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微機電系統(MEMS)在工業建筑、爆破等眾多行業的振動監測設備中大量使用。Instantel最近完成了大量的測試，將目前的MEMS加速度計與傳統的電磁線圈檢波器進行了比較。

1  爆破會產生高頻振動

振動校正誤差

Vibration Rectification Error (VRE)

在MEMS制造過程中不可避免的非線性和不對稱導致了一種現象，稱為振動校正誤差（VRE），如圖1所示。VRE在MEMS加速度計的輸出數據中產生一個非常低的頻率偏移（數據不再居中）。  當更高頻率的均方根（RMS）包絡的振幅增加時，偏移的幅度也增加。 當頻率和振幅內容從一個位置和應用到另一個位置和應用時，VRE也會發生變化，使其不一致和不可預測。 加速度數據中的偏移都會在最終的速度信號中產生誤差。對于正偏移，這個誤差表現為漸增的斜率，對于負偏移，這個誤差表現為漸減的斜率。 由于大多數振動標準規定的是速度，這個誤差可能會對結果產生巨大的影響。 這可以在圖1中清楚地看到，其顯示由MEMS加速度計和電磁檢波器記錄的相同振動事件的結果。

測試結論

• 在恢復之前，MEMS加速度計在各通道上都報告了振幅和無效數據。

• 電磁檢波器記錄了信號數據，沒有丟失數據。

高頻和MEMS性能限制

在工業和建筑應用中的主要振動來源是重型設備，以及沖擊性工具，比如電鉆、打樁機、鋤頭和炸藥。 這些振動可以是單個的，也可以是頻率為幾kHz的一系列脈沖。與電磁檢波器相比，MEMS加速度計天然容易受到這些高頻信號的影響，并且會用錯誤的數據對其響應。

500Hz以上的頻率超出了大多數振動標準的限制，應該忽略，以防止它們對最終振動結果產生影響。電磁檢波器和標準濾波器設計可以輕松去除500+ Hz的信號。然而對于MEMS加速度計，高于監測頻率的振動可能會引入干擾和測量誤差。其原因主要是由加速度轉換為速度幅值（積分），自諧振頻率和不恰當的濾波器滾降，進而衰減了高頻組分。有些誤差是MEMS加速度計內部結構固有的，因此是不可避免的。

這些高頻的振動會導致MEMS加速度計超出其工作限。當這種情況發生時，它總是產生不可靠的數據。一旦振動回到MEMS加速度計的工作范圍內，由于監測標準規定的濾波器特性，速度輸出需要幾秒鐘才能穩定并恢復（見圖2a）。

不幸的是，在此期間所有MEMS數據都是無效的。由于來自電鉆、打樁、液壓錘、爆破等類似振動源的振動往往小于1 ~ 2秒，其振動數據的大部分可能報不準確或漏報。為了在實驗室中模擬如此高的頻率，我們將一個MEMS加速度計和一個電磁檢波器連接到一個預制混凝土模型上，并使用一個固定的錘擊夾具，以產生一個頻率可與基巖上的工業手提鉆或液壓錘相媲美的信號。圖2a顯示了超出MEMS振幅范圍的事件數據。MEMS加速度計需要4秒才能恢復。 在這4秒期間，數據被記錄了下來，但是是無效的。實際上相當于丟失了4秒的事件數據。圖2b顯示了電磁檢波器記錄的相同的事件數據，其準確地記錄了整個事件時間段的事件數據。

測試結論

• 基于MEMS的系統在恢復階段沒有準確記錄振動波形和畸變數據。

• 電磁檢波器在整個觀測窗口內準確記錄了振動波形，沒有丟失數據。

混疊

混疊是一種可能導致不同信號變得無法區分的現象。當不需要的高頻信號扭曲了感興趣的頻率，干擾了采集數據時，就會發生混疊。混疊尤其會發生在高頻信號采樣率不夠高時。在MEMS加速度計和電磁檢波器中都可能會發生混疊，然而對于相同的地面運動，電磁線圈固有地在高頻下產生比MEMS更低的振幅。 這使得MEMS加速度計更容易受到高頻失真的影響，監測設備的設計需要考慮到這一點。MEMS加速度計需要以更高的采樣率進行采樣，以獲得與電磁檢波器相同的數據完整性。

噪聲和噪聲基底

噪聲基底是監測振動信號的一個重要因素。它可以被描述為實際信號與無信號難以區分的值。MEMS加速度計的一個缺點是，由于質量小，它們天生更容易受到內部產生的噪聲的影響。另一個因素是MEMS加速度計是集成電子的有源元件，而電磁檢波器是無源元件。在實驗室里，我們測量了一個MEMS的低頻成分，它在時域“漂移”。觀察標準差并求其均方根（RMS）水平，表明噪聲信號超過振動閾值的概率高得令人無法接受。這意味著當需要低觸發水平時，由MEMS加速度計的固有設計產生的噪聲（它不是事件的真實組成部分）可以隨機產生誤觸發。電磁檢波器的設計大大降低了噪聲基底產生誤觸發的可能性。

執行標準

振動監測設備驗證符合法規標準和振動限制。這些限制保護了人員、建筑和資產安全。準確記錄和報告數據對承包商和業主來說都是重要的，以確保經得起法律審查。

在大多數項目中，業主、設計師、市政部門等將指定要監測的頻率范圍，振動限制不得超過。他們還將規定測量設備必須滿足的具體標準。其中兩個與設備性能相關的標準是國際炸藥工程師學會的爆破地震儀性能規范（ISEE-2017）和德國標準化學會（DIN 45669）。宣布符合這些標準意味著該標準的所有方面，包括振幅范圍、頻率范圍、允許的大內部噪聲、線性度、相位響應和校準要求都得到滿足。

例如，ISEE性能規范要求振幅范圍達到254mm/s，頻率響應為2至250Hz。為了滿足ISEE的性能要求，這需要MEMS加速度計能夠可靠地測量高達40.7g的加速度。僅僅使用2、4或8g MEMS加速度計的振動監測儀根本無法滿足ISEE的性能規范。

結論

我們的測試和分析表明，MEMS加速度計會產生與所記錄振動的頻率和振幅內容直接相關的錯誤數據。

高頻會影響MEMS加速度計所報告的振動水平的準確性。由于不可能預測項目將產生的準確頻率和振幅內容，因此這種不確定性會影響記錄數據的準確性和可靠性。我們在實驗室觀察到當使用MEMS加速度計時，高頻是數據不準確的一個重要影響因素。

雖然MEMS加速度計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。我們認為，這些好處不會比記錄不準確或虛假數據的風險更重要，而這些風險可能導致罰款、項目延遲或關閉，或因不遵守振動標準或監管限制而引發訴訟。