Come costruire una soluzione MEMS per il rilevamento delle vibrazioni

I suggerimenti di Analog Devices per la diagnostica nel Condition Monitoring di macchine rotanti

  • Esempio di circuito per l'ADXL1002
    Esempio di circuito per l'ADXL1002
  • Come costruire una soluzione MEMS per il rilevamento delle vibrazioni
    Come costruire una soluzione MEMS per il rilevamento delle vibrazioni

Il Condition Monitoring è una delle principali sfide nell'uso di impianti meccanici e sistemi tecnici dove, ad esempio, vengono utilizzati motori, generatori ed ingranaggi. La manutenzione programmata sta diventando sempre più importante per ridurre al minimo il rischio di fermi di produzione, non solo nel settore industriale ma anche in tutti i luoghi in cui vengano impiegate macchine. Tra le diverse analisi effettuate, vengono studiati i modelli di vibrazione delle macchine. Le vibrazioni causate dal riduttore sono solitamente percepite nel dominio della frequenza come un multiplo della velocità dell'albero di trasmissione.

Le irregolarità nelle diverse frequenze indicano usura, squilibrio o giochi eccessivi. Per misurare la frequenza si usano spesso accelerometri basati su MEMS (MicroElectroMechanical System). Rispetto ai sensori piezoelettrici, i sensori MEMS sono caratterizzati da una risoluzione più elevata, da caratteristiche eccellenti di deriva e risoluzione e da un migliore rapporto segnale/rumore (SNR – Signal to Noise Ratio). Essi consentono anche il rilevamento di vibrazioni a bassa frequenza vicino al campo dc.

In questo articolo viene illustrata una soluzione di misura delle vibrazioni a banda larga altamente lineare ed a basso rumore, basata sull'accelerometro MEMS ADXL1002. Questa soluzione può essere utilizzata per l'analisi dei cuscinetti o il monitoraggio dei motori, e per tutte le applicazioni in cui è richiesto un ampio range dinamico fino a ±50 g ed una risposta in frequenza dalla continua a 11 kHz.

La Figura 1 mostra un circuito di esempio: il segnale di uscita analogico dell'ADXL1002 viene trasmesso tramite un filtro RC a 2 poli all’AD4000, un convertitore analogico-digitale (ADC) ad approssimazioni successive (SAR – Successive Approximation Register), che converte il segnale analogico in un valore digitale per l'ulteriore elaborazione del segnale.

L'ADXL1002 è un accelerometro MEMS a singolo asse e ad alta frequenza, che fornisce una banda passante del segnale di uscita che si estende oltre la gamma di frequenza di risonanza del sensore, con l'amplificatore di uscita dell'ADXL1002 che supporta una larghezza di banda di piccolo segnale (small signal bandwidth – NdT) di 70 kHz. Anche carichi capacitivi fino a 100 pF possono essere pilotati direttamente con l'amplificatore di uscita dell'ADXL1002. Per carichi superiori a 100 pF è necessario utilizzare un resistore in serie ≥ 8 kΩ.

Il filtro esterno all'uscita dell'ADXL1002 è necessario per eliminare il rumore di aliasing dall'amplificatore di uscita ed altre componenti di rumore interno dell'ADXL1002 che si presentano, per esempio, attraverso l'accoppiamento del segnale di clock interno a 200 kHz: in questo modo la larghezza di banda del filtro dovrebbe essere implementata di conseguenza. Con il dimensionamento mostrato in Figura 1 (R1 = 16 kΩ, C1 = 300 pF, R2 = 32 kΩ, e C2 = 300 pF), si ottiene un'attenuazione di circa 84 dB a 200 kHz. Inoltre, la frequenza di campionamento dell’ADC selezionata dovrebbe essere superiore alla larghezza di banda dell'amplificatore (per esempio, 32 kHz).

Per l'ADC, la tensione di alimentazione dell'ADXL1002 dovrebbe essere selezionata come riferimento, poiché l'amplificatore di output ha una relazione raziometrica con la tensione di alimentazione. In questo caso, la tolleranza della tensione di alimentazione ed il coefficiente di temperatura della tensione (che solitamente sono collegati a regolatori esterni) scorrono fra l'accelerometro e l'ADC in modo da annullare l'errore implicito associato alle tensioni di alimentazione e di riferimento.

Risposta in frequenza

La risposta in frequenza dell'accelerometro è la caratteristica più importante del sistema ed è mostrata in Figura 2. Il guadagno aumenta a frequenze superiori a circa 2-3 kHz. Per la frequenza di risonanza (11 kHz), si ottiene un valore di picco per il gain di circa 12 dB (fattore 4) nella tensione di uscita.

Per visualizzare il superamento del campo di misura (overrange), l'ADXL1002 ha un'uscita corrispondente (pin OR). Il monitor integrato emette un alert quando si verifica un evento significativo di overrange (2x il range dinamico nominale in g).

Considerazioni meccaniche sul montaggio

Particolare attenzione dovrebbe essere prestata al corretto posizionamento dell'accelerometro. Questo deve essere installato vicino ad un punto di montaggio rigido della scheda per evitare vibrazioni sulla scheda stessa e quindi errori di misura dovuti a vibrazioni non smorzate. Il corretto posizionamento assicura che ogni vibrazione del circuito stampato sull'accelerometro si trovi al di sopra della frequenza di risonanza del sensore meccanico e quindi risulti praticamente invisibile all'accelerometro. Punti di montaggio multipli vicino al sensore ed una scheda più spessa contribuiscono ad abbassare gli effetti della risonanza del sistema sulle prestazioni del sensore.

Conclusioni

Con il circuito mostrato in Figura 1 è possibile realizzare in modo relativamente semplice una soluzione basata su MEMS per il rilevamento delle vibrazioni da valori prossimi alla continua fino a 11 kHz, come spesso richiesto nel condition monitoring di macchine rotanti.

Thomas Brand, Field Applications Engineer, Analog Devices

Rossana Saullo si laurea prima in Lettere Moderne presso l’Università della Calabria di Cosenza, successivamente consegue la laurea magistrale in Letteratura, Filologia e Linguistica Italiana presso l’Università degli Studi di Torino. Nel 2020 consegue il Master Professione Editoria Cartacea e Digitale presso l’Università Cattolica di Milano. Da settembre 2020 lavora in TIMGlobal Media.

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