非規劃停機所造成的成本每小時可達數千甚至上萬美元。在2017年曾經進行的一項研究中，發現許多企業遇到停機時每小時平均成本高達200萬美元，非規劃停機造成的成本遠高於計畫性維護，因為機器必須下線進行診斷、訂購替換零件，然後才能進行維修。
機器在規格範圍內持續運轉，以及機器預期的剩餘壽命，都會受到各項變數所影響，包括如運轉時間、負載與運轉環境的變動，以及各種損壞事件等。狀態監測的目的，旨在找出這些影響因素的量化數據，以在需要立即注意時即時提供警訊，並精準預測需要介入的時機。
每部機器都不盡相同，每部機器老化的過程也不一致，而老化的過程通常緩慢且難以察覺。除非長期主動觀察細微變化的徵象，不然即使長時間下來也看不出老化的現象。之後有朝一日機器忽然失效，可能是災難性故障，意謂著機器必須離線進行維修。終端使用者希望針對即將發生的失效提前收到通知，藉以提前進行停機的計畫。他們也會觀察機器細微變化的各種徵象，這些因素可能影響類似紙張與金屬板材這類最終產品的品質。
各界需要更加提早觀測出機器磨耗，以及機器輸出品質的資訊，帶動對於更靈敏與更全面性感測的需求。另外，量測的種類也更加多元，包括溫度與振動等感測模態，如今也透過音響、馬達電流，以及電壓量測等方式提供輔助。這些量測系統匯整之後，即可對設備的狀態得到更全面的認知。因此每部機器上裝設著越來越多的量測通道。個別的量測通常需要妥善協調以顯示彼此的關係，像是x/y/z三個軸向的振動數據。而對於同步化的需求，也導致系統的複雜度更加提高。
量測節點日趨分散以及模態的多元化，意謂著以人力資源進行檢視與量測的方式已無法跟上實際作業的需要(圖1)。系統必須分散部署在廠房的各處或偏僻角落，並使用現有的有線基礎設施或無線網路，運用穩定安全的無線系統進行通訊。龐大且昂貴的感測器以及匯流傳輸設備必須做得更小、低價、省電，才適合裝設在這些環境。為此，許多新元件與子系統型態的新型精準解決方案，具備更高的整合度，讓系統廠商現在就能實現上述的感測功能。
資料擷取是狀態分析首要任務
想要儘可能提早察知機器耗損的徵兆，就等同於須擁有預見未來的能力。在狀態監測分析方面，方法就是觀察系統中各種最細微的變化，包括系統溫度、振動，或聲響等徵狀。想要感測到這些細微的變化，感測器與資料擷取系統必須能以最小偵測分辨率單位明確觀測到這些細微改變，包括在極高的振動或溫度下也能精準量測。為此訊號鏈必須具備極高的動態範圍，意謂著系統得擁有極低的雜訊，同時還能應付極大的變動。
舉例來說，要對往復式水泵偵測出機件磨損的徵兆，就必須能偵測出活塞死點不到十分之一毫米的磨損差異，而活塞的往復行程則達到300毫米。要確保能看到如此細微的變化，其條件則是系統雜訊必須低至少10倍。因此偵測水平必須達到1:300,000或109dB，須採用18位元或更精準的資料擷取系統。
另一項考量因素，是拓展出更多傳輸頻寬範圍。馬達軸以及許多齒輪系統的振動頻率相對較低，頻率相當接近軸轉速或僅是軸轉速的數倍。然而，系統中其他零件則擁有較高頻率特徵。為此，想要偵測擁有較高頻率特徵的零件因磨損產生的偏移，像是滾珠或油封軸承這類零件，感測機制必須在超過10kHz甚至80kHz的頻率下達到高解析度與高動態範圍(圖2)。
感測系統規格必須包含高動態範圍(DR)，以及極低的總諧波失真(THD)，才能在系統振動模式(Profile)下解析出這些頻域特徵。在這些系統中，主要是運用最新精準型大頻寬三角積分(Σ-Δ)轉換器來執行類比至數位轉換步驟。這類極精準的類比至數位轉換器能滿足這些系統的關鍵需求。此類轉換器擁有優異的動態範圍以及THD(一般為+108dB DR到120dB THD)，能在至少80kHz頻率下覆蓋dc直流頻寬，另外還具備許多簡單易用的特色，像是類比輸入端的預先充電緩衝器、整合式數位濾波器、跨元件同步支援多通道相位匹配，使得這些關鍵元件能用來建構最高效能的CbM資料擷取系統。
功率調整(Power Scaling)功能讓同一個實體硬體經調整後能支援特定功率上限的規範，針對整體功率匹配適合的動態範圍或頻寬。在直流以及較大頻寬條件下提供精準偵測，同一個平台的輸入通道能滿足包括溫度、形變，以及其他直流或低頻寬感測的需求，進而簡化整體條件監控系統的架構並降低複雜度，也就是單一平台即可支援所有種類的CbM感測器。
同步取樣確保相位關係保存
在CbM系統中，同步取樣用來確保各組時域資料之間的相位關係得以保存。舉例來說，兩個正交設定的振動感測器可用來偵測振動向量的方向以及振幅。在理想狀態下，相位會延著每個感測器輸入通道逐漸延遲，並應該和溫度變化相匹配。
對於CbM系統而言，設計上需要更多的彈性，方能因應取樣率、頻寬，或功耗擴充需求方面更寬廣的範圍，因此SAR ADC產品也很適宜。這些元件還提供高動態範圍與THD，吞吐量可達2 MSPS，並融入許多易用特色，除了降低訊號鏈的功耗以及訊號鏈的複雜度，還促成更高的通道密度。具備更高輸入阻抗模式的轉換器能擴展低功耗精準型放大器的範疇，這類放大器能直接驅動這些ADC，並達到最佳的效能。
為讓系統廠商針對更精小或分散式擷取節點可達到最高的通道密度，以及加快上市時程，半導體業者如ADI開發出新的訊號鏈μModule產品，可提供比以往更高的整合度。這些μModule元件結合資料擷取訊號鏈設計常用的關鍵零件，打造出小巧的積體電路(IC)形態。
μModule將類比與混合訊號元件的挑選、最佳化、以及配置等方面的設計負荷從設計者轉移到元件，藉以縮短整體設計時間以及系統除錯工作，最終則加快了上市時程。裝配在微型封裝內的μModule元件非常適合用在分散式少數量通道的微型CbM系統中，或更高通道數量的機架式系統(圖3)。
MEMS感測器助力狀態監測執行
光是在訊號鏈的資料擷取部分提供高動態範圍、更廣的頻寬、更高的電源效率，以及更高的通道密度，只能解決CbM系統一部分的系統設計挑戰。傳統整合式電子壓電(IEPE)振動感測器龐大、笨重、昂貴，且供電線路的電壓通常比資料擷取系統還要高。一般而言，壓電式感測器採用24V的單一電源，消耗2毫安培的電流，封裝在金屬外殼內。由於感測器一般裝在資料擷取模組內，因此提高設備內部通道密度，就會衍生電源密度以及元件密度的問題。更糟的是，在以電池供電的無線擷取節點中，傳統壓電式振動感測器已不再能滿足這些設計鏈的需求。
MEMS微機電式振動與慣性感測器現在能滿足這些系統的需求。最新的高頻寬MEMS元件具備的雜訊與頻寬效能適合各種CbM應用，而且在標準的微型化表面黏著封裝就能達到這般的效能，同時功耗還比IEPE感測器低了20倍。這些MEMS感測器的小尺吋與功耗特色，讓業者能開發出超小型電池供電多軸系統，以用來執行永久與持續性狀態監測。
功耗與連結
感測機器的溫度、振動或噪音，之後將訊號轉換成數位資訊，這些都是監控作業的關鍵部分，但這些還不是完整的流程。要建構狀態監測系統，必須注意設計專案中所有類比、數位，以及混合訊號元件。資料擷取鏈要達到低雜訊，需要的不光只有低雜訊感測器以及類比至數位轉換元件，還包含低雜訊電源設計。系統要達到低功耗，電源元件必須有效率地從電池或線路汲取電力，而且不會增加設計的複雜度。
連結需求取決於應用環境。許多工業場所已有完備的布線，用來執行製程控制或現在的環境感測，像是溫度量測。然而，這類現存基礎設施大多數無法因應大規模狀態監測所涉及的龐大原始資料或資料傳輸率。
提高既有布線功能的其中一種方法，就是增加更多資料而且不影響現有的功能。舉例來說，HART技術可用來在常見4mA至20mA類比介面上加入數位格式的診斷資訊。類似的狀況，工業乙太網路能增加既有乙太網路布線的決定性以及即時控制力，反映在控制應用上就是延遲的表現，FFT資料所需的更高頻寬，以及允許每個鏈路設置多個節點。
另一種途徑就是無線傳輸資訊。在工業環境中，需要穩健且安全的無線聯網。最新的智慧網狀網路(Mesh)拓撲無線電產品，包含無線晶片，以及預先認證的電路板模組，即使置於充斥干擾雜訊且持續變動的射頻環境中，也能以低功耗執行通訊並達到超過99.9999%的資料可靠度。對於狀態監測而言，這意謂著失效或瞬變事件都能和host主控端進行通訊，並在最短的時間內做出因應作為(圖4)。
CbM角色將愈加吃重
狀態監測對於大型高資本設備是絕對必要的，包括像能源與油氣，在這類環境中，非規劃中的停機會直接影響對生產成本。另一方面，工廠扮演的角色越來越吃重，因為除了能主動執行機器維護之外，還能有一種方法來確保機器在正常運轉下能穩定一貫地生產產品。隨著這些監控功能的價值越來越顯著，這項技術將開始擴展到越來越多我們每天所運用的機器上，而不再是風力發電機或造紙廠的專利，未來，將會看到CbM廣泛地應用在火車、飛機、汽車，最終拓展到洗衣機甚至體積更小的家電中。
系統零件製造商未來必須整合感測器，或甚至整個通道都整合到零件之中。未來的馬達將配備振動與電流感測機制，而軸承與齒輪箱也是如此。未來許多自主性運行感測器節點會向行動裝置通報訊息，這些部署在車庫門上的裝置，能在車被塞在車庫內之前向車主發送警訊。
為因應在這些不同情境中持續增加的感測需求，許多設備製造商未來必須採取平台模式，運用少量的平台因應更多化的需求。量測通道必須支援不同的感測器類型，讓機架式設備能改成支援不同的感測器組合。在較小設備方面，系統必須能對不同供電條件進行調適，讓相同監控節點能用在洗衣機或電池供電工具。
狀態監測大幅減少災難性故障機率
狀態監測針對機器內部感測各項可量測的參數，藉以對機器的健康狀態取得量化數據。提高這些量測結果的精準與靈敏度，以及降低監控設備的尺寸/重量/耗電，即可讓工廠管理者將這類感測機制部署在廠房各角落。
現今的工作都配置健康監視器，就像健身追蹤裝置讓管理人員能對工廠運作有更深一層的掌握，隨時得知機器運轉的每一分鐘變化，並根據這類資訊及早做出有根據的決策。提前排定維護工作，並且僅對有需要維護的機器進行保養將能大幅降低維護成本，而技術人員在下班後的出勤以及待命成本，則能降低至零。
此外，由於工作維持在更嚴密控管的狀態，資本設備成本也能因此降低。早期偵測與替換已磨耗的零件，有助維護機器的整體健康。嚴密監視能減少災難性故障的發生機率。設備的壽命也得以延長，並持續維持到壽命終止。
工廠最終產品的生產成本得以降低。在掌握機器健康狀況下，機器的容錯性(Tolerance)即能維持在可控制的範圍內。最終產品各批次的輸出品質也更加穩定。當機器發生狀況或突然停擺的次數降低時，產品重工與廢料也會隨之減少。
