傳感器技術在物聯網的關鍵功能主要有哪些？

傳感器技術在物聯網的關鍵功能主要有哪些？

      眾所周知，過程監控和基于狀態的預見性維護是一種行之有效的避免生產率損失的方法，但這種方法的復雜性與其價值不相上下?，F有方法存在局限性，特別是涉及到分析振動數據（無論以何種方式獲得）和確定誤差源時。

      典型數據采集方法包括安裝在機器上的簡單壓電傳感器和手持式數據采集工具等。這些方法存在多種局限性，特別是與理想的檢測與分析系統解決方案相比較，后者可以嵌入機器上或機器中，并能自治工作。下面深入討論這些局限性及其與理想解決方案——自治無線嵌入式傳感器——的對比。對完全嵌入式自治檢測元件的復雜系統目標的選項分析可以分為十個不同方面，包括實現高重復度的測量、精確評估采集到的數據、適當的文檔記錄和可追溯性等，下面將對各方面進行說明并探討可用方法與理想方法。

精確且可重復的測量

      現有手持式振動探頭在實現方法上具備一些優勢，包括不需要對終端設備做任何修改，而且其集成度相對較高，尺寸較大，可提供充足的處理能力和存儲空間。然而，它的一個主要局限是測量結果不可重復。探頭位置或角度稍有改變，就會產生不一致的振動剖面，從而難以進行精確的時間比較。因此，維護技術人員首先需要弄清所觀察到的振動偏移是由機器內部的實際變化所致，還是因為測量技術的變化所致。理想情況下，傳感器應當結構緊湊并且充分集成，能夠直接長久性地嵌入目標設備內部，從而消除測量位置偏移問題，并且可以完全靈活地安排測量時間。

測量的頻率和時間安排

      在高價值設備的生產設施中，例如制造敏感電子器件時，過程監控極為有益。這種情況下，裝配線的微小偏移可能導致工廠生產率下降，而且可能使設備的關鍵規格發生偏移。手持式探頭方法的另一個明顯的局限是無法實時指出有問題的振動偏移。多數壓電傳感器同樣如此，其集成度一般非常低（某些情況下有一個傳感器），需要將數據傳送到其它地方進行分析。這些器件需要外部干預，因此可能會錯過一些事件和振動偏移。自治傳感器處理系統則不然，它內置傳感器、分析、存儲和報警功能，同時仍然小到足以嵌入設備中，能夠在一時間告知振動偏移，并且很好地顯示基于時間的狀態趨勢。  

了解數據

      上述嵌入式傳感器發出實時通知的構想，只有采用頻域分析才能實現。通常，任何設備都有多種振動源，如軸承缺陷、不平衡和齒輪嚙合等，此外還有設計帶來的振動源，例如鉆孔機或壓制機在正常工作過程中產生的振動?；跁r間的分析會產生一個綜合所有這些振動源的復雜波形，在進行FFT分析之前，它提供的信息難以辨別。多數壓電傳感器解決方案依賴外部FFT計算和分析。這使得實時通知毫無可能，而且將大部分額外設計工作推給了設備開發商。但是，如果傳感器內嵌FFT分析功能，就能即時確定振動偏移的具體來源。這樣一種完全集成的傳感器元件還能縮短設備開發商6到12個月的開發時間，因為它功能完備、簡單有效、自治工作。  

數據訪問和傳輸

      嵌入式檢測能夠完美地提供精確實時的趨勢數據，但這并不會提高向遠程過程控制器或操作員傳輸數據的復雜性。嵌入式FFT分析的前提顯然也是模擬傳感器數據已經過調理并轉換為數字數據，以便簡化數據傳輸。事實上，目前使用的多數振動傳感器解決方案提供模擬輸出，導致信號質量在傳輸過程中降低，更不用說離線數據分析的復雜性（上文已討論）?？紤]到要求振動監控的多數工業設備往往存在于高噪聲、運動、無法接近、甚至危險的環境中，因此業界迫切希望降低接口線纜的復雜性，并且同樣在源端執行盡可能多的數據分析工作，以便捕捉到盡可能準確的設備振動狀態信息。具有無線傳輸能力的傳感器節點有利于立即訪問，而且可簡化傳感器網絡的部署并降低成本。 

數據方向性

      現有的許多傳感器解決方案是單軸壓電傳感器。這些傳感器不提供方向信息，因而會限制我們對設備振動剖面的了解。缺乏方向性導致需要噪聲非常低的傳感器以便提供所需的分辨能力，這又會影響成本。多軸MEMS傳感器則不同，如果各軸精密對準，確定振動源的能力將大幅提高，同時也有助于降低成本。 

傳感器的位置和分布

      設備的振動剖面非常復雜，隨時間而變化，并且還會因設備材料和位置不同而有所差異。確定在哪里放置傳感器當然非常重要，其主要決定因素是設備類型、環境和設備的壽命周期。采用現有的高成本傳感器元件時，探測點限于幾個或一個，這個問題顯得更加重要。這會導致前期開發時間延長，因為需要通過反復實驗來確定位置。但在大多數情況下，其后果是采集的數據量和數據質量會受到影響。幸運的是，現在已有集成度更高而成本大幅降低的傳感器探頭可用，每個系統可以放置多個探頭，從而縮短前期開發時間和成本，或者使用數量更少、成本更低的探頭就能滿足要求。 

適應壽命周期變化

      手持式監控系統方法可以根據時間變化（周期、數據量等）進行調整，而要在嵌入式傳感器中提供同樣的基于壽命周期的調整，必須在前期設計和部署階段就給予關注，實現所需的可調整功能。無論采用何種技術，傳感器元件都是很重要的，但更重要的是傳感器周圍的信號調理和處理電路。信號/傳感器調理和處理取決于具體的設備，而且取決于設備的壽命周期。這在傳感器設計中涉及到多種重要考慮因素。首先，模數轉換處理盡早進行（在傳感器頭部，而不是在設備之外），以便支持系統內配置和調整。理想的傳感器應提供一個簡單的可編程接口，通過快速基線數據采集來簡化設備設置、濾波操作、報警編程和不同傳感器位置的試驗。對于現有的簡單傳感器，即使它們可以在設備設置時進行配置，但傳感器設置仍然必須做出一些付出，以便適應設備在整個壽命期間的維護重點的變化。例如，傳感器應針對設備故障可能性較小的早期階段進行配置，還是針對故障可能性較大且更具危害性的晚期階段進行配置使用可在系統內編程的傳感器，以便隨著壽命周期的變化而調整配置。例如，早期的監控相對比較稀疏，功耗低；觀察到變化（警告閾值）后，重新配置為頻繁監控模式（監控周期由用戶設置）；除了連續監控以外，還根據用戶設置的報警閾值提供中斷驅動的通知。 

性能變化/趨勢的識別

      傳感器適應設備壽命周期中的變化，在一定程度上取決于對基線設備響應的了解。利用簡單的模擬傳感器就能獲得基線設備響應，即讓操作人員進行測量，執行離線分析，并將此數據與適當的標志一起離線存儲在特定設備和探頭位置上。更好且更不易出錯的方法是將基線FFT存儲在傳感器頭部，這樣數據永遠不會誤放?；€數據還有助于確定報警電平，該值也是直接在傳感器上編程設置，以便在隨后的數據分析和采集中，如果檢測到警告或故障條件，可以產生實時中斷。 

數據可追溯性和文檔記錄

      在工廠環境中，一個適用的振動分析程序可能要監控數十甚至數百個位置，無論是通過手持式探頭還是通過嵌入式傳感器。在一臺設備的整個壽命周期中，可能需要獲得成千上萬條記錄。預見性維護程序的完整性取決于傳感器采集點的位置和時間的適當映射。為將風險降低，以及獲得有價值的數據，傳感器應具有序列號和嵌入式存儲器，并且能夠給數據添加時間戳。 

可靠性

      現有針對過程控制和預見性維護相關的傳感器振動監控方法的改善之道。就容錯和監控而言，還應當細致審查傳感器本身。如果傳感器發生故障（性能變化），而不是設備發生故障，該怎么辦呢？或者，如果采用完全自治工作的傳感器（即上文所述的理想方法），我們對傳感器持續正常工作能有多大信心呢？對于許多現有傳感器，如壓電傳感器等，這種情況確實會造成嚴重的限制，因為它們無法提供任何系統內自測功能。隨著時間的推移，必然會對所記錄數據的一致性缺乏信心。在設備壽命晚期的關鍵監控階段，實時故障通知在時間、成本和安全上都具有十分重要的意義，傳感器是否仍然正常工作必然是關注的重點。高可信度過程控制程序的基本要求是能夠對傳感器進行遠程自測。幸運的是，一些基于MEMS的傳感器可以做到這一點。嵌入式數字自測能力就此填補了可靠振動監控系統的空白。