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微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)在工業(yè)建筑、爆破等眾多行業(yè)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備中大量使用。Instantel最近完成了大量的測(cè)試，將目前的MEMS加速度計(jì)與傳統(tǒng)的電磁線圈檢波器進(jìn)行了比較。

1  爆破會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)

振動(dòng)校正誤差

Vibration Rectification Error (VRE)

在MEMS制造過(guò)程中不可避免的非線性和不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致了一種現(xiàn)象，稱(chēng)為振動(dòng)校正誤差（VRE），如圖1所示。VRE在MEMS加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)中產(chǎn)生一個(gè)非常低的頻率偏移（數(shù)據(jù)不再居中）。  當(dāng)更高頻率的均方根（RMS）包絡(luò)的振幅增加時(shí)，偏移的幅度也增加。 當(dāng)頻率和振幅內(nèi)容從一個(gè)位置和應(yīng)用到另一個(gè)位置和應(yīng)用時(shí)，VRE也會(huì)發(fā)生變化，使其不一致和不可預(yù)測(cè)。 加速度數(shù)據(jù)中的偏移都會(huì)在最終的速度信號(hào)中產(chǎn)生誤差。對(duì)于正偏移，這個(gè)誤差表現(xiàn)為漸增的斜率，對(duì)于負(fù)偏移，這個(gè)誤差表現(xiàn)為漸減的斜率。 由于大多數(shù)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的是速度，這個(gè)誤差可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生巨大的影響。 這可以在圖1中清楚地看到，其顯示由MEMS加速度計(jì)和電磁檢波器記錄的相同振動(dòng)事件的結(jié)果。

測(cè)試結(jié)論

• 在恢復(fù)之前，MEMS加速度計(jì)在各通道上都報(bào)告了振幅和無(wú)效數(shù)據(jù)。

• 電磁檢波器記錄了信號(hào)數(shù)據(jù)，沒(méi)有丟失數(shù)據(jù)。

高頻和MEMS性能限制

在工業(yè)和建筑應(yīng)用中的主要振動(dòng)來(lái)源是重型設(shè)備，以及沖擊性工具，比如電鉆、打樁機(jī)、鋤頭和炸藥。 這些振動(dòng)可以是單個(gè)的，也可以是頻率為幾kHz的一系列脈沖。與電磁檢波器相比，MEMS加速度計(jì)天然容易受到這些高頻信號(hào)的影響，并且會(huì)用錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)對(duì)其響應(yīng)。

500Hz以上的頻率超出了大多數(shù)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的限制，應(yīng)該忽略，以防止它們對(duì)最終振動(dòng)結(jié)果產(chǎn)生影響。電磁檢波器和標(biāo)準(zhǔn)濾波器設(shè)計(jì)可以輕松去除500+ Hz的信號(hào)。然而對(duì)于MEMS加速度計(jì)，高于監(jiān)測(cè)頻率的振動(dòng)可能會(huì)引入干擾和測(cè)量誤差。其原因主要是由加速度轉(zhuǎn)換為速度幅值（積分），自諧振頻率和不恰當(dāng)?shù)臑V波器滾降，進(jìn)而衰減了高頻組分。有些誤差是MEMS加速度計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)固有的，因此是不可避免的。

這些高頻的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致MEMS加速度計(jì)超出其工作限。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，它總是產(chǎn)生不可靠的數(shù)據(jù)。一旦振動(dòng)回到MEMS加速度計(jì)的工作范圍內(nèi)，由于監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的濾波器特性，速度輸出需要幾秒鐘才能穩(wěn)定并恢復(fù)（見(jiàn)圖2a）。

不幸的是，在此期間所有MEMS數(shù)據(jù)都是無(wú)效的。由于來(lái)自電鉆、打樁、液壓錘、爆破等類(lèi)似振動(dòng)源的振動(dòng)往往小于1 ~ 2秒，其振動(dòng)數(shù)據(jù)的大部分可能報(bào)不準(zhǔn)確或漏報(bào)。為了在實(shí)驗(yàn)室中模擬如此高的頻率，我們將一個(gè)MEMS加速度計(jì)和一個(gè)電磁檢波器連接到一個(gè)預(yù)制混凝土模型上，并使用一個(gè)固定的錘擊夾具，以產(chǎn)生一個(gè)頻率可與基巖上的工業(yè)手提鉆或液壓錘相媲美的信號(hào)。圖2a顯示了超出MEMS振幅范圍的事件數(shù)據(jù)。MEMS加速度計(jì)需要4秒才能恢復(fù)。 在這4秒期間，數(shù)據(jù)被記錄了下來(lái)，但是是無(wú)效的。實(shí)際上相當(dāng)于丟失了4秒的事件數(shù)據(jù)。圖2b顯示了電磁檢波器記錄的相同的事件數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確地記錄了整個(gè)事件時(shí)間段的事件數(shù)據(jù)。

測(cè)試結(jié)論

• 基于MEMS的系統(tǒng)在恢復(fù)階段沒(méi)有準(zhǔn)確記錄振動(dòng)波形和畸變數(shù)據(jù)。

• 電磁檢波器在整個(gè)觀測(cè)窗口內(nèi)準(zhǔn)確記錄了振動(dòng)波形，沒(méi)有丟失數(shù)據(jù)。

混疊

混疊是一種可能導(dǎo)致不同信號(hào)變得無(wú)法區(qū)分的現(xiàn)象。當(dāng)不需要的高頻信號(hào)扭曲了感興趣的頻率，干擾了采集數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)發(fā)生混疊?；殳B尤其會(huì)發(fā)生在高頻信號(hào)采樣率不夠高時(shí)。在MEMS加速度計(jì)和電磁檢波器中都可能會(huì)發(fā)生混疊，然而對(duì)于相同的地面運(yùn)動(dòng)，電磁線圈固有地在高頻下產(chǎn)生比MEMS更低的振幅。 這使得MEMS加速度計(jì)更容易受到高頻失真的影響，監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)需要考慮到這一點(diǎn)。MEMS加速度計(jì)需要以更高的采樣率進(jìn)行采樣，以獲得與電磁檢波器相同的數(shù)據(jù)完整性。

噪聲和噪聲基底

噪聲基底是監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)的一個(gè)重要因素。它可以被描述為實(shí)際信號(hào)與無(wú)信號(hào)難以區(qū)分的值。MEMS加速度計(jì)的一個(gè)缺點(diǎn)是，由于質(zhì)量小，它們天生更容易受到內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲的影響。另一個(gè)因素是MEMS加速度計(jì)是集成電子的有源元件，而電磁檢波器是無(wú)源元件。在實(shí)驗(yàn)室里，我們測(cè)量了一個(gè)MEMS的低頻成分，它在時(shí)域“漂移”。觀察標(biāo)準(zhǔn)差并求其均方根（RMS）水平，表明噪聲信號(hào)超過(guò)振動(dòng)閾值的概率高得令人無(wú)法接受。這意味著當(dāng)需要低觸發(fā)水平時(shí)，由MEMS加速度計(jì)的固有設(shè)計(jì)產(chǎn)生的噪聲（它不是事件的真實(shí)組成部分）可以隨機(jī)產(chǎn)生誤觸發(fā)。電磁檢波器的設(shè)計(jì)大大降低了噪聲基底產(chǎn)生誤觸發(fā)的可能性。

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備驗(yàn)證符合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和振動(dòng)限制。這些限制保護(hù)了人員、建筑和資產(chǎn)安全。準(zhǔn)確記錄和報(bào)告數(shù)據(jù)對(duì)承包商和業(yè)主來(lái)說(shuō)都是重要的，以確保經(jīng)得起法律審查。

在大多數(shù)項(xiàng)目中，業(yè)主、設(shè)計(jì)師、市政部門(mén)等將指定要監(jiān)測(cè)的頻率范圍，振動(dòng)限制不得超過(guò)。他們還將規(guī)定測(cè)量設(shè)備必須滿足的具體標(biāo)準(zhǔn)。其中兩個(gè)與設(shè)備性能相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際炸藥工程師學(xué)會(huì)的爆破地震儀性能規(guī)范（ISEE-2017）和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)（DIN 45669）。宣布符合這些標(biāo)準(zhǔn)意味著該標(biāo)準(zhǔn)的所有方面，包括振幅范圍、頻率范圍、允許的大內(nèi)部噪聲、線性度、相位響應(yīng)和校準(zhǔn)要求都得到滿足。

例如，ISEE性能規(guī)范要求振幅范圍達(dá)到254mm/s，頻率響應(yīng)為2至250Hz。為了滿足ISEE的性能要求，這需要MEMS加速度計(jì)能夠可靠地測(cè)量高達(dá)40.7g的加速度。僅僅使用2、4或8g MEMS加速度計(jì)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀根本無(wú)法滿足ISEE的性能規(guī)范。

結(jié)論

我們的測(cè)試和分析表明，MEMS加速度計(jì)會(huì)產(chǎn)生與所記錄振動(dòng)的頻率和振幅內(nèi)容直接相關(guān)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

高頻會(huì)影響MEMS加速度計(jì)所報(bào)告的振動(dòng)水平的準(zhǔn)確性。由于不可能預(yù)測(cè)項(xiàng)目將產(chǎn)生的準(zhǔn)確頻率和振幅內(nèi)容，因此這種不確定性會(huì)影響記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室觀察到當(dāng)使用MEMS加速度計(jì)時(shí)，高頻是數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的一個(gè)重要影響因素。

雖然MEMS加速度計(jì)的安裝靈活性吸引了人們的注意，但在某些情況下，它們顯然不如電磁線圈檢波器可靠。我們認(rèn)為，這些好處不會(huì)比記錄不準(zhǔn)確或虛假數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)更重要，而這些風(fēng)險(xiǎn)可能導(dǎo)致罰款、項(xiàng)目延遲或關(guān)閉，或因不遵守振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)或監(jiān)管限制而引發(fā)訴訟。