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高频振动监测加速度计选择,MEMS or 线圈检波器?
发布时间:2021-10-24 浏览次数:76 来源:欧美大地

微机电系统(MEMS)在工业建筑、爆破等众多行业的振动监测设备中大量使用。Instantel最近完成了大量的测试,将目前的MEMS加速度计与传统的电磁线圈检波器进行了比较。


 爆破会产生高频振动



振动校正误差

Vibration Rectification Error (VRE)

在MEMS制造过程中不可避免的非线性和不对称导致了一种现象,称为振动校正误差(VRE),如图1所示。VRE在MEMS加速度计的输出数据中产生一个非常低的频率偏移(数据不再居中)。  当更高频率的均方根(RMS)包络的振幅增加时,偏移的幅度也增加。 当频率和振幅内容从一个位置和应用到另一个位置和应用时,VRE也会发生变化,使其不一致和不可预测。 加速度数据中的任何偏移都会在最终的速度信号中产生误差。对于正偏移,这个误差表现为渐增的斜率,对于负偏移,这个误差表现为渐减的斜率。 由于大多数振动标准规定的是速度,这个误差可能会对结果产生巨大的影响。 这可以在图1中清楚地看到,其显示由MEMS加速度计和电磁检波器记录的相同振动事件的结果。


图1 与电磁检波器记录的相同振动事件相比,VRE对MEMS加速度计的速度结果有影响


测试结论

  • 在恢复之前,MEMS加速度计在所有通道上都报告了极端的振幅和无效数据。

  • 电磁检波器可靠地记录了信号数据,没有丢失任何数据。



高频和MEMS性能限制

在工业和建筑应用中的主要振动来源是重型设备,以及冲击性工具,比如电钻、打桩机、锄头和炸药。 这些振动可以是单个的,也可以是频率为几kHz的一系列脉冲。与电磁检波器相比,MEMS加速度计天然更容易受到这些高频信号的影响,并且会用错误的数据对其响应。

500Hz以上的频率超出了大多数振动标准的限制,应该忽略,以防止它们对最终振动结果产生影响。电磁检波器和标准滤波器设计可以轻松去除500+ Hz的信号。然而对于MEMS加速度计,高于监测频率的振动可能会引入干扰和测量误差。其原因主要是由加速度转换为速度幅值(积分),自谐振频率和不恰当的滤波器滚降,进而衰减了高频组分。有些误差是MEMS加速度计内部结构固有的,因此是不可避免的。

这些高频的振动会导致MEMS加速度计超出其工作极限。当这种情况发生时,它总是产生不可靠的数据。一旦振动回到MEMS加速度计的工作范围内,由于监测标准规定的滤波器特性,速度输出需要几秒钟才能稳定并完全恢复(见图2a)。



不幸的是,在此期间所有MEMS数据都是无效的。由于来自电钻、打桩、液压锤、爆破等类似振动源的振动往往小于1 ~ 2秒,其振动数据的大部分可能报不准确或完全漏报。为了在实验室中模拟如此高的频率,我们将一个MEMS加速度计和一个电磁检波器连接到一个预制混凝土模型上,并使用一个固定的锤击夹具,以产生一个频率可与基岩上的工业手提钻或液压锤相媲美的信号。图2a显示了超出MEMS振幅范围的事件数据。MEMS加速度计需要4秒才能恢复。 在这4秒期间,数据被记录了下来,但是是无效的。实际上相当于丢失了4秒的事件数据。图2b显示了电磁检波器记录的相同的事件数据,其准确地记录了整个事件时间段的事件数据。



测试结论

  • 基于MEMS的系统在恢复阶段没有准确记录振动波形和畸变数据。

  • 电磁检波器在整个观测窗口内准确记录了振动波形,没有丢失数据。


混叠

混叠是一种可能导致不同信号变得无法区分的现象。当不需要的高频信号扭曲了感兴趣的频率,干扰了采集数据时,就会发生混叠。混叠尤其会发生在高频信号采样率不够高时。在MEMS加速度计和电磁检波器中都可能会发生混叠,然而对于相同的地面运动,电磁线圈固有地在高频下产生比MEMS更低的振幅。 这使得MEMS加速度计更容易受到高频失真的影响,监测设备的设计需要考虑到这一点。MEMS加速度计需要以更高的采样率进行采样,以获得与电磁检波器相同的数据完整性。


噪声和噪声基底

噪声基底是监测振动信号的一个重要因素。它可以被描述为实际信号与无信号难以区分的值。MEMS加速度计的一个缺点是,由于质量小,它们天生更容易受到内部产生的噪声的影响。另一个因素是MEMS加速度计是集成电子的有源元件,而电磁检波器是无源元件。在实验室里,我们测量了一个MEMS的低频成分,它在时域“漂移”。观察标准差并求其均方根(RMS)水平,表明噪声信号超过振动阈值的概率高得令人无法接受。这意味着当需要低触发水平时,由MEMS加速度计的固有设计产生的噪声(它不是事件的真实组成部分)可以随机产生误触发。电磁检波器的设计大大降低了噪声基底产生误触发的可能性,使其更加可靠。



执行标准


振动监测设备验证符合法规标准和振动限制。这些限制保护了人员、建筑和资产安全。准确记录和报告数据对承包商和业主来说都是至关重要的,以确保经得起法律审查。

在大多数项目中,业主、设计师、市政部门等将指定要监测的频率范围,振动限制不得超过。他们还将规定测量设备必须满足的具体标准。其中两个与设备性能相关的标准是国际炸药工程师学会的爆破地震仪性能规范(ISEE-2017)和德国标准化学会(DIN 45669)。宣布符合这些标准意味着该标准的所有方面,包括振幅范围、频率范围、允许的最大内部噪声、线性度、相位响应和校准要求都得到满足。


例如,ISEE性能规范要求振幅范围达到254mm/s,频率响应为2至250Hz。为了满足ISEE的性能要求,这需要MEMS加速度计能够可靠地测量高达40.7g的加速度。仅仅使用2、4或8g MEMS加速度计的振动监测仪根本无法满足ISEE的性能规范。


结论

我们的测试和分析表明,MEMS加速度计会产生与所记录振动的频率和振幅内容直接相关的错误数据。

高频会影响MEMS加速度计所报告的振动水平的准确性。由于不可能预测项目将产生的准确频率和振幅内容,因此这种不确定性会影响记录数据的准确性和可靠性。我们在实验室观察到当使用MEMS加速度计时,高频是数据不准确的一个重要影响因素。

虽然MEMS加速度计的安装灵活性吸引了人们的注意,但在某些情况下,它们显然不如电磁线圈检波器可靠。我们认为,这些好处不会比记录不准确或虚假数据的风险更重要,而这些风险可能导致罚款、项目延迟或关闭,或因不遵守振动标准或监管限制而引发诉讼。


声明

本文仅阐述了Instantel通过研究分析得出的观点,仅供参考,欢迎各位积极讨论。

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