根據(jù)我們的 Alessandra Di Pietro、Giuseppe Rotondo 和 Alessandro Faulisi 最近的一份白皮書，電容式 MEMS 加速度計現(xiàn)在具有的特性和優(yōu)勢使其成為更昂貴的壓電傳感器的絕佳替代品。題為用于狀態(tài)監(jiān)測的電容式 MEMS 加速度計，它改變了數(shù)十年的先入為主的想法和標(biāo)準(zhǔn)實踐，以展示行業(yè)如何發(fā)展以使電容式微機電系統(tǒng) （MEMS） 成為預(yù)測性維護(hù)的新常態(tài)。結(jié)果，它大大降低了許多以前必須進(jìn)行大量投資的公司的進(jìn)入壁壘。本文的另一個基本好處是它采用了市場上已經(jīng)上市的電容式加速度計IIS2DH，它已經(jīng)促成了評估板STEVAL-BFA001V1B的創(chuàng)建，它使用ISM330DLC，這意味著公司已經(jīng)可以在自己的環(huán)境中重現(xiàn)其結(jié)果。

顧名思義，預(yù)測性維護(hù)或 PdM 使用狀態(tài)監(jiān)控來預(yù)測維護(hù)操作何時變得至關(guān)重要，從而在最具成本效益的時候進(jìn)行規(guī)劃。傳統(tǒng)上，它允許公司在設(shè)備損壞或性能變得次優(yōu)之前對其進(jìn)行操作。因此，預(yù)測性維護(hù)可減少停機時間、提高效率并縮短成本較高的勞動密集型操作。到目前為止，PdM 操作依賴于壓電傳感器，因為它們是第一個提供此類應(yīng)用所需的可靠性和效率的傳感器。 實際上，組件的帶寬是一個關(guān)鍵規(guī)格，因為對于某些特定用例，及早檢測故障需要很高的頻率。然而，今天，電容式加速度計的帶寬已達(dá)到 5 kHz，從而使它們能夠進(jìn)入預(yù)測性維護(hù)領(lǐng)域。

智能手機和打印機內(nèi)部的傳感器

壓電傳感器是最早和最常見的設(shè)備之一，因為壓電是一種無處不在的現(xiàn)象。 它的特點是通過承受機械應(yīng)力的晶體產(chǎn)生電壓。靜止時，壓電晶體包含正電荷和負(fù)電荷，由于材料的原子結(jié)構(gòu)，它們會相互抵消。然而，當(dāng)外力擠壓晶體的一側(cè)時，結(jié)構(gòu)變化會在另一端產(chǎn)生正電荷或負(fù)電荷。因此，很容易理解壓電加速度計如何根據(jù)晶體產(chǎn)生的電壓來確定運動。在柴油燃料噴射器、打印機甚至留聲機中也有許多壓電壓力傳感器和執(zhí)行器，由此表明壓電在工業(yè)或消費市場中是一種久經(jīng)考驗的方法。

電容式加速度計，? Sinha， Mukhiya， Pant / CC-BY-SA-4.0

電容傳感器可能并不總是像壓電傳感器那樣流行或無處不在，但它們處于許多技術(shù)進(jìn)步的中心，尤其是在智能手機和其他移動設(shè)備中。該技術(shù)依賴于夾在兩個固定手指之間的彈簧腿，這些手指充當(dāng)電極并測量電勢。由于彈簧腿連接到在慣性力下移動的質(zhì)量證明（或地震質(zhì)量）上，因此它們將更靠近將測量電容增加的靜止指之一，而另一個檢測電容減少，兩者都可以確定加速度的方向和幅度。由于電容式 MEMS 使用更復(fù)雜的架構(gòu)，因此它們更難制造。

然而，現(xiàn)在它們的采樣率更接近工業(yè)環(huán)境中的壓電設(shè)備，這意味著在電機、風(fēng)扇和泵等許多應(yīng)用中，電容式 MEMS 提供了足夠的性能和更多優(yōu)勢。

電容式 MEMS 更小、更堅固、更簡單

壓電和電容 MEMS 的結(jié)果幾乎無法區(qū)分

Alessandra、Giuseppe 和 Alessandro 的論文引人入勝，因為它幫助讀者理解為什么該行業(yè)繼續(xù)改進(jìn)電容式 MEMS 而不是僅僅依靠現(xiàn)狀。事實上，由于它們的結(jié)構(gòu)，它們在極端沖擊后提供了快速的恢復(fù)時間，并且它們的結(jié)構(gòu)確保了隨著時間和溫度的出色穩(wěn)定性，這與可能對這些問題更敏感的晶體相反。使用電容式加速度計的傳感器節(jié)點也更易于設(shè)計，因為它們不需要外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 或其他信號調(diào)理電路，它們甚至可以在不移動傳感器的情況下進(jìn)行自檢來驗證傳感器的功能。它的位置?？傮w，它們消耗更少的電力、更小、更具成本效益，從而為徹底顛覆預(yù)測性維護(hù)市場打開了大門。

壓電加速度計并沒有消亡，當(dāng)涉及到需要具有極高帶寬（高于 10 到 20 kHz）的設(shè)備的應(yīng)用時，它們繼續(xù)主導(dǎo)市場。然而，由于新的發(fā)展，任何受益于具有 5 kHz 采樣率的加速度計的系統(tǒng)都可以使用電容式 MEMS。事實上，當(dāng)我們將采樣頻率為 5.3 kHz 的 IIS2DH 設(shè)備與采樣頻率為 6.4 kHz 的壓電傳感器進(jìn)行比較時，沒有明顯的差異，因為變化微不足道。 結(jié)果如此接近以至于很難區(qū)分它們，這意味著在業(yè)內(nèi)第一次可以說依靠電容式加速度計進(jìn)行 PdM 對需要兼容帶寬的應(yīng)用沒有不利影響電容式微機電系統(tǒng)。

本文介紹了電容式 MEMS 傳感器節(jié)點

然而，我們也明白，突破性的基準(zhǔn)測試是一回事，而在該領(lǐng)域的實際應(yīng)用又是另一回事。人們不僅放棄了一種更具成本效益但性能相同的加速度計，并期望行業(yè)在一夜之間采用它。這就是為什么 Alessandra、Giuseppe 和 Alessandro 的論文如此重要的原因，因為它為整個傳感器節(jié)點奠定了基礎(chǔ)。顯然，他們了解壓電 MEMS 周圍有一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，其中包含應(yīng)用程序和圖形用戶界面，可幫助工程師讀取他們的數(shù)據(jù)并從 PdM 中受益。因此，他們論文背后的優(yōu)雅之處在于，他們還展示了公司如何使用STM32F4 微控制器復(fù)制整個生態(tài)系統(tǒng)和一個簡單的電源管理模塊。與壓電 MEMS 一樣，帶有 IIS2DH 的節(jié)點可以連接到 PC 的 USB 端口，并將所有必要的信息發(fā)送到軟件。

這項研究的結(jié)果實際上使我們發(fā)布了STEVAL-BFA001V1B，這是一款具有傳感器和 IO-Link 功能的預(yù)測性維護(hù)套件。此評估板上的加速度計源自ISM330DLC 六軸慣性測量單元 （IMU），它比我們團(tuán)隊在論文中使用的模型更新且具有更高的采樣率。因此，工程師可以從更好的性能中受益。由于STSW-BFA001V1，開發(fā)人員還可以訪問演示示例，向他們展示如何執(zhí)行頻域和時域分析軟件包。因此，通過提供源代碼、庫和算法，我們還極大地簡化了 PdM 應(yīng)用程序的開發(fā)并使之成為可能，從而進(jìn)一步提高了具有電容式 MEMS 的傳感器節(jié)點的成本效益。因此，這實際上是從我們的實驗室到您手中的一項創(chuàng)新。

審核編輯：郭婷