯示在出現大幅度振動事件時，壓電式感測器會出現飽和狀況，另外由於較大的RC時間常數，因此需要較長的時間才能回復到正常狀態。反觀MEMS元件的性能可媲美非接觸式參考感測器，幾乎瞬間就能回復到正常狀態。壓電式感測器在經歷嚴重振動事件時，可能會遇到的風險就是資產/流程中的寶貴資訊或失效狀況無法被偵測到，而MEMS感測器則能可靠地偵測到衝擊事件以及後續發生的狀況。
圖2. 對過載的反應: MEMS元件對比壓電式元件，對照參考的雷射元件
表1列出MEMS加速計在狀態監測應用中的一些優勢2。壓電式加速計由於尺寸、功耗、以及缺乏整合功能等因素，因此比較不適合無線CbM系統，但市面上仍有一些解決方案，其典型功耗範圍介於0.2 mA至0.5 mA。
MEMS加速計也具有自我測試功能，感測器能驗證功能是否100%正常。這對於安全關鍵環境非常有用，讓業者更容易達成系統標準的要求，可以驗證已部署的感測器功能正常。在一些應用中，這方面的功能是其中最重要的一項功能，因其讓維護人員絕對確認資產的當前狀態，以及量測數據的精準度與可靠度。
MEMS加速計在CbM應用中的設計考量因素
專為CbM應用設計的MEMS加速計相較於通用型加速器存在一些不同的特性。在本章節，我們將探討適合CbM的MEMS加速計的一些重要資料表參數，以及這些參數和偵測機具故障的關聯性。舉例來說，我們要如何選擇具有正確g值範圍或雜訊性能的感測器來偵測300 kW感應式馬達上的軸承失效?表2列出MEMS加速計在CbM應用中最重要的5項規格。在後面的章節我們將詳細探討每項規格。
頻寬
振動感測器的頻寬通常和其所監視資產的重要性有直接關聯。關鍵資產或馬達對於維持流程或大型機具的營運或上線運作產生關鍵作用。如果此類資產發生故障，就會導致非預期的停機，以及潛在的營收損失。為了盡早偵測與診斷出故障，以及避免非規劃的停機，必須設置一個高頻寬與低雜訊的振動感測器。必須有低雜訊的性能才能在低振幅與寬頻率狀態下偵測到各種故障，因為包括軸承、齒輪嚙合、以及泵浦空蝕等常見故障都發生在 –或至少最早偵測於 – 高於5 kHz甚至最高至20 kHz以上的頻率。因此，MEMS感測器必須能夠與工業應用幾十年來採用的振動感測器競爭: 亦即壓電式加速計。雜訊值低於100 μg/√赫茲 而頻寬超過5 kHz的元件，在CbM應用中屬於高效能MEMS加速計。表3列出在CbM與預測性維護應用中MEMS加速計兩項最重要的標準。
並非所有感測器都必須要具備超低雜訊或高頻寬;振動感測器的性能水準取決於資產維持運作的重要性有多高。核反應爐的冷卻水泵浦就屬於極度關鍵，在如此情況中就必須早期偵測出故障。表示受監測資產的重要性，直接關係到振動感測器所需的性能等級，其性能取決於以下標準。
故障偵測
要能簡單偵測出振動是否超過門檻或警告值，可以使用低效能MEMS加速計。此種方法通常用於重要性較低的資產。
故障診斷
為偵測與辨識潛在的故障來源，需要用到較高等級的MEMS加速計搭配相關演算法。
故障預測
此方面需要最高效能等級的MEMS加速計，以便盡早偵測出問題，並讓演算法能辨識出故障的成因源頭。此方面也需要掌握資產的領域知識。
故障預兆診斷(Prognosis)
此種最高等級的PdM需要最好的MEMS加速計連同演算法、機器學習等技術，以及掌握對資產的對於領域知識。故障預兆診斷的目標是讓PdM系統提供建議，協助延長資產的壽命，甚至是協助優化資產的效能。
切記資產採用的預測性維護感測器，其效能等級和資產維持運作的重要性有直接關聯，而不是取決於資產本身的成本。
表4列出最適合CbM的MEMS加速器其可用頻寬的範圍。由於機械特性、各種移動矽元件、以及整合的調節電子元件，因此並不容易做出寬頻寬的MEMS加速計，尤其是低雜訊的加速計。要量測的機械共振頻率範圍通常在數kHz。最近市面上出現多種MEMS加速計運用增強型濾波方法，成功將可用頻寬拉近到機械共振頻率的範圍。然而，一些製造商仍選擇不揭露其振動感測器的振動響應頻率，這反映出其要不是接近可用頻寬，不然就是此方面的數據會揭示其零件工作的敏感資訊。
雜訊密度
MEMS加速計的雜訊來自幾個固有來源，包括像閃爍雜訊、布朗(Brownian)雜訊、或電子雜訊。通常以 μg/√赫茲表示。MEMS加速計的雜訊輸出取決於輸出濾波器的設定，如表5所示。有些資料表會列出rms雜訊，但要注意此類資訊，因為通常是在極小頻寬測到的數據
瞭解感測器雜訊後，接下來的重點是針對機具種類匹配最適合的感測器，這裡須注意包括:感測器的雜訊是否會使其無法量測某些重要振動，以及感測器的g值範圍是否能承受潛在的故障振動幅度? 幸運的是，包括ISO 10816這些標準能協助解決這些問題。
ISO 10816針對資產與機具的振動量測與評估規範了相關條件與程序。此標準定義了振動嚴重性標準，安裝機具外殼的rms均方根速度(10 Hz至1 kHz)用來作為狀態指示器，如表6所示。從機具測得的振動會根據機具尺寸、安裝策略、以及機具等級(I = 小型，II =中型，III=小基座的大型，IV=剛性基座的大型)進行分類。
這裡要注意加速計輸出加速度通常以g為單位，ISO 10816使用的加速度單位為mm/s 或in/s。公式2協助我們把g轉換為mm/s。其能推算出10Hz下的最小振動頻率，加速度量測的雜訊必須小於7.18 mg方能為Class 2類機具在良好範圍(A)偵測到振動嚴重性，根據ISO 10816-1 (VMIN = 1.12 mm/s) 標準，如表6所示。
公式3以通用格式呈現，連同一個範例，估計一個加速計在80 μg/√赫茲雜訊密度下的總雜訊，這裡我們和一個截止頻率1000 Hz (fC = 1000 Hz)的單極低通濾波器一起使用。在3.17 mg加速度下，加速計符合公式2的邊界條件。
表7顯示每種類型機具從已知良好狀態到危險故障水準的振動限值(prescribed vibration level)，以及對應的最低雜訊，MEMS加速計在region A必須偵測的正常運行條件的振動水平 (Class I 為 4.5 mg， Class II 為 7.2 mg，Class III 為11.5 mg， Class IV 為17.9 mg)。
這裡的資料反映了 MEMS C2、MEMS C1、MEMS B、以及 ADXL317 (z軸) 不適合用在感測器必須偵測正常運作狀態振動水準(A)下雜訊低於0.71 mm/s 或 4.5 mg 的機具。MEMS B、MEMS C2、以及MEMS C1 不適合用在要求雜訊低於1.12 mms/s或7.2 mg的機具。MEMS C2的雜訊效能不足以用在任何類型的機具能夠偵測到正常運作狀態的振動水準 (A)。
請注意，表7列出的所有感測器雜訊值都是全頻寬量測數據，雖然ISO 10816只規範最高到1 kHz的頻寬。如果振動感測器頻寬較寬，那麼使用時不僅要偵測振動嚴重性，還要診斷更高頻率下的任何潛在故障。頻寬限制在1 kHz下，MEMS C1未達Class I雜訊水準規範，而MEMS C2則僅通過Class IV的規範。
g值範圍
這方面的資料反映出加速計的可接受範圍，感測器能可靠地偵測，同時保證達到資料表所列的效能。在測試±2 g感測器時，只要在手上搖晃感測器就能產生超過2g的加速度。大多數MEMS加速計，尤其是具有類比輸出端的元件，由於具有機械以及訊號調節的電子零件，因此都留有一些振動保護餘裕度(headroom)。在CbM方面，小型資產(ISO 10816-7 泵浦)的典型 g值範圍從±16 g起，但在工業齒輪箱、壓縮機、中高壓感應馬達等機具的零件其範圍可能高至±500 g。
在量測振動時必須瞭解加速度、速度、以及位置之間的關係。如果在某個軸向上量測到的振動導致250 nm的位移，在1 kHz下的振動產生峰值加速度會是APK (250 nm, 1 kHz) = 1 g。在10 kHz下出現相同的位移，則峰值加速度則會是APK (250 nm, 10 kHz) = 100 g。
圖3 加速、速度、位置、g值範圍之間的關係
在選擇振動感測器之前，必須先瞭解資產發生的各種潛在振動。一些馬達製造商會提供這方面的資訊。另外像ISO 10816這類標準也能提供此方面的協助，如「雜訊密度」章節所述。
在針對ISO 10816規範的機具挑選MEMS加速計時，我們可依賴一些簡單步驟，判斷g值範圍是否可被這類使用情境所接受。公式4列出一個例子，判斷Class IV資產量測到可接受振動嚴重性，根據ISO 10816-1 (VMAX= 28 mm/sec)標準，在1000 Hz (fMAX)頻率下必須量測到振動嚴重性水準以及g值範圍，以偵測每種類型馬達的潛在故障。唯一具有足夠雜訊性能與g值範圍的感測器至少達到±25.3 g。
這裡要注意的是，這些故障分類並沒有考量到MEMS感測器承受的正常負載振動。一般而言，具有較小g值範圍或全量程的感測器，比較不能承受機械元件的磨損。此外，在較小的全量程之下，量測標的振動更容易被基準線振動(baseline vibrations)所掩蓋。
表8列出ISO 10816振動嚴重度，包括每個種類資產的mm/s 與g 單位的數值。這裡比較一些適合用在CbM的MEMS加速計。±16 g的g值範圍不足夠用在Class III 與Class IV資產，但可以被Class I 與Class II資產接受。唯二兩款具有足夠g值範圍的感測器是 ADXL1002 與MEMS C2
根據ISO 10816標準，低g值範圍MEMS加速計在CbM(>±16 g)狀態監測方面受限於用在Class I 與Class II機具，因為Class III與Class IV機具的最大振動嚴重度超過±16g。表示在CbM方面，低g值範圍MEMS加速計的雜訊性能變得更加重要，此方面的性能確保其能用在Class I與Class II機具，如「雜訊密度」章節所述。
在針對用於CbM應用挑選MEMS加速計時，應該參考資產製造商的規格資料，找出潛在故障振動嚴重性資訊; 執行自己的測試; 以及/或參考像是ISO 10816這類的標準。結合表7與表8的資訊，明顯看出市場上大多數CbM MEMS加速計無法達成ISO 10816在雜訊性能方面的標準，藉以量測出正常狀態振動嚴重度與g值範圍，從而偵測到每種類型馬達的潛在故障。唯一具有足夠雜訊性能與g值範圍的感測器是ADXL1002，此款Analog Devices旗下系列感測器成員專為CbM應用設計。很明顯可看出，CbM應用的MEMS加速計目的技術尖端程度必須根據此方面的證據進行分類，如表9所示。雜訊與頻寬被視為是最重要的因素，因此會提高權重。其次是g值範圍，接著是溫度範圍以及跨軸敏感度。
在效能方面，ADXL1002具有明顯卓越性，因此被分類為CbM應用效能最高的MEMS加速計。其他所有感測器雖然也提供很好的效能，但由於效能上的差距，因此被分別為中等效能的CbM加速計。
溫度
MEMS加速計在溫度性能方面須考量許多規格。表10列出溫度相關資料表規格的比較。明顯看出數據的範圍很大，但在轉為效能之後有什麼意義? 在CbM最常見的應用(石油與天然氣、金屬加工、食品與飲料、以及發電)資產因為各種因素導致溫度很容易超過攝氏105度，像是負載超載導致電流過高，污染物(灰塵、碎屑)導致馬達內部溫度升高而無法冷卻，甚至引發振動而產生額外的熱量。各種外部因素，像是潛在的氣體或蒸氣洩漏，在挑選感測器方面亦扮演一定的角色。壓電元件製造商將其通用型振動感測器的最高溫度範圍設定在攝氏120度，一些應用專屬感測器的最高工作溫度可達到攝氏150度。一項高頻感測器(10kHz以上)的調查顯示74%的感測器其最高工作溫度範圍低於攝氏125度，有24%低於或等於攝氏80度。一些特定用途壓電感測器能承受攝氏200度以上的高溫，類似特定用途MEMS加速計能支援攝氏175度的高溫，但本文討論的焦點並不是針對特定應用專屬感測器。
靈敏度定義了每單位加速的輸出變化量。靈敏度隨溫度變化，定義了感測器的靈敏度如何隨溫度變化。壓電式加速計的比例因子誤差(scale factor error)在溫度變化下通常是5%，不過有時也會高達20%，導致明顯的偏移。這些誤差必須在生產時加以校正。MEMS加速計由於在製造階段已調整性能與特性，因此其隨著溫度變化的比例因子或靈敏度誤差就相當優異，感測器不會隨著溫度變化出現漂移。舉一個例子，ADXL1002暴露在攝氏25度到85度的變化，靈敏度(40 mV/g)會改變0.03%/°C × 60 = 1.8%，表示在60度的溫差下靈敏度從39.28 mV/g變成40.72 mV/g。這顯示MEMS加速計的靈敏度在溫度變化下表現得相當穩定。對於大多數應用，並不需要對靈敏度進行溫度補償。
零g值偏移是指在加速計在沒有施予加速度下的輸出。理想狀況下這項偏移應該是零，但由於MEMS感測器內部固有缺陷，我們會看到一項dc直流偏移。在大多數情況下，維護人員主要關切的是動態資料(加速計的交流輸出)，像是偏離基準線或偏離正常運作的趨勢。基於這項原因，在使用MEMS加速計進行CbM時，零g偏移並不是主要關切重點。零g偏移很容易就從量測數據校正出來，而且大多數高效能數位感測器都會提供暫存器讓用戶輕易執行這項動作。當偵測目標是直流或傾斜時，隨溫度變化的零g偏移也可以校正出來。工作溫度範圍越小，這方面的工作也越容易。
軸數量
MEMS加速計有單軸、雙軸、以及三軸版本。不同於壓電式加速計，單軸與三軸MEMS加速計的尺寸並沒有差異。較小的尺寸是MEMS超越壓電式元件的其中一項關鍵優勢，另外還有大幅縮減的功耗以及更高的整合度。三軸壓電式加速計在包括成本等方面具有一些明顯的優點，相較於三軸MEMS加速計的尺寸與精度，最多會超出三個數量級 - 然而採用三軸壓電式加速計的其中一個主要驅動力是更容易讓可攜式振動讀取裝置收集數據。與其設置三個站點(單軸感測器)然後分別擷取三個數據，還不如用一個三軸感測器一次擷取數據。對於不易接觸拿取的資產，這會是一項極大的優點。另外在量測多個方向的振動時，必須維持各軸之間的相位關係，而三軸元件能確保這方面的工作。在複雜振動分析方面，必須能觀測到所有軸向上的事件，而且沒有相位不匹配的狀況，因為不匹配可能導致對事件的錯誤判斷。
運用三軸壓電感測器量測x、y、z軸上的振動，就能量測到三個旋轉軸的切向動作/振動。由旋轉機具產生的許多機械力 – 像是軟性支撐結構(soft footing) – 會導致外殼出現切向動作。這些數據無法運用單軸壓電感測器偵測出來。運用單軸MEMS加速計就有可能偵測到這類事件，因為如果資產產生的振動出現在敏感軸上，受測訊號的直流內容就會對應到傾斜度。
振動激發源(excitation)通常具有方向性，方向取決於故障，像是軸承外圈襯套脫落、機械鬆動、錯位、或齒輪損壞。故障振動的方向並非總是可以預測，因此無法知道振動會朝向哪個方向 – 軸向、徑向、或切向。另外也可能有多個故障導致異常振動。一項研究案例顯示運用三軸壓電感測器對比單軸徑向與軸向感測器能改進偵測的成效。此項研究顯示若只設置在徑向或切向，單軸加速計會錯過前述近50%的機械故障，如圖4所示。問題徵結在於觀察到故障振動的方向，因此在相同軸向上加裝更多感測器並不會解決這項問題。加裝一個軸向感測器，故障偵測率會提高到將近70%。再多加裝一個軸向感測器，偵測率可提高到80%。這反映出不同軸向上的額外診斷資訊能帶來更好的故障偵測成效，但若是採用三軸感測器就不必如此。這項研究發現，在許多案例中擷取所有三個軸向的資料是不必要的，但如果可行仍建議量測所有三個軸向的數據。
圖4. 動作振動軸向
雖然獲得更多數據總是有益，但並非永遠是必要的，尤其是在無線系統上，量測與傳輸冗餘數據就會縮短電池壽命。不論是單軸、雙軸、或三軸，妥善地設置感測器都非常重要，但根據上述的研究，在有線式壓電感測器的基礎上，應該盡可能採用三軸感測器。
就MEMS加速計而言，相較於壓電式感測器，任何現有三軸感測器的效能都有所下降，因此可能無法偵測到同樣多的故障。此外，大多數三軸MEMS加速計的z軸向在雜訊、頻寬、或兩者方面的效能會比較低，如表11所示，這可能會削弱三軸壓電加速計在研究報告上顯示增加額外軸向獲得額外價值的潛力。在一些案例中，所有軸向在雜訊與/或頻寬方面會有不同的效能表現，而這同時也是CbM最重要的兩項規格。
在雜訊與/或頻寬效能上的此種不匹配，首先會顯現在某處資產上額外增加軸向(y,z)後有時被忽略掉的優勢。熟悉MEMS感測器的設計者都很瞭解這點，但必須考量幾件事。MEMS三軸加速計的成本比起效能相近的壓電加速計要低上好幾個數量級，而且體積小上許多，因此即使針對重要性較低的資產安裝無線感測元件，也可以設置更多感測器。這樣做可提供更多診斷資訊，掌握資產的整體運行狀況。
跨軸靈敏度
跨軸靈敏度(CAS)是指對不同軸向施加加速度時，在某個軸向看到的輸出量，通常以百分比表示。在壓電式加速計方面，通常是單軸元件，通常表現成橫向靈敏度，用來描述任何不是在量測軸向上出現的所有動作。對於僅在y軸向上偵測加速度的三軸加速計，由於CAS的緣故，因此也會在x與z軸向上量測到一些加速度。圖5顯示當y(或z)軸向上經歷1.5g的加速度，而CAS為1%; 那麼在x軸上會觀測到的加速度為15 mg或1.5 g 的1%。如此現象也會影響到單軸MEMS加速計。這個百分比越低，量測與用來偵測故障、異常、漂移趨勢線的振動資料也就越精準與可靠。
圖5. 一個在y或z軸向上加速的三軸加速計在x軸上觀測到的跨軸靈敏度
一些MEMS製造商在其資料表中沒有列出像CAS這些關鍵資訊，如表12所示，但對於CbM與PdM而言，這是一項極關鍵的規格，在嘗試早期偵測故障時，必須瞭解這項數據，其可能接近感測器的雜訊基底(noise floor)。ADXL1002列出的1%被認為是保守數據，實際測試的效能會略優於這項規格。
圖6a顯示在一個MEMS加速計上測的CAS。振動僅施加在z軸向上。圖6a顯示z軸上量測到約1.1 g的加速度，圖6b顯示在x軸測得約0.05g的峰值加速度，在y軸測得略小的0.0425 g加速度。
圖6. (a) MEMS B 約2.5%的跨軸靈敏度，(b)為放大後的x軸波型
表13顯示x軸上最糟狀況CAS為2.6%，以及y軸上的2.2%。這可能是因為測試環境有錯位狀況，因此CAS可能至少有2%但低於2.6%。雖然有可能校正CAS，但最好是讓這個數值接近1%，這在MEMS CbM加速計方面是領先業界的數據。壓電式元件CAS通常約在5%，但在某些情況可能高達15%7。一些壓電元件廠商可以依客戶要求提供低於5%的橫向靈敏度，但必須支付額外成本。
MEMS感測器裝至機具的解決方案
壓電式加速計是現今最常用的振動感測器。目前存在像是IEPE標準介面以及4mA至20mA的規格，以及包括螺栓、磁鐵、黏著等裝設方法。MEMS加速計要和長久以來振動感測的黃金標準相互競爭，不光必須達到其效能水準，但要讓MEMS感測器能裝到資產上。過去這一直是MEMS加速器客戶面臨的一項痛點。任何振動量測環境中都存在多種共振，因此必須盡可能降低這些共振對量測造成的影響。超過1 kHz的頻寬，安裝就變得相當重要，因為共振有可能會嚴重影響量測結果。
在壓電式加速計方面，存在為數眾多的裝設策略，其中螺栓安裝提供最寬的頻率響應，一直延伸到掌上型探針頭，都有最低的頻率響應範圍。MEMS加速計對磁鐵不敏感，而且能搭配磁鐵安裝策略使用。
為了能輕易把MEMS感測器裝到資產上，Analog Devices開發出一種立方型基座，如圖7所示。中央的掛裝孔直徑為0.2吋，外圍護圈直徑為0.38吋，厚度為0.3吋，可以用10號螺絲將基座固定在資產上。多個系列加速器(EVAL-ADXL100XZ、EVAL-ADXL35XZ、以及EVAL-ADXL37XZ)的轉接板都相容於這款基座。運用這個掛裝基座安穩地裝到受測機械源，就能在受控環境中評測加速計的頻率響應。
圖7. 針對加速計轉接板進行最佳化的掛裝基座 (EVAL-XLMOUNT1)
在擷取高頻率事件時，加速計的安裝保真度(mounting fidelity)相當重要。圖8顯示在振動台(vibration shaker table)驗證圖9所示的頻率響應。
圖8. 振動量測測試機板透過鋁質基座安裝到振動台
圖9. 配備IEPE介面的ADXL1002其頻率響應
感測器PCB電路板設計成低厚度(3mm)，並在安裝到資產時，用特殊錫膏讓頻率響應能接近MEMS感測器資料表的數據。
圖8顯示的參考設計電路板將MEMS加速計資料轉換成IEPE格式。其讓MEMS加速計從現有IEPE設定將資料輸出成IEPE格式，無縫且簡單地將MEMS加速計整合到新設或現有的IEPE基礎架構。
Analog Devices 長期致力將領先業界的感測器、訊號調節、以及處理元件整合成模組。最新CbM模組為 ADcmXL1021 與 ADcmXL3021，此兩款單軸與三軸 (1× 或3× ADXL1002)加速計SPI輸出解決方案直接安裝到各種資產。其擁有超過50 kHz的機械外裝響應頻率，遠高於10 kHz的量測頻寬。
掛裝孔能使用M2.5號螺絲，將模組固定在基座上。扭力約25吋-磅的不銹鋼螺絲，其性能反映在 ADcmXL3021產品手冊上的特性數據曲線。在一些情況需要永久固定時，除了掛裝螺絲外，還可選用如氰基丙烯酸酯之工業樹脂或黏劑來增強機械耦合。
圖10. ADcmXL3021寬頻寬、低雜訊三軸振動感測器
我們看到ADXL100x MEMS加速計除了擁有類似壓電式加速計的效能，還具備許多獨特優點，讓CbM與PdM能用在重要性較低的資產。在此同時，表14所示的ADXL100x系列MEMS加速計也被安裝在各種高度重要的資產，其以往都未曾採用MEMS加速計。Analog Devices致力讓用戶輕易將CbM感測器安裝到各種資產 (XLMOUNT1, ADcmXL3021)。另外由於我們推出轉換參考設計方案(MEMS 至IEPE 或4 mA 至20 mA)，用戶也能輕易將壓電式感測器更換成MEMS元件。
ADI的CbM 參考設計方案、評估系統、開發平台、以及系統解決方案，目標都是讓客戶開發出最好的CbM與PdM系統，藉以維持資產與工廠正常運作。我們克服與解決CbM開發者面臨的大多數痛點，不光運用MEMS也採用壓電式加速計，未來也將繼續投資發展領先業界的CbM解決方案。下個章節將討論一個高保真度的高速資料擷取管線例子，讓CbM系統開發者能偵測重要的振動資料，並儲存到其機器學習開發環境 (Python、TensorFlow、MathWorks等)
CbM 開發平台
圖11所示的CN-0549 CbM開發平台匯集上述所有MEMS設計考量因素，針對MEMS加速計提供最高效能，可輕鬆裝至資產並維持資料表所列的效能。資料擷取板卡提供高速24位元解析度的訊號調節與資料擷取硬體解決方案，搭配IEPE壓電與MEMS加速計使用。另外還提供所有必要的韌體與評估軟體，開箱後立即可運行此系統。
圖11. CN-0549 模塊圖與影像
CbM開發平台的目標是讓CbM開發者收集大量高品質振動資料，藉以瞭解其資產運作的行為。在瞭解之後，就能藉由植入振動源(seeded)或模擬故障的方式來發展趨勢資訊，藉由機器學習演算法來找出與分析潛在故障。我們必須以最高保真度來擷取如此故障資料，然後傳至機器學習環境建構模型，藉以對資產的行為獲得更好的瞭解。
CbM開發平台可以透過串流模式將高效能IEPE振動感測器資料傳至像是TensorFlow此類機器學習環境，而且即裝即用。許多IEPE壓電式感測器(這些感測器不需要固定座就能裝在資產上)或ADXL1002 IEPE 解決方案 CN-0532可搭配CbM開發平台使用。DAQ 擷取板卡 CN-0540是另一個參考設計方案，其為IEPE感測器提供最高精準度的資料擷取訊號鏈，將全頻寬資料管線提供給FPGA，讓系統能監視機具的數據特徵(data profile)。一個在FPGA上運行的示波器應用，只需要透過HDMI™就能連至螢幕，呈現頻率頻譜資訊，讓使用者快速透過視覺影像掌握其機具的健康狀況，或透過乙太網路將資料串流傳送至雲端。支援Python與MATLAB®讓開發者能直接將機器學習資料連至這些熱門工具。開發者之後可利用機器學習資料為其設備開發各種演算法以改進維護策略、預測故障、以及潛在的工廠停機狀況。
總結
本文討論在CbM系統中採用MEMS加速計要考量的最重要標準。我們得知少數MEMS加速計能提供取代壓電式加速計的可行方案; 然而MEMS加速計之間存在明顯落差，也反映出需要對這些感測器加以分類。文中討論並和現有ISO 10816振動標準進行比較，進一步確認MEMS加速計在CbM的效能差異。本文亦根據雜訊、頻寬、g值範圍等最重要規格對MEMS加速計進行分類。由於ADXL100x系列感測器具備寬頻寬、超低雜訊、以及高g值範圍，使其成為能與壓電式加速計競爭的感測器，在針對各種MEMS競爭產品進行全面比較後，可確認是非常適合用於CbM與PdM應用的高效能MEMS感測器。在中等效能類別中，亦即所有其他MEMS CbM感測器所屬的類別，Analog Devices提供眾多三軸數位感測器，如ADXL317便是雜訊極低的寬頻寬數位MEMS加速計，能及早偵測振動並協助資產甚至工廠順暢運行。
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