工业应用中的机器健康和资产监控：传感器技术概览

从监控远程设备中获得的数据对于任何工业过程的功能都至关重要。通常，这些数据由监控和数据采集 (SCADA) 控制系统处理，通常通过总线、星形或树形拓扑结构上的以太网和 TCP/IP 网络。工业物联网 (IIoT) 系统通常在不断扩充，在某些情况下会取代这些旧系统，以允许连接到网关的节点无线网络返回到云端，以进行更复杂的数据处理和分析。无论使用有线还是无线技术，这些过程中使用的底层传感器都为评估和分析工厂设备所需的数据提供了基础。

本文提供了工业机器健康和资产监控应用的鸟瞰图，并概述了一些常用的传感器技术。

工业物联网中的机器健康和资产监控应用

远程工业机器健康和资产监控应用跨越了广泛的垂直行业，各种传感器类型与无线协议结合使用，以实现实时或准实时数据传输。在更传统的 SCADA 架构中，传感器/执行器节点连接到工业 I/O 模块——通常是可编程逻辑控制器 (PLC) 或远程终端单元 (RTU)。这些 I/O 模块根据来自监控计算机（通常是人机界面 (HMI)）的反馈在节点之间发送传感器数据，并根据人工输入收集和传播数据。

在工业无线传感器网络 (IWSN) 中，许多传感器节点通过许可/非许可频段和特定无线协议以点对多点 (PtMP) 拓扑无线连接到网关。在工业应用中，这可能会有所不同，从 WirelessHART 等行业特定协​​议到基于蜂窝的网络，再到 Zigbee 等更多商业协议。这绕过了 SCADA 架构中独立 I/O 模块的布线，将这种层次结构压缩以简化从传感器节点到网关/基站再到基于云的集中平台的数据传输，以执行更复杂的分析。

IWSN 用于机器状态监测的应用包括工业定位设备和电机/驱动器以及资产监测应用（图 1）。例如，感应电机存在于范围广泛的机器设备中，从精密数控机床到大型工业起重机、滑轮和传送带。这些机器中的任何故障都会降低机械精度，甚至导致故障和工厂停工，从而直接减少宝贵的工厂运营时间，并增加维修时间成本。电机常见的机械故障有：转子条开裂、绕组短路故障、气隙变化和轴承故障。

加速度计最常用于振动数据分析——旋转机器中的大多数机械故障会导致可检测到的振动水平增加。其他测量包括电机电流特征分析 (MCSA)，其中电机电流波形的失真可以根据峰值的幅度和出现峰值的频率推断特定故障。这种测量方法通常通过夹式电流互感器（CT）来完成。

除了加速度计和电流传感器外，IWSN 中还经常使用温度、湿度、压力和液位传感器。例如，在资产监控应用中，跟踪化学品、食品和药品混合罐的罐填充水平对于确保以精确值放入成分至关重要。在这些情况下，可以使用压力传感器或各种液位传感器来测量罐的液位。可以使用压力和液体传感器以及工业空气过滤系统或商业 HVAC 系统中的压力和液体传感器来完成气流或液体流量监测。在水处理和管理设施中，过滤器在进水（输入）和出水（输出）管路中表现出压差，可以通过压力传感器跟踪和检测性能和堵塞情况。

可以利用许多基本原理（光学、电磁、雷达、机械、超声波、声学等）来实现相同的传感结果。这种品种可用于液位、湿度和温度传感器。技术的选择是价格、准确性、外形尺寸、安装/校准的便利性、响应速度以及连续或离散监控之间的平衡。下一节将介绍 IWSN 中一些常用的传感器。

常用传感器一览

加速度计 – 如前所述，加速度计是监测机器设备振动数据的基石组件。这是通过从电压数据中收集加速度、减速度和冲击等参数来实现的。这在时域或频域中变成了振动诊断。在时域分析中，信号样本的收集和分布允许机器行为随时间发生显着变化。一种简单形式的时域振动分析涉及使用机器外壳的均方根 (RMS) 速度（ISO 2372 标准）定义“报警限值”。

时域分析通常存在无法及早发现故障的缺陷，因为需要收集更多数据来记录可观察到的差异；但是，时间波形的主要优点是对瞬态或间歇性事件进行分类。在频域中，各种故障会产生明显的频谱功率差异（即各种频率下的振动速度峰值），从而可以更好地隔离故障。虽然时域分析通常用于检查已知问题或表现出非常特定的搜索模式，但频域分析允许对机器操作进行更广泛的调查，其中识别故障更加明显。多轴加速度计特别有价值，因为它们能够收集轴向和径向的数据。加速度计可以遵循以下基本原理之一：电容式、压电式或压阻式。

最常用的是电容式加速度计，其中弹簧悬挂的质量块在加速度应力下转变为不平衡状态。然后，通过电容变化的电极记录该位移，最终产生加速度和加速度方向。压电加速度计也使用质量块。然而，检测质量的变化反而会对压电材料产生剪切应力，从而直接转化为电输出。与之前传感器中列出的压力和液位传感器类似，加速度计也可以利用压阻原理，使用质量块和应变计来产生加速度结果。

电流传感器 – 当前传感器工业应用可包括机器设备、智能计量以及涉及电源的应用（例如，逆变器控制、不间断电源、焊接等）的 MCSA 分析。电流传感器利用以下四个基本原理之一：欧姆定律、法拉第定律、法拉第效应或磁场感应。

电阻分流型电流传感器将利用欧姆定律，并由一个电阻元件组成，该电阻元件与所需电流值的载流导体串联。这样，部分电流会通过元件，导致电压降与流过元件的电流成正比。

图 2 展示了各种传感器技术的概览。电流互感器 (CT) 利用法拉第感应定律。变压器涉及围绕具有高磁导率的磁芯的多个绕组。初级绕组或载流导体可以是几匝，也可以只是一条穿过铁芯的线。流过初级绕组的交流电集中磁芯或磁通集中器内的磁通线，这反过来又在次级绕组内感应出与初级绕组内的电流成正比的电流，从而提供电流测量。

罗科夫斯基线圈使用相同的原理，而是使用磁导率类似于空气的磁芯。次级绕组内的感应电压与所需电流的时间导数成比例。因此，罗科夫斯基线圈的次级绕组端接运算放大器积分电路。

霍尔效应磁场传感器也可用于开环或闭环架构。霍尔效应简单地描述了在电流和磁场流过金属条的情况下产生的垂直电压矢量。开环配置看起来与电流互感器相似，因为载流导体穿过具有高磁导率的磁芯的中心。霍尔效应传感器放置在磁芯的间隙内，产生与电流成比例的电压。然而，这个电压需要一个放大器，因为输出电压很小。

相反，闭环配置涉及一个补偿线圈或次级绕组，它产生一个与载流导体中的电流相反的磁场，因此在霍尔效应传感器上看不到磁场。次级绕组由电流检测 IC 中的放大器驱动，并以负载电阻端接。载流导体中的电流与输出电阻上的电压成正比。

压力传感器 – 压力传感器一词通常用作一个包罗万象的术语，包括压力传感器、压力传感器和压力变送器。通常，压力传感器会产生 10 mV 的输出信号，该输出信号可以在距离电气设备 10 到 20 英尺的地方使用，而不会出现明显的信号损失。压力传感器产生更高的电压输出（0.5 到 4.5 V），可以传输超过 20 英尺而不会降低信号。压力变送器提供 4 到 20 mA 的电流输出信号。压力传感器有多种配置，包括惠斯通电桥式/压阻式、电容式、电磁式、压电式和光学式。

本文重点介绍最常见的压力传感器类型：桥式/压阻式配置（图 3）。最常见的压力传感器依赖于压阻效应，其中当材料变形时发生的电阻变化与材料所承受的压力相关。通常，这些传感器具有一个测量隔膜，其中隔膜面向气体/液体（即液压流体、水、油等）的一侧暴露于“参考”压力，而隔膜的另一侧暴露于到高压。在这种情况下，隔膜会相应地偏转/变形，应变仪会测量每个隔膜之间的压力差，以将此信息转换为准备传输的电量。

应变仪基本上充当电阻元件，其电阻变化与施加在它们上的应变量成正比。这些应变仪要么是通过溅射沉积工艺制造的粘合箔型，要么是扩散型硅型应变仪，也称为半导体应变仪，因为它是通过将杂质扩散到硅基隔膜中来生产的。基于箔的应变仪具有承受更高压力的优势，而基于半导体的应变仪提供更高的灵敏度，因此通常在较低压力下使用。但硅应变片受温度影响较大，因此其工作温度往往低于箔片应变片。

液位传感器 – 液位传感器检测容器内液体、粉末或颗粒材料（例如颗粒）的量。与压力传感器不同，这种测量可以通过多种方式完成。上表列出了一些方法以及每种液位传感器的描述和一些主要注意事项。本节将重点介绍基于隔膜的静压传感器。

特别是静压液位传感器依赖于与压力传感器中的桥式传感器相同的基本压阻原理。事实上，这种类型的液位传感器是一种压力传感器，罐内液体的上升/下降液位与隔膜内的压力变化相关，因此与罐内液体的深度保持高度线性关系。如下式所示，静压(P) 液体的比重等于液体的比重（γ）和液体的高度（ h )。

P =γ*h

结论

了解工业监控应用中使用的底层传感器技术可以为参与工业系统设计和开发的任何人提供洞察力。每个传感器都可以利用各种基本原理，每个原理都有其各自的优势和应用考虑因素。从这些传感器获取的数据的收集和传播可能涉及有线或无线骨干网，其中 IIoT 尤其具有为未来工业应用进行更复杂数据分析的潜力。

本文由马萨诸塞州北安多弗 L-com 的产品线经理 Tinu Oza 撰写。如需更多信息，请访问此处 .

参考

1. 刘易斯，乔。 固体物位测量和检测手册 .动量出版社，2014 年。