基于蝶翼式MEMS 振動傳感器的軸承故障信號檢測方法

蒲金飛侯占強吳學忠*肖定邦曾承志陳偉琪李修文

(1.國防科技大學智能科學學院，湖南 長沙 410073；2. 唐智科技湖南發展有限公司，湖南 長沙 410007)

軸承被廣泛應用于航空航天、軌道交通、冶金、電力、礦山、機械、石油、煤炭、造紙等行業。 然而，軸承故障是旋轉機械最易發生故障的零件，軸承一旦出現故障，將影響整個機械的正常運行，因此，對軸承進行有效的狀態監測具有重要意義。

軸承在運轉過程中，其振動信號、聲發射信號、溫度信號中隱含了大量的狀態信息，其中振動信號應用最為廣泛[1]。 振動傳感器一般采用壓電式振動傳感方式或MEMS 振動傳感方式[2－3]，當前對基于振動信號的軸承故障診斷研究主要分二個方面，一是對振動信號處理技術的研究[4－5]，二是對振動傳感器的設計優化。 對于振動信號的處理主要包括對振動信號的時域分析、頻域分析、時頻分析等[6]。在時域內對振動信號進行濾波、放大、統計特征計算、相關性分析等處理，統稱為振動信號的時域分析，其中最大值、最小值、均值、標準差、有效值、方差等時域特征參數主要適用于穩態振動的情況[7]，而峭度指標等時域特征參數則主要適用于判斷沖擊類故障特征[8]。 振動頻域分析泛指通過振動傳感器獲取軸承的振動信號，經傅里葉變換處理后求出振動信號的幅值譜、功率譜、相位譜和倒譜等，然后與軸承的故障頻譜圖進行對比分析，從而判斷軸承是否存在故障以及故障的嚴重程度。 振動頻域分析需要根據頻譜幅值的大小來判斷故障的嚴重程度，受噪聲和背景干擾影響較大，對早期故障的診斷存在一定的局限性。 由于單一的時域分析和頻域分析均不能全面地表征故障信息，因此研究人員對振動信號的時頻分析方法進行了研究。 例如，Huang[9]將同步壓縮變換擴展到S 變換的時頻表示上，獲得了較好的時頻聚集性；由于同步壓縮變換及其擴展方法適用于由弱頻率調制模式組成的信號，為了分析強調頻模式的多分量信號，Oberlin[10]提出了一種基于相位近似的二階同步壓縮變換；Hu[11]提出的基于小波的高階同步壓縮變換和Pham[12]提出的基于短時傅里葉變換的高階同步壓縮變換，對低頻分量和高頻分量都能提供良好的時頻分辨率；Yu[13]將迭代重分配算子引入到同步壓縮變換中，提出了多同步壓縮變換，多次迭代重分配能量系數，讓信號的時頻表示更加聚集，獲得更加清晰的時頻表示；Yu和林凱[14－15]分別提出了基于短時傅里葉變換的二階多同步壓縮變換和基于S 的多同步壓縮變換。 傳統的時頻分析方法雖能比較全面地從振動信號中挖掘特征，但也受海森堡測不準原理及交叉項的影響。

本文提出了一種基于蝶翼式MEMS 振動傳感器的軸承故障信號檢測方法，在振動信號檢測環節實現對軸承故障信號的有效敏感，更加有利于后續數據信號處理，提高軸承故障檢測的有效性。

1 蝶翼式MEMS 振動傳感器與電子諧振器級聯的軸承故障信號檢測方法

基于蝶翼式MEMS 振動傳感器本身優異的機械諧振特性，在其后級聯一個電子諧振器形成兩級諧振系統，用于對軸承故障信號進行檢測，其原理框圖如圖1 所示。

圖1 軸承故障信號檢測方法原理框圖

軸承故障信號一般表現為幅值小、持續時間短、頻帶寬的振動信號，其時域表達式可表示為:

由于故障信號中含有豐富的頻率成分，一般都能激發傳感器自身的振動響應，其響應頻率總是等于傳感器自身的諧振頻率，并將故障信號幅度放大，此過程為第一級諧振過程。

受制造工藝的影響，傳感器的諧振頻率、品質因數等參數會存在一定程度的離散性，給故障信號的分析和精確診斷帶來影響。 考慮到電子諧振器與機械諧振系統具有等效性，且比機械諧振具有更好的可控性和可實現性，因此在傳感器機械諧振之后增加一個電子諧振器，用于對傳感器機械諧振的輸出信號進行歸一化、放大、降頻和濾波處理，把更高頻的機械諧振信號轉換為稍低頻的電子諧振信號，更加精確地控制諧振頻率、品質因數、帶寬并抑制低頻振動信號，此過程為第二級諧振過程。

對電子諧振器的輸出信號進行絕對值檢波和包絡解調后通過AD 采集實現數字化轉換，再由后級的故障診斷算法實現故障的定性和定量診斷。

為驗證所提方法的有效性，利用Tina 進行仿真。 仿真輸入信號由100 Hz 的故障信號和頻率分別為1 800 Hz、2 000 Hz 和500 Hz 的常規振動信號組成，仿真結果如圖2 所示。 由圖2 可知:蝶翼式MEMS 振動傳感器與電子諧振器級聯的軸承故障信號檢測方法實現了對故障信號的放大和常規振動信號的分離，對故障信號具有選擇性、對應性、比例性、放大性、展寬性和低頻性等特性，能夠對故障信號進行有效檢測。

圖2 軸承故障信號檢測方法仿真

該方法中，蝶翼式MEMS 振動傳感器和電子諧振器的設計是關鍵。 其中，蝶翼式MEMS 振動傳感器設計的基本原則為:諧振頻率要遠高于被檢測軸承故障信號的頻率，并高于電子諧振器的中心頻率，品質因數Q 應不小于10；電子諧振器設計的基本原則為:電子諧振器的中心頻率要遠高于被檢測軸承的最高旋轉頻率，品質因數Q 應不小于5，通帶波動應小于等于1 dB，帶外衰減應大于30 dB/oct。

2 蝶翼式MEMS 振動傳感器設計與加工

2.1 雙扭擺全差分敏感結構

敏感結構由硅敏感結構和玻璃基板組成，硅敏感結構采用四質量塊雙扭擺全差分結構[16]，在玻璃基板上制作檢測電極，檢測電極與質量塊之間形成檢測電容，如圖3(a)所示。 錨點和扭轉梁內置于質量塊內，將可用面積最大限度地用來構成質量塊與檢測電極之間的檢測電容面積，使敏感結構更加緊湊的同時有助于進一步提升敏感結構的靈敏度；應力釋放結構有助于釋放結構應力，從而降低結構應力對敏感結構性能的影響，進一步提升工作穩定性。

圖3 敏感結構及其工作原理示意圖

當外界存在加速度作用時，在慣性力的作用下，兩對非平衡質量塊繞扭轉梁做反向扭擺運動，使檢測電容極板之間的距離發生變化，進而引起檢測電容發生變化，敏感結構的工作原理示意圖如圖3(b)所示。 通過電容檢測電路檢測出電容量在加速度作用下的變化，并建立該電容量變化與加速度之間的關系，即可實現對加速度的檢測。 加速度a、非平衡質量塊的扭轉角度φ與檢測電容變化量ΔC之間的具有如下關系:

利用COMSOL 軟件對敏感結構的模態進行仿真并利用示波器對蝶翼式MEMS 振動傳感器的諧振頻率進行測試，仿真及測試結果如圖4 所示。

圖4 模態仿真及諧振頻率測試

由圖4 可知:敏感結構的三階模態為其工作模態，對應的模態頻率為15.342 kHz；4 只被測傳感器的諧振頻率最小為15.24 kHz，最大為15. 69 kHz，實際測試結果與模態仿真結果相近。

2.2 開關電容放大檢測電路

基于載波調制和開關解調原理，設計了開關電容放大檢測電路，用于實現電容C到電壓V的轉換。 開關電容放大檢測電路的原理框圖如圖5 所示。

圖5 開關電容放大檢測電路原理框圖

C/V 轉換的輸出vq(t)與檢測電容變化量ΔCi(i＝1，2，3，4)的關系為:

結合蝶翼式MEMS 振動傳感器的敏感結構對開關電容放大檢測電路進行頻率響應測試，測試結果如圖6 所示。

圖6 開關電容放大檢測電路頻率響應測試

由圖6 可知:開關電容放大檢測電路在0～8 kHz 范圍內其輸出偏差小于±2%，在0～10 kHz 范圍內其輸出偏差小于±4%。

2.3 加速度計加工封裝

蝶翼式MEMS 振動傳感器的敏感結構在結構上從下至上依次為電極基板、硅敏感結構和封裝蓋帽，如圖7(a)所示。 電極基板和硅敏感結構均采用基于SOI 硅圓片的深反應離子干法刻蝕技術加工得到，兩者通過“硅－硅”低應力陽極鍵合技術實現固連，最后通過玻璃漿料鍵合技術與封裝蓋帽進行圓片級真空封裝，其加工工藝流程如圖7(b)所示，加工得到的敏感結構芯片如圖7(c)所示。

圖7 敏感結構結構組成、加工工藝流程及芯片實物

蝶翼式MEMS 加速度計的封裝結構由陶瓷管殼、應力隔離結構、敏感結構芯片和ASIC 芯片組成，如圖8(a)所示。 應力隔離結構用于降低敏感結構芯片與陶瓷管殼直接接觸時因熱彈性系數不同引起的熱應力水平。 在完成ASIC 芯片和敏感結構芯片制備的基礎上，本文采用DRIE 工藝實現應力隔離結構的刻蝕釋放，最后實現敏感結構芯片、應力隔離結構、ASIC 芯片和陶瓷管殼的低應力互連，加速度計的封裝實物如圖8(b)所示。

圖8 加速度計封裝結構及實物

3 電子諧振器設計

電子諧振器具有帶通濾波器結構， 利用MAX275 連續時間有源濾波器芯片來實現，它由兩組獨立可級聯的濾波單元組成，每組通過外部配置四個電阻實現四階全極點帶通或低通濾波器響應，中心頻率范圍可達到300 kHz，具有高頻率精度、低噪聲、外圍電路簡單、參數調整方便等優點。

基于上文提到的電子諧振器設計的基本原則，本文將MAX275 的兩組4 階濾波器級聯組成一個8階電子諧振器，其電路仿真模型如圖9 所示。

圖9 所示電路仿真模型的外圍元器件參數計算公式如下:

式(4)～式(8)中，F0為中心頻率，Q為品質因數，G為諧振峰值增益。

利用Tina 對圖9 的電路仿真模型進行仿真并采用掃頻儀對電子諧振器進行掃頻測試，仿真及測試結果如圖10 所示。

圖9 電子諧振器的電路仿真模型

由圖10 可知:仿真得到電子諧振器的中心頻率為12.5 kHz，諧振峰值增益為11.07 dB，帶內波動為0.99 dB，帶外衰減為35.48 dB/oct；掃頻測試得到電子諧振器的中心頻率為12.1 kHz，諧振峰值增益為10.95 dB， 帶 內 波 動 為0. 93 dB， 帶 外 衰 減 為37.36 dB/oct，實際測試結果與仿真結果相近。

圖10 電子諧振器仿真及測試

4 應用驗證

利用存在外環故障的軸承，在軸承試驗機上驗證蝶翼式MEMS 振動傳感器與電子諧振器的級聯系統檢測軸承故障信號的有效性，驗證平臺和軸承故障如圖11 所示。

圖11 驗證平臺和軸承故障

故障軸承的軸承參數如表1 所示。

表1 故障軸承參數

驗證方案如下:

①由軸承試驗機為故障軸承提供載荷和轉速，蝶翼式MEMS 振動傳感器提供一級諧振，高速采集儀中的電子諧振器提供二級諧振；

②分別在關閉和開啟電子諧振器的情況下，由高速采集儀以100 k sample/s 進行數據采集，再利用MATLAB 對采集的數據進行時域和頻域分析，對比一級諧振系統(僅利用蝶翼式MEMS 振動傳感器的機械諧振)和蝶翼式MEMS 振動傳感器與電子諧振器的級聯系統對軸承故障信號的檢測效果。

驗證所采用的轉速為439 r/min，通過計算得到外環故障理論頻率為52.68 Hz。

在不開啟和開啟電子諧振器的情況下，軸承故障信號的時域波形和頻譜圖如圖12 所示。

圖12 時域波形和頻譜圖

由圖12 可知:在不開啟電子諧振器的情況下(僅利用蝶翼式MEMS 振動傳感器的機械諧振)，從時域波形看不到明顯的軸承故障信號，頻譜圖中在蝶翼式MEMS 振動傳感器的諧振頻率附近能量較突出，但外環故障的頻域特征不明顯；在開啟電子諧振器的情況下(同時利用蝶翼式MEMS 振動傳感器的機械諧振和電子諧振器的電子諧振)，從時域波形可以看到明顯的軸承故障信號，頻譜圖中軸承外環故障的1～10 階頻譜突出，頻域特征非常明顯。

驗證結果表明:本文提出的蝶翼式MEMS 振動傳感器與電子諧振器級聯的軸承故障信號檢測能夠有效地濾除無用的振動信號(噪聲)、放大有用的故障信號，大幅提高了信噪比，可有效地提取軸承故障信號。

5 結論

①本文提出了一種基于蝶翼式MEMS 振動傳感器的軸承故障信號檢測方法，在振動信號檢測環節實現對軸承故障信號的有效敏感，更加有利于后續數據信號處理，提高軸承故障檢測的有效性。

②仿真和測試表明，所設計的敏感結構諧振頻率大于15 kHz，開關電容放大檢測電路在0～8 kHz范圍內其輸出偏差小于±2%，在0～10 kHz 范圍內其輸出偏差小于±4%。

③采用掃頻儀掃頻測試，所設計的電子諧振器中心頻率為12.1 kHz，諧振峰值增益為10. 95 dB，帶寬為2.803 kHz，帶內波動為0.93 dB，帶外衰減為37.36 dB/oct，實際測試結果與仿真結果相近。

④在軸承試驗機上利用外環故障軸承對基于蝶翼式MEMS 振動傳感器的軸承故障信號檢測方法進行了應用驗證，結果表明該方法能夠對軸承故障信號進行有效檢測。