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準實踐，以展示行業(yè)如何發(fā)展以使電容式微機電系統(tǒng) （MEMS） 成為預測性維護的新常態(tài)。結(jié)果，它大大降低了許多以前必須進行大量投資的公司的進入壁壘。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，預測性維護或 PdM 使用狀態(tài)監(jiān)控來預測維護操作何時變得至關(guān)重要，從而在最具成本效益的時候進行規(guī)劃。傳統(tǒng)上，它允許公司在設備損壞或性能變得次優(yōu)之前對其進行操作。因此，預測性維護可減少停機時間、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到 5 kHz，從而使它們能夠進入預測性維護領域。

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力的晶體產(chǎn)生電壓。靜止時，壓電晶體包含正電荷和負電荷，由于材料的原子結(jié)構(gòu)，它們會相互抵消。然而，當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)進步的中心，尤其是在智能手機和其他移動設備中。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)境中的壓電設備，這意味著在電機、風扇和泵等許多應用中，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，從而為徹底顛覆預測性維護市場打開了大門。

壓電加速度計并沒有消亡，當涉及到需要具有極高帶寬（高于 10 到 20 kHz）的設備的應用時，它們繼續(xù)主導市場。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，當我們將采樣頻率為 5.3 kHz 的 IIS2DH 設備與采樣頻率為 6.4 kHz 的壓電傳感器進行比較時，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行 PdM 對需要兼容帶寬的應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，突破性的基準測試是一回事，而在該領域的實際應用又是另一回事。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。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 功能的預測性維護套件。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 應用程序的開發(fā)并使之成為可能，從而進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