具有傳感器和IO-Link功能的預(yù)測(cè)性維護(hù)套件

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(jì)現(xiàn)在具有的特性和優(yōu)勢(shì)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(cè)的電容式 MEMS 加速度計(jì)，它改變了數(shù)十年的先入為主的想法和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，以展示行業(yè)如何發(fā)展以使電容式微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 成為預(yù)測(cè)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(gè)基本好處是它采用了市場(chǎng)上已經(jīng)上市的電容式加速度計(jì)IIS2DH，它已經(jīng)促成了評(píng)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(cè)性維護(hù)或 PdM 使用狀態(tài)監(jiān)控來(lái)預(yù)測(cè)維護(hù)操作何時(shí)變得至關(guān)重要，從而在最具成本效益的時(shí)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(duì)其進(jìn)行操作。因此，預(yù)測(cè)性維護(hù)可減少停機(jī)時(shí)間、提高效率并縮短成本較高的勞動(dòng)密集型操作。到目前為止，PdM 操作依賴于壓電傳感器，因?yàn)樗鼈兪堑谝粋€(gè)提供此類應(yīng)用所需的可靠性和效率的傳感器。 實(shí)際上，組件的帶寬是一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格，因?yàn)閷?duì)于某些特定用例，及早檢測(cè)故障需要很高的頻率。然而，今天，電容式加速度計(jì)的帶寬已達(dá)到 5 kHz，從而使它們能夠進(jìn)入預(yù)測(cè)性維護(hù)領(lǐng)域。

智能手機(jī)和打印機(jī)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?yàn)閴弘娛且环N無(wú)處不在的現(xiàn)象。 它的特點(diǎn)是通過(guò)承受機(jī)械應(yīng)力的晶體產(chǎn)生電壓。靜止時(shí)，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(huì)相互抵消。然而，當(dāng)外力擠壓晶體的一側(cè)時(shí)，結(jié)構(gòu)變化會(huì)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(jì)如何根據(jù)晶體產(chǎn)生的電壓來(lái)確定運(yùn)動(dòng)。在柴油燃料噴射器、打印機(jī)甚至留聲機(jī)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(fèi)市場(chǎng)中是一種久經(jīng)考驗(yàn)的方法。

電容式加速度計(jì)，? 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(wú)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(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備中。該技術(shù)依賴于夾在兩個(gè)固定手指之間的彈簧腿，這些手指充當(dāng)電極并測(cè)量電勢(shì)。由于彈簧腿連接到在慣性力下移動(dòng)的質(zhì)量證明（或地震質(zhì)量）上，因此它們將更靠近將測(cè)量電容增加的靜止指之一，而另一個(gè)檢測(cè)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(jī)、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(shì)。

電容式 MEMS 更小、更堅(jiān)固、更簡(jiǎn)單

壓電和電容 MEMS 的結(jié)果幾乎無(wú)法區(qū)分

Alessandra、Giuseppe 和 Alessandro 的論文引人入勝，因?yàn)樗鼛椭x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(shí)上，由于它們的結(jié)構(gòu)，它們?cè)跇O端沖擊后提供了快速的恢復(fù)時(shí)間，并且它們的結(jié)構(gòu)確保了隨著時(shí)間和溫度的出色穩(wěn)定性，這與可能對(duì)這些問(wèn)題更敏感的晶體相反。使用電容式加速度計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)也更易于設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈儾恍枰獠?a href="http://www.ttokpm.com/tags/模數(shù)轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 或其他信號(hào)調(diào)理電路，它們甚至可以在不移動(dòng)傳感器的情況下進(jìn)行自檢來(lái)驗(yàn)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(cè)性維護(hù)市場(chǎng)打開了大門。

壓電加速度計(jì)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(shí)，它們繼續(xù)主導(dǎo)市場(chǎng)。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(jì)的系統(tǒng)都可以使用電容式 MEMS。事實(shí)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(shí)，沒有明顯的差異，因?yàn)樽兓⒉蛔愕馈?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(shuō)依靠電容式加速度計(jì)進(jìn)行 PdM 對(duì)需要兼容帶寬的應(yīng)用沒有不利影響電容式微機(jī)電系統(tǒng)。

本文介紹了電容式 MEMS 傳感器節(jié)點(diǎn)

然而，我們也明白，突破性的基準(zhǔn)測(cè)試是一回事，而在該領(lǐng)域的實(shí)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(jì)，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?yàn)樗鼮檎麄€(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)。顯然，他們了解壓電 MEMS 周圍有一個(gè)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(gè)生態(tài)系統(tǒng)和一個(gè)簡(jiǎn)單的電源管理模塊。與壓電 MEMS 一樣，帶有 IIS2DH 的節(jié)點(diǎn)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(xiàng)研究的結(jié)果實(shí)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(cè)性維護(hù)套件。此評(píng)估板上的加速度計(jì)源自ISM330DLC 六軸慣性測(cè)量單元 （IMU），它比我們團(tuán)隊(duì)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(wèn)演示示例，向他們展示如何執(zhí)行頻域和時(shí)域分析軟件包。因此，通過(guò)提供源代碼、庫(kù)和算法，我們還極大地簡(jiǎn)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(diǎn)的成本效益。因此，這實(shí)際上是從我們的實(shí)驗(yàn)室到您手中的一項(xiàng)創(chuàng)新。

審核編輯：郭婷