Créer un système de capteur de vibrations MEMS pour une surveillance liée à l'état dans les applications industrielles

Tous les composants d'une machine industrielle finissent tôt ou tard par présenter une défaillance, que l'origine de celle-ci soit un défaut de fabrication ou une accumulation de débris, la détérioration de pièces internes ou simplement l'usure. En raison du développement des lignes industrielles automatisées, les opérateurs en usine sont confrontés à un cycle en apparence interminable de maintenance et de réparation pouvant entraîner l'arrêt de la ligne, en particulier lorsque des défauts non détectés sur des machines se transforment en défaillances catastrophiques.

Au lieu de faire face à des défaillances imprévues de l'équipement ou de subir des temps d'arrêt inutiles à cause d'une opération de maintenance injustifiée, les opérateurs en usine peuvent utiliser des indicateurs CBM (surveillance liée à l'état) afin de planifier plus efficacement les entretiens et réparations, bien avant que l'équipement n'atteigne un état de fonctionnement critique. La capacité à surveiller l'état de fonctionnement d'une machine peut se traduire par d'importantes économies dans un environnement industriel. En détectant les états qui précèdent généralement une défaillance de l'équipement, les ingénieurs industriels peuvent réparer une machine avant qu'elle ne tombe en panne.

Pour la mise en œuvre de la surveillance liée à l'état, cependant, la nature des états devant être surveillés peut varier, exigeant des développeurs qu'ils élaborent des chaînes précises de signaux de capteur qui correspondent à ses besoins spécifiques.

Cet article traite des exigences de mise en œuvre de la surveillance liée à l'état pour un équipement industriel et indique aux développeurs la manière de concevoir des chaînes de signaux capables de satisfaire à ces exigences en utilisant une combinaison de dispositifs d'Analog Devices.

Analyse des vibrations

Parmi les méthodes CBM sous-jacentes, l'analyse des vibrations est devenue la principale technique afin d'évaluer l'état de fonctionnement d'une machine et de ses pièces mobiles. Selon cette approche, les ingénieurs industriels analysent les mesures de vibrations afin d'identifier des tendances indiquant un déséquilibre, un désalignement ou un endommagement des rotors, des engrenages, des roulements ou de toute autre interface mécanique entre des composants de la machine. À titre d'exemple, des schémas répétés de vibrations à amplitude élevée peuvent être le signe de chocs mécaniques dus à l'endommagement ou à l'usure des embrayages, des engrenages, des roulements, des chemins de roulement ou de toute autre surface de contact de la machine.

Néanmoins, au-delà de cette mesure des vibrations dans le domaine temporel, une mesure dans le domaine fréquentiel à l'aide d'une analyse FFT (transformation de Fourier rapide) peut fournir encore plus de détails concernant l'état de la machine. Bien que les calculs FFT utilisés pour générer cette analyse dans le domaine fréquentiel nécessitent davantage de puissance informatique, le résultat en vaut largement la peine. Grâce à cette approche, des ingénieurs expérimentés ont découvert plusieurs indicateurs fiables, liés aux fréquences, de défaillances telles que le déséquilibre, le désalignement, le jeu et les défauts des roulements, entre autres (Figure 1).

Figure 1 : En mesurant l'amplitude absolue et relative des pics dans le domaine fréquentiel, les ingénieurs industriels peuvent déduire un large éventail de problèmes actuels et potentiels rencontrés par la machine, d'un déséquilibre d'une pièce de la machine à des défaillances de roulement. (Source de l'image : Analog Devices)

Parmi ces indicateurs, des changements dans la fréquence fondamentale, également appelée composante 1x, relatifs à son harmonique et à ses précédentes mesures 1x de référence peuvent indiquer un déséquilibre dans la machine, qui se traduit par un signal dont l'amplitude est proportionnelle au carré du taux de rotation, et dont la fréquence correspond à la fréquence de rotation et de résonance de la machine. En revanche, des désalignements ou du jeu entre des pièces d'une machine entraînent une augmentation des caractéristiques dans le premier harmonique, également appelée composante 2x, et même dans des composantes de fréquence atteignant 10x. De même, des pièces internes déséquilibrées, mal alignées ou endommagées, telles que les engrenages, entraînent des pics plus élevés à des fréquences correspondant à leur propre taux de rotation et à leur nombre de dents.

Les indicateurs de défaillance peuvent devenir relativement complexes, notamment pour les roulements enfoncés dans des chemins dans une machine. Lorsque les roulements se déplacent sur leur chemin, ils génèrent un signal caractéristique à une fréquence appelée BSF (Ball Spin Frequency), contenue dans une enveloppe liée à la fréquence FTF (Fundamental Train Frequency) du chemin de roulement, le rythme auquel la cage de roulement circule sur le roulement. Des roulements ou chemins défectueux entraînent une amplitude relativement plus élevée pour la fréquence BSF, avec pour conséquence une série de vibrations de faible amplitude modulées par la fréquence FTF (Figure 2).

Figure 2 : Les signatures vibratoires associées aux défauts de la machine peuvent varier de pics facilement reconnaissables à la fréquence fondamentale et quelques harmoniques, à des signatures complexes pour les défauts de roulements qui modulent les impulsions à la fréquence BSF avec un signal d'enveloppe lié à la fréquence FTF du chemin de roulement. (Source de l'image : Analog Devices)

La signature de domaine fréquentiel des défauts de roulements qui en résulte peut s'avérer assez complexe, apparaissant comme une augmentation générale des composants de faible amplitude répartie sur une large bande haute fréquence (voir le côté droit de la Figure 1).

En dépit de l'apparente complexité des signatures du domaine fréquentiel, des ingénieurs industriels ont développé un catalogue complet de méthodes d'analyse et d'indicateurs détaillés afin de diagnostiquer les défauts s'étendant des déséquilibres et désalignements à des problèmes plus subtils liés aux roulements.

Les méthodes d'analyse et de mesure des vibrations continuent de se perfectionner en raison d'une demande et d'une disponibilité accrues de solutions plus efficaces. Par le passé, les ingénieurs utilisaient généralement des accéléromètres portables équipés d'enregistreurs de données portatifs afin d'enregistrer des tendances destinées à une analyse hors ligne ultérieure.

Le passage à l'automatisation de l'Industrie 4.0 et le recours accru aux machines automatisées a rendu obsolètes les méthodes manuelles. Grâce à la disponibilité de dispositifs à semi-conducteurs plus avancés, les applications CBM sont de plus en plus basées sur des dispositifs de mesure des vibrations directement fixés à des machines essentielles afin de fournir une surveillance continue.

Exigences de mesure des vibrations

Comme pour toute application d'acquisition de signaux de capteur, les dispositifs de mesure des vibrations pour CBM s'appuient sur une topologie familière de chaîne de signaux comprenant un capteur, un étage de mise en forme des signaux, un convertisseur analogique-numérique (CAN) et un processeur (Figure 3).

Figure 3 : Systèmes de détection des vibrations utilisant une topologie familière qui associe une chaîne de signaux, comprenant un capteur, un filtre passe-bas (LPF), un amplificateur opérationnel et un convertisseur CAN, à un processeur et des dispositifs de support. (Source de l'image : Analog Devices)

Afin de prendre en charge le type d'analyses dans le domaine fréquentiel mentionné précédemment, les spécifications de cette chaîne de signaux de vibrations diffèrent généralement considérablement des chaînes de signaux utilisées pour la détection de mouvement dans des dispositifs grand public.

Une différence majeure entre les applications industrielles et grand public réside dans leurs besoins en bande passante pour le capteur de vibrations. Comme indiqué précédemment, les indicateurs de défauts présents dans les machines peuvent apparaître dans les harmoniques qui correspondent à 5 fois voire 10 fois la fréquence fondamentale ou de façon générale sur une bande de fréquence encore plus élevée. Les machines industrielles fonctionnent habituellement à des centaines, voire des milliers de tours par minute (tr/min) ; une machine fonctionnant donc à 1000 tr/min peut nécessiter un capteur de vibrations accompagné d'une bande passante de 5 kilohertz (kHz) ou plus afin de capturer des pics à des fréquences associées à des défauts de roulement ou à des désalignements. De la même façon, une large bande passante est nécessaire à la capture des signaux associés à des roulements fonctionnant à des plages BSF supérieures.

Le rendement seul d'une large bande passante peut être insuffisant pour capturer des signatures de défaut plus subtiles associées à de légers déséquilibres, désalignements ou problèmes liés à des chemins de roulement ou aux roulements eux-mêmes. Bien que de faible amplitude, la source de ces signaux peut indiquer des problèmes émergents voire des défaillances imminentes dans le cas de problèmes liés aux roulements. Par conséquent, les dispositifs de mesure des vibrations CBM nécessitent également un fonctionnement avec un seuil de bruit faible et une résolution suffisante pour isoler les signaux de faible amplitude associés à ces défauts.

Capteurs MEMS (microsystèmes électromécaniques)

Bien que des accéléromètres piézoélectriques aient fréquemment été utilisés dans les applications industrielles par le passé, les capteurs MEMS se sont récemment révélés être une solution efficace. Fabriquées sur un substrat silicium, ces structures en polysilicium sont basées sur des cellules comprenant une plaque mobile entre deux plaques fixes (Figure 4).

Figure 4 : Fabriqué à l'aide des technologies conventionnelles de processus à semi-conducteurs, un capteur MEMS intègre des cellules de plaques fixes et mobiles qui dévient en réponse à l'accélération, entraînant un changement dans la capacité des cellules. (Source de l'image : Analog Devices)

Lorsqu'une accélération entraîne une déviation de la plaque mobile par rapport aux plaques fixes, la capacité différentielle change, produisant une sortie de capteur proportionnelle à l'accélération.

Même avec leurs petites déviations, les capteurs de vibrations MEMS avancés prennent en charge les plages hautes performances requises pour suivre l'accélération associée aux machines industrielles.

Selon l'équation relative à un mouvement harmonique simple, l'accélération est liée à la fréquence comme suit :

a = -(2pf)²x (Équation 1)

Où :

a = accélération

f = fréquence

x = l'amplitude du déplacement depuis la position centrale [généralement de l'ordre de 1 micromètre (µm) dans les capteurs de vibrations MEMS]

Par conséquent, l'accélération ressentie par un capteur MEMS pour une machine industrielle peut atteindre des centaines de gs, des ordres de grandeur supérieurs aux plages d'accélération ressenties par les capteurs de vibrations MEMS fréquemment utilisés dans les produits grand public (Figure 5).

Figure 5 : Capteurs MEMS ressentant une accélération très élevée à des plages de tours par minute, typiques des machines industrielles. (Source de l'image : DigiKey, à partir de données d'Analog Devices)

Grâce aux avancées continues des technologies de fabrication MEMS, les développeurs peuvent désormais trouver des capteurs de vibrations MEMS tels que ceux de la gamme d'accéléromètres MEMS ADXL100x d'Analog Devices, qui ne répondent pas simplement aux exigences strictes des applications CBM basées sur les vibrations, mais simplifient également la conception des systèmes sous-jacents de détection des vibrations.

Capteurs MEMS intégrés

La gamme ADXL100x de capteurs de vibrations MEMS à un axe d'Analog Devices, notamment les modèles ADXL1001, ADXL1002, ADXL1003, ADXL1004 et ADXL1005, offre aux développeurs un éventail de dispositifs afin de répondre aux exigences industrielles relatives à la plage d'accélération, à la bande passante, à la résolution et au bruit (Tableau 1).

Tableau 1 : Caractéristiques de performances des capteurs de vibrations ADXL100x d'Analog Devices. (Source du tableau : Analog Devices)

Fabriqués à l'aide des technologies conventionnelles de processus à semi-conducteurs, les capteurs MEMS peuvent être facilement intégrés à d'autres circuits afin d'offrir diverses fonctions analogiques et numériques. Chaque élément de la gamme ADXL100x utilise la même architecture fonctionnelle, associant le capteur MEMS à un amplificateur de capteur, un démodulateur, un amplificateur de sortie et des fonctionnalités supplémentaires (Figure 6).

Figure 6 : Chaque membre de la gamme ADXL100x de capteurs de vibrations d'Analog Devices associe un capteur MEMS à un étage complet de mise en forme des signaux de capteur ainsi qu'à des capacités fonctionnelles supplémentaires. (Source de l'image : Analog Devices)

Parmi ces fonctionnalités, une capacité de détection de dépassement (OR) permet de protéger l'élément de capteur lorsqu'une accélération dépasse d'environ deux fois la plage g spécifiée pour le dispositif. De tels événements ne sont pas rares au cours du fonctionnement normal d'une machine, tout particulièrement lorsqu'une machine démarre ou change de vitesse. Jusqu'à ce qu'elle se stabilise à sa fréquence fondamentale, la combinaison des fréquences de résonance générées tandis que ses composants accélèrent peut sursaturer même le plus robuste des capteurs de vibrations.

Lorsqu'une condition de dépassement se produit, le sous-système OR ADXL100x définit le signal de sortie OR afin d'avertir le processeur hôte. De plus, l'horloge interne est désactivée pendant 200 μs afin d'éviter d'endommager la structure MEMS. Si le dépassement se poursuit au-delà de cette période de 200 μs, le sous-système OR déclenche à nouveau le signal de sortie et une période d'arrêt toutes les 500 μs.

Construction de la chaîne de signaux

L'amplificateur de sortie intégré de la gamme ADXL100x peut commander des charges résistives jusqu'à 2 milliampères (mA) de courant source avec une capacité de charge maximale de 100 picofarads (pF). Ainsi, les développeurs peuvent en principe connecter directement l'ADXL100x à un CAN à registre d'approximations successives (SAR) de précision 16 bits AD4000 d'Analog Devices.

En pratique, l'utilisation de cette configuration à raccordement direct nécessite une fréquence d'échantillonnage d'au moins 220 kHz. Cette exigence de fréquence d'échantillonnage découle de la nécessité d'échantillonner à deux fois la largeur de bande de réponse en fréquences de 3 décibels (dB) du dispositif, qui est bien supérieure à celle du capteur MEMS (voir Tableau 1). En réalité, l'amplificateur de sortie intégré est conçu avec une bande passante de réponse en fréquences 3 dB de 70 kHz afin de permettre des mesures à des fréquences approchant la fréquence de résonance du capteur, qui peut être sensiblement supérieure à la fréquence de 3 dB fournie dans les caractéristiques (Figure 7).

Figure 7 : La gamme ADXL100x de capteurs de vibrations d'Analog Devices fournit une réponse en fréquences à large bande passante similaire à la courbe indiquée ici pour l'ADXL1002, qui spécifie une bande passante 3 dB de 11 kHz et présente un pic de fréquences de résonance caractéristique à une bande de fréquences considérablement supérieure. (Source de l'image : Analog Devices)

Comme avec toute chaîne de signaux de conversion, le taux d'échantillonnage doit correspondre à au moins deux fois la largeur de bande équivalente de bruit (ENBW) afin d'éviter la présence de bruit d'échantillonnage dans la bande de fréquences concernée. Étant donné que ENBW = π/2 x ω_3dB, où ω_3dB correspond à 70 kHz dans le cas présent, la valeur ENBW pour les dispositifs ADXL100x est de 110 kHz. Ainsi, le taux d'échantillonnage requis doit être d'au moins 220 kHz.

Les développeurs peuvent facilement réduire cette exigence d'échantillonnage en ajoutant simplement un filtre passe-bas unipolaire. En fait, Analog Devices recommande l'utilisation d'un filtre résistance-capacité (RC) bipolaire entre le capteur et un CAN, tel que l'AD4000 d'Analog Devices mentionné précédemment (Figure 8).

Figure 8 : Les développeurs peuvent réduire l'exigence d'échantillonnage du capteur en ajoutant simplement un filtre passe-bas bipolaire entre un capteur MEMS ADXL100x d'Analog Devices et un CAN AD4000 d'Analog Devices. (Source de l'image : Analog Devices)

Par exemple, l'utilisation d'une résistance R1 de 16 kiloohms (kΩ), d'un condensateur C1 de 300 pF, d'une résistance R2 de 32 kΩ et d'un condensateur C2 de 300 pF fournirait une atténuation d'environ 84 dB à la fréquence d'horloge interne de 200 kHz des dispositifs ADXL1001/ADXL1002. Dans le cas présent, un taux d'échantillonnage CAN de 32 kHz suffirait pour mesurer des vibrations de 0 à 10 kHz sans artéfacts de repliement.

En utilisant le capteur ADXL100x avec le CAN AD4000 et seulement quelques composants passifs, les développeurs peuvent mettre en place une chaîne de signaux complète destinée à mesurer les vibrations. Le cœur d'un système de capteur de vibrations peut être rapidement terminé par l'ajout d'un régulateur de tension, tel que le régulateur à faible chute de tension (LDO) ADP7104 d'Analog Devices, d'une source de tension de référence, telle que l'ADR4550 d'Analog Devices, et d'un processeur, tel que le microcontrôleur ADUCM4050 d'Analog Devices.

L'utilisation de ces quelques composants avec différents membres de la gamme ADXL100x permet aux développeurs de répondre à des exigences spécifiques en matière de rendement, telles qu'une plage d'accélération plus vaste ou une bande passante plus élevée, associées à leur application CBM unique.

Mesures à trois axes

Pour les applications CBM plus complexes, la capacité de mesure à un axe de la gamme ADXL100x peut s'avérer insuffisante. Bien que les développeurs puissent facilement reproduire leur conception de base pour chaque axe de mesure requis, Analog Devices offre une approche plus simple grâce à son module triaxial de détection des vibrations ADcmXL3021.

Le module ADcmXL3021 d'Analog Devices est intégré dans un logement en aluminium de 23,7 millimètres (mm) x 27,0 mm x 12,4 mm comprenant des brides de montage, et il réalise des mesures à trois axes grâce à trois accéléromètres MEMS ADXL1002 positionnés le long d'axes mutuellement orthogonaux (Figure 9).

Figure 9 : Le module ADcmXL3021 d'Analog Devices est fourni dans un logement en aluminium de 23,7 mm x 27,0 mm x 12,4 mm (gauche) et il offre un système complet de mesure des vibrations à trois axes (droite) répondant à des exigences de performances industrielles. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans chaque chaîne de signaux du capteur MEMS, un CAN dédié échantillonne à 220 Kéch./s, stockant les résultats dans le tampon FIFO (premier entré/premier sorti) intégré au module. Le processeur intégré au module prend en charge les mesures dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel à l'aide de quatre modes de fonctionnement :

• Streaming en temps réel (RTS), qui fournit des données en temps réel
• Mode FFT manuel (MFFT), qui génère des données dans le domaine fréquentiel en réponse à un déclenchement par un signal externe ou une commande logicielle
• Mode FFT automatique (AFFT), qui utilise un temporisateur interne pour déclencher automatiquement une capture de données dans le domaine fréquentiel
• Mode d'acquisition manuelle de données temporelles (MTC), qui capture 4096 échantillons consécutifs dans le domaine temporel et prend en charge l'utilisation de fonctions de traitement des signaux, notamment le filtrage et le moyennage

Grâce à son microcontrôleur intégré, l'ADcmXL3021 offre des fonctionnalités supplémentaires au-delà de ses quatre modes d'échantillonnage. L'une de ces fonctionnalités prend en charge des normes industrielles telles que la norme ISO 10816, qui encourage l'utilisation d'avertissements lorsqu'une machine bascule vers un mode de fonctionnement inadéquat et des alarmes lorsque la machine se trouve dans un état critique.

En mode MTC, l'ADcmXL3021 fournit des alarmes présentant trois niveaux configurables différents (normal, avertissement et critique) pour les données dans le domaine temporel. Pour prendre en charge les notifications ISO 10816, les développeurs peuvent définir des signaux indiquant un niveau normal, des signaux d'avertissement indiquant des opérations inadaptées et des signaux d'alarme indiquant des opérations dangereuses.

Pour les mesures dans le domaine fréquentiel en modes MFFT ou AFFT, l'ADcmXL3021 offre une capacité d'alarme plus sophistiquée. Ici, les développeurs peuvent définir six configurations de bande d'alarme, chacune précisant une plage plus basses et plus hautes fréquences, ainsi qu'une amplitude supérieure et une amplitude inférieure. Grâce à cette fonctionnalité, les développeurs peuvent configurer l'ADcmXL3021 afin qu'il reconnaisse des signatures spécifiques de fréquence et d'amplitude associées à des conditions d'avertissement ou d'alarme connues (Figure 10).

Figure 10 : Les développeurs peuvent configurer le module de détection des vibrations ADcmXL3021 d'Analog Devices afin qu'il émette des avertissements ou des alarmes à l'aide d'une combinaison d'indicateurs reposant sur l'amplitude des vibrations et la bande de fréquences des vibrations. (Source de l'image : Analog Devices)

Afin de simplifier le développement avec l'ADcmXL3021, Analog Devices propose la carte breakout ADCMXL_BRKOUT qui offre des embases pour un accès simplifié aux broches de connecteur à queue flexible ADcmXL3021.

Analog Devices fournit également une application logicielle basée sur Windows, ADCMXL Vibration Evaluation, conçue pour fonctionner avec le kit d'exploration SuperSpeed USB 3.0 CYUSB3KIT-003 de Cypress Semiconductor. Grâce à l'interface du logiciel d'évaluation, les développeurs peuvent examiner des données dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel pour chaque axe et modifier les registres ADcmXL3021 afin d'explorer des configurations de capture alternatives (Figure 11).

Figure 11 : Les développeurs peuvent utiliser l'application logicielle d'évaluation d'Analog Devices pour afficher la sortie du module de détection des vibrations ADcmXL3021 ou modifier de manière interactive ses registres afin d'explorer différentes configurations de capture. (Source de l'image : DigiKey/Analog Devices)

Conclusion

La surveillance CBM peut offrir des avantages considérables en évitant les maintenances programmées inutiles ou les temps d'arrêt imprévus dus à une défaillance soudaine de la machine. Pour les développeurs d'applications CBM, cependant, les exigences strictes relatives aux performances des systèmes de mesure des vibrations appropriés peuvent être intimidantes. Contrairement aux systèmes de détection de mouvement des applications grand public, les systèmes industriels de détection des vibrations exigent une plage d'accélération élevée, une large bande passante, une haute résolution et une très faible densité de bruit. En utilisant des capteurs MEMS et les composants associés d'Analog Devices, les développeurs peuvent créer en toute confiance les systèmes de mesure des vibrations robustes requis pour mettre en œuvre des applications CBM industrielles sophistiquées.