CN113917188A - 工业加速度计及其用途和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业加速度计及其用途和系统。特别地，工业加速度计用于监视工业机械的振动。加速度计包括布置在平面印刷电路(2)上的第一微机电集成电路(MEMS1)和第二微机电集成电路(MEMS2)，第一集成电路(MEMS1)构成能够供应沿着三个测量轴线(I，J，K)的加速度信号的第一三轴传感器，第二集成电路(MEMS2)构成能够供应沿着单个测量轴线(A)的加速度信号的第二单轴传感器。第一集成电路(MEMS1)和第二集成电路(MEMS2)布置在平面印刷电路(2)上，使得第二传感器(MEMS2)的单个测量轴线(A)平行于第一传感器(MEMS1)的两个测量轴线中的一个轴线(I；J)。

Description

工业加速度计及其用途和系统

技术领域

本发明涉及可应用于测量工业机械(特别是旋转机械)的振动的三轴加速度计。

背景技术

可通过测量和分析诸如旋转机械(例如，压缩机、涡轮机、泵)这样的工业机械的振动来监视其机械状态。传统上，振动测量是借助压电加速度计进行的，压电加速度计通常借助固定螺栓而固定到机械的振动元件。这种类型的加速度计的三轴形式是可用的，也就是说，它能够提供沿着直角三面体的三个测量轴线的测量值，以充分表征机械的振动现象。压电加速度计的优点是在大范围的频率内(在十分之几赫兹和10kHz或20kHz之间)具有线性行为并具有宽动态范围(例如，1g到5g之间)。然而，它们相对笨重和昂贵。

加速度传感器已知也有微机电集成电路的形式，该微机电集成电路是使用微电子技术制造的，常被称为“MEMS加速度计”(来自“Micro ElectroMechanical Systems”的首字母缩写)。这些传感器通常非常紧凑且相对便宜，但仍然具有如下特性，所述特性允许其用于测量“静态”加速度或测量具有通常小于几kHz的减小频率的加速度。这些特性使它们与待监视的频率范围通常从0.1Hz扩展至10kHz或20kHz的工业机械的振动监视不兼容。

最近，微机电系统领域的进步使得可以提出单轴MEMS传感器，测量轴线在传感器的平面中延伸，能够在高达20kHz或甚至40kHz的更高频率范围内执行加速度测量。与上一代加速度计相比，这种频率范围的扩展与信噪比的降低和测量动态的增强相结合使得可以考虑将这些传感器用于工业机械的振动监视领域。然而，这些元件在三轴配置中是不可用的，这极大地阻碍了它们的使用。

文献US20110295546和US2016003863教导了一种三轴加速度计，该三轴加速度计组合了多个MEMS传感器，所述多个MEMS传感器布置在形成3D结构的多个平面印刷电路上，从而使MEMS传感器的测量轴线沿着加速度计的直角测量三面体的3个轴线放置。然而，这种解决方案并不适合，因为印制电路的3D组件的制作复杂，不太紧凑，而且最重要的是，造成加速度计频率响应上出现寄生谐振，这干扰了测量，使测量有些不可靠。

文献US2005122100进而提出了将磁传感器竖直组装在其边缘上，以提供沿着竖直轴线的测量。该非传统的方法不能在工业上部署。

发明内容

本发明的目的是提供一种至少部分克服了这些缺点的三轴加速度计。更确切地，本发明的目的是提供一种包括传感器的三轴工业加速度计，传感器能够供应加速度信号并呈微机电集成电路的形式，该工业加速度计能够用于工业机械(特别地，旋转机械)的振动监视。本发明特别地旨在提供一种比现有技术中提出的使用微机电传感器的三轴工业加速度计更可靠的三轴工业加速度计。

为了实现该目的，本发明的目的提出了一种工业加速度计，所述工业加速度计能够提供沿着直角三面体的三个测量轴线的测量值，特别地，所述工业加速度计用于工业机械的振动监视，所述加速度计包括布置在平面印刷电路上的第一微机电集成电路和第二微机电集成电路；

-所述第一集成电路沿着第一平面延伸并构成能够供应沿着三个测量轴线的加速度信号的第一三轴传感器，两个测量轴线驻留在所述第一平面中；

-所述第二集成电路沿着第二平面延伸并构成能够供应沿着驻留在所述第二平面中的单个测量轴线的加速度信号的第二单轴传感器。

根据本发明，所述第一集成电路和所述第二集成电路布置在所述平面印刷电路上，使得所述第二传感器的所述单个测量轴线平行于驻留在所述第一传感器的所述第一平面中的所述两个测量轴线中的一个轴线，其他两个轴线被称为“保留轴线”。由所述工业加速度计提供的测量值由来自所述第二传感器的加速度信号和沿着所述第一传感器的两个保留轴线的两个加速度信号构成。

根据独立的或任何技术上可行组合的本发明的其他有利的、未限制特征：

–所述第一集成电路和所述第二集成电路分别布置在所述平面印刷电路的两个相对面上；

–所述第一集成电路和所述第二集成电路布置在所述平面印刷电路的同一个面上；

–所述平面印刷电路布置在管状刚性体中；

–所述平面印刷电路连接到电连接器或整体电缆；

–所述平面印刷电路是刚性的；

–所述平面印刷电路是柔性的；

–所述平面印刷电路还承载调节电路；

–所述第二单轴传感器具有与所述第一三轴传感器的特性相比改进了的至少一种特性。

根据另一方面，本发明还提出了将如以上说明的工业加速度计用于具有振动主轴线的工业机械的振动监视的用途，所述用途包括：将所述加速度计固定在所述工业机械上，使得所述第二传感器的所述单个测量轴线平行于所述工业机械的所述振动主轴线。

根据又一方面，本发明提供了一种系统，该系统包括具有振动主轴线的工业机械和固定到该工业机械的按照本发明所述的工业加速度计，所述第二传感器的所述单个测量轴线平行于所述振动主轴线。

附图说明

根据以下参考附图提供的对本发明的具体描述，本发明的其他特征和优点将变得清楚，在附图中：

图1示出了根据一个实施方式的工业加速度计；

图2和图3示意性示出了根据本发明的加速度计的测量电子器件的两个实施方式；

图4和图5例示了根据本发明的加速度计用于轴承和带的振动监视。

具体实施方式

出于简化下面的描述的缘故，相同的附图标记被用于在本发明所描述的不同实施方式中相同的元件或执行相同功能的元件。

图1示出了根据一个实施方式的工业加速度计1。这里，加速度计1由构成壳体1a的管状刚性体形成，测量电子器件M被容纳在壳体1a中。刚性体可由钢或铝制成。在刚性体的第一端处制成的螺纹孔使得可以借助固定螺柱将加速度计固定到工业机械。刚性体的另一端包括电连接器1b，以便使用适于远程分析系统的电缆连接加速度计1，这本身是众所周知的。

工业加速度计的其他配置当然是可以的。刚性体特别地可具有不同于这里当作示例的管状形状的形状。例如，它可具有平行六面体的形状。虽然螺柱固定是优选的固定形式，但这不是必须的，并且可以设想到通过任何其他手段(例如，借助粘合剂或通过磁化)将加速度计固定到待监视的工业机械。同样地，如图1中所示的电连接器1b没有形成基本特性，并且可将测量电子器件M设置为能够通过任何合适的手段且根据任何格式和任何标准将加速度测量值传输到远程分析系统，例如，通过例如根据IEPE标准(来自英文表述“Integrated Electronic Piezoelectric”)在通过2或3线连接对这些测量值进行数字或模拟转换之后无线传输它们。还可将工业加速度计1设置为没有连接器，并且可将测量电子器件设置为直接连接到整体的不可去除连接电缆。

无论工业加速度计1采取什么确切形式，它都被称为“三轴”，也就是说，它能够提供沿着直角三面体的三个测量轴线的加速度测量值，这些测量值由测量电子器件M产生，图2和图3中示意性示出了测量电子器件M的两个实施方式。

参考这些图，测量电子器件M包括其上布置有各种电子元件的平面印刷电路2。术语“平面印刷电路”表示驻留在单个平面中的印刷电路，优选地是单个平面印刷电路。印刷电路不是如现有技术的解决方案中的情况一样由按3D组装在一起的多个印刷电路形成的；因此，测量电子器件M制造简单、紧凑，不会或不太可能造成在加速度计1的频率响应上出现寄生谐振。

平面印刷电路2可以是刚性板，例如，由通过玻璃纤维网增强的绝缘环氧化物层构成。另选地，它可被选定为是柔性的，并由精细的绝缘材料(例如，聚酰亚胺)制成。在所有情况下，平面印刷电路2都形成测量电子器件M的所有元件的支撑件，并借助导电迹线将它们电连接，这本身是众所周知的。当设置了连接器1b时，电缆(图中未示出)可将测量电子器件连接到这样的连接器。印刷电路2可以是单面或双面的，因此元件可布置在平面印刷电路2的一个面上，或者布置在该印刷电路2的两个相对面上。

在图2和图3的示意图中，平面印刷电路2承载构成两个不同加速度传感器的第一微机电集成电路MEMS1和第二微机电集成电路MEMS2。这里，第一集成电路MEMS1和第二集成电路MEMS2分别布置在平面印刷电路2的两个相对面上，但可设想到使它们例如并排地在该电路2的同一个面上。在所有情况下，使用单个平面印刷电路使它们能够相互靠近，使得它们精密地承受相同的加速度。

当然，可设置其他元件，特别是构成用于由两个传感器MEMS1、MEMS2供应的加速度信号的调节电路的元件，以便形成在工业加速度计1的连接器1b上可得到的或通过任何其他手段以模拟或数字方式传输的测量值。该调节可对应于加速度信号的放大、加速度信号的滤波、对与温度相关的漂移或偏置的补偿。它可实现模拟或数字处理。还可以设置为在平面印刷电路2上放置用于供应和/或调节微机电集成电路MEMS1、MEMS2的供应的电路。

返回对图2和图3的描述，第一集成电路MEMS1构成能够供应沿着工业加速度计1的三个测量轴线I、J、K的加速度信号的第一三轴传感器。第一集成电路MEMS1限定第一平面并在第一平面中延伸。在该第一平面中，它具有两个彼此垂直的测量轴线I、J。第一集成电路MEMS1还包括沿垂直于第一平面的方向布置的第三测量轴线K。第二集成电路MEMS2构成能够供应沿单个测量轴线A的加速度信号的第二单轴传感器。第二集成电路MEMS2限定第二平面并在第二平面中延伸。单个测量轴线A驻留在该第二平面中。集成电路MEMS1、MEMS2的第一平面和第二平面对应于它们的组装平面，也就是说，当这些电路MEMS1、MEMS2在功能上安装在印刷电路上时，第一平面和第二平面二者都与印刷电路共面。

如本专利申请的介绍部分中提出的，与第一三轴传感器MEMS1的特性相比，第二单轴传感器MEMS2具有改进的特性。例如，第二传感器MEMS2可在比第一传感器MEMS1的频率范围更宽的频率范围内具有恒定的灵敏度(在10％内)。因此，对于第二传感器MEMS2，恒定灵敏度的频率范围可在0.2Hz至10kHz或甚至20kHz之间扩展，而对于第一传感器MEMS1，恒定灵敏度的频率范围被限制在0.2Hz至4kHz或6kHz之间的频率范围。另选地或另外地，第二传感器MEMS2的测量噪声(例如，30μg/√Hz(micro-g per root Hz)或更少)少于第一传感器MEMS1的测量噪声，第一传感器MEMS1的测量噪声可以是约80μg/√Hz或更多。或者，第二传感器MEMS2的测量动态(其可以是约100g或更多)严格意义上大于第一传感器MEMS1的测量动态(其可以是约40g)。

为了利用第二传感器MEMS2相对于第一传感器MEMS1的更好的性能，规定：将第一集成电路MEMS1和第二集成电路MEMS2布置在平面印刷电路2上，使得第二传感器的单个测量轴线A平行于驻留在第一集成电路MEMS1的第一平面中的第一传感器MEMS1的两个测量轴线I、J中的一个。

因此，在图2和图3中，构成第一三轴传感器的第一集成电路MEMS1具有在第一平面中并与平面印刷电路2共面的两个测量轴线I、J以及垂直于印刷电路2的测量轴线K。构成第二单轴传感器的第二集成电路MEMS2具有在第二平面中也与平面印刷电路2共面的单个测量轴线A。两个集成电路MEMS1、MEMS2相对于彼此定向，以使第二集成电路MEMS2的单个测量轴线A与第一集成电路MEMS1的两个共面轴线I、J中的一个对准，这得到了分别在图2和图3中示出的两种可能的配置。在本说明书的其余部分中，“保留轴线(preserved axes)”将表示与第二集成电路MEMS2的单个测量轴线A不平行的第一集成电路MEMS1的测量轴线。

为了形成由工业加速度计1供应的测量值，由第一传感器MEMS1供应的沿着与单个测量轴线A平行的轴线I、J的信号被由第二传感器MEMS2供应的信号取代。换句话说，由工业加速度计1提供的测量值由来自第二传感器MEMS2的加速度信号和沿着第一传感器MEMS1的两个保留轴线的两个加速度信号构成。

以这种方式，利用了第二传感器MEMS2的改进的特性。加速度计1提供的沿着与第二传感器MEMS2的单个测量轴线A对应的直角三面体的轴线的加速度测量值自然更能代表真实加速度。优选地，加速度计1被放置在工业设备上以监视其振动，使得与第二传感器MEMS2的单个测量轴线A对应的直角三面体的轴线至少部分平行于待测量的加速度向量的主要分量。以这种方式，可以利用这三个轴线中的每个上可用的所有测量动态。

图2和图3中示出的两种配置使得当测量电子器件M被布置在壳体1a的同一刚性体中时，可以有其中第二传感器MEMS2的单个测量轴线A可分别定向在两个不同方向上(并且彼此垂直)的加速度计。以这种方式，可以为具有各种振动主轴线的工业机械配备具有相同形状因子的加速度计。

通过例示按照本发明的加速度计1的使用，图4示出了轴承的振动测量，该布置形成了机械E。这种测量的振动主轴线P垂直于这里与轴承上的安装表面垂直的轴的轴线。在该配置中，图2的布置使得第二传感器MEMS2的单个测量轴线A可以与振动主轴线P对准。当加速度计1包括如图4中所示的刚性管状壳体主体时，单个测量轴线可与管状主体的纵向轴线对准。图5示出了在限定该机械E'的振动主轴线P的主方向上平移移动的带或料斗的振动测量。在这种情况下，图3的布置使得第二传感器MEMS2的测量轴线A可以与该机械E'的振动主轴线P对准。当加速度计1包括如图5中所示的刚性管状壳体主体时，单个测量轴线可垂直于管状主体的纵向轴线。

注意的是，对于具有振动主轴线的机械，对在其他两个轴线上进行测量的需要是要求较低的：频率范围、动态和/或预期噪声水平可低于沿着主轴线的频率范围、动态和/或预期噪声水平。

当然，本发明不限于所描述的实施方式，并且在不脱离如权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可以添加变形形式。

Claims (11)

1.一种工业加速度计(1)，所述工业加速度计(1)能够提供沿着直角三面体的三个测量轴线的测量值，特别地，所述工业加速度计(1)用于工业机械(E，E')的振动监视，所述工业加速度计(1)包括布置在平面印刷电路(2)上的第一微机电集成电路(MEMS1)和第二微机电集成电路(MEMS2)；

-所述第一微机电集成电路(MEMS1)沿着第一平面延伸并构成能够供应沿着所述三个测量轴线(I，J，K)的加速度信号的第一三轴传感器，两个测量轴线(I，J)驻留在所述第一平面中；

-所述第二微机电集成电路(MEMS2)沿着第二平面延伸并构成能够供应沿着驻留在所述第二平面中的单个测量轴线(A)的加速度信号的第二单轴传感器；

-所述第一微机电集成电路(MEMS1)和所述第二微机电集成电路(MEMS2)布置在所述平面印刷电路(2)上，使得所述第二单轴传感器(MEMS2)的所述单个测量轴线(A)平行于驻留在所述第一三轴传感器(MEMS1)的所述第一平面中的所述两个测量轴线中的一个轴线(I；J)，其他两个轴线(J,K；I,K)被称为“保留轴线”，由所述工业加速度计(1)提供的所述测量值由来自所述第二单轴传感器(MEMS2)的加速度信号和沿着所述第一三轴传感器(MEMS1)的两个保留轴线(J,K；I,K)的两个加速度信号构成。

2.根据权利要求1所述的工业加速度计(1)，其中，所述第一微机电集成电路(MEMS1)和所述第二微机电集成电路(MEMS2)分别布置在所述平面印刷电路(2)的两个相对面上。

3.根据权利要求1所述的工业加速度计(1)，其中，所述第一微机电集成电路(MEMS1)和所述第二微机电集成电路(MEMS2)布置在所述平面印刷电路(2)的同一个面上。

4.根据前述权利要求中任一项所述的工业加速度计(1)，其中，所述平面印刷电路(2)布置在管状刚性体中。

5.根据前述权利要求中任一项所述的工业加速度计(1)，其中，所述平面印刷电路(2)连接到电连接器(1b)或整体电缆。

6.根据前述权利要求中任一项所述的工业加速度计(1)，其中，所述平面印刷电路(2)是刚性的。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的工业加速度计(1)，其中，所述平面印刷电路(2)是柔性的。

8.根据权利要求7所述的工业加速度计(1)，其中，所述平面印刷电路(2)还承载调节电路。

9.根据前述权利要求中任一项所述的工业加速度计(1)，其中，所述第二单轴传感器(MEMS2)具有与所述第一三轴传感器(MEMS1)的特性相比改进了的至少一种特性。

10.一种将根据前述权利要求中任一项所述的工业加速度计(1)用于具有振动主轴线(P)的工业机械(E)的振动监视的用途，所述用途包括：将所述工业加速度计(1)固定在所述工业机械(E)上，使得所述第二单轴传感器(MEMS2)的所述单个测量轴线(A)平行于所述工业机械的所述振动主轴线(P)。

11.一种系统，该系统包括具有振动主轴线(P)的工业机械(E)和固定到所述工业机械的根据权利要求1至9中任一项所述的工业加速度计(1)，所述第二单轴传感器(MEMS2)的所述单个测量轴线(A)平行于所述振动主轴线(P)。

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