具有传感器和IO-Link功能的预测性维护套件

根据我们的 Alessandra Di Pietro、Giuseppe Rotondo 和 Alessandro Faulisi 最近的一份白皮书，电容式 MEMS 加速度计现在具有的特性和优势使其成为更昂贵的压电传感器的绝佳替代品。题为用于状态监测的电容式 MEMS 加速度计，它改变了数十年的先入为主的想法和标准实践，以展示行业如何发展以使电容式微机电系统 （MEMS） 成为预测性维护的新常态。结果，它大大降低了许多以前必须进行大量投资的公司的进入壁垒。本文的另一个基本好处是它采用了市场上已经上市的电容式加速度计IIS2DH，它已经促成了评估板STEVAL-BFA001V1B的创建，它使用ISM330DLC，这意味着公司已经可以在自己的环境中重现其结果。

顾名思义，预测性维护或 PdM 使用状态监控来预测维护操作何时变得至关重要，从而在最具成本效益的时候进行规划。传统上，它允许公司在设备损坏或性能变得次优之前对其进行操作。因此，预测性维护可减少停机时间、提高效率并缩短成本较高的劳动密集型操作。到目前为止，PdM 操作依赖于压电传感器，因为它们是第一个提供此类应用所需的可靠性和效率的传感器。 实际上，组件的带宽是一个关键规格，因为对于某些特定用例，及早检测故障需要很高的频率。然而，今天，电容式加速度计的带宽已达到 5 kHz，从而使它们能够进入预测性维护领域。

智能手机和打印机内部的传感器

压电传感器是最早和最常见的设备之一，因为压电是一种无处不在的现象。 它的特点是通过承受机械应力的晶体产生电压。静止时，压电晶体包含正电荷和负电荷，由于材料的原子结构，它们会相互抵消。然而，当外力挤压晶体的一侧时，结构变化会在另一端产生正电荷或负电荷。因此，很容易理解压电加速度计如何根据晶体产生的电压来确定运动。在柴油燃料喷射器、打印机甚至留声机中也有许多压电压力传感器和执行器，由此表明压电在工业或消费市场中是一种久经考验的方法。

电容式加速度计，© Sinha， Mukhiya， Pant / CC-BY-SA-4.0

电容传感器可能并不总是像压电传感器那样流行或无处不在，但它们处于许多技术进步的中心，尤其是在智能手机和其他移动设备中。该技术依赖于夹在两个固定手指之间的弹簧腿，这些手指充当电极并测量电势。由于弹簧腿连接到在惯性力下移动的质量证明（或地震质量）上，因此它们将更靠近将测量电容增加的静止指之一，而另一个检测电容减少，两者都可以确定加速度的方向和幅度。由于电容式 MEMS 使用更复杂的架构，因此它们更难制造。

然而，现在它们的采样率更接近工业环境中的压电设备，这意味着在电机、风扇和泵等许多应用中，电容式 MEMS 提供了足够的性能和更多优势。

电容式 MEMS 更小、更坚固、更简单

压电和电容 MEMS 的结果几乎无法区分

Alessandra、Giuseppe 和 Alessandro 的论文引人入胜，因为它帮助读者理解为什么该行业继续改进电容式 MEMS 而不是仅仅依靠现状。事实上，由于它们的结构，它们在极端冲击后提供了快速的恢复时间，并且它们的结构确保了随着时间和温度的出色稳定性，这与可能对这些问题更敏感的晶体相反。使用电容式加速度计的传感器节点也更易于设计，因为它们不需要外部模数转换器 （ADC） 或其他信号调理电路，它们甚至可以在不移动传感器的情况下进行自检来验证传感器的功能。它的位置。总体，它们消耗更少的电力、更小、更具成本效益，从而为彻底颠覆预测性维护市场打开了大门。

压电加速度计并没有消亡，当涉及到需要具有极高带宽（高于 10 到 20 kHz）的设备的应用时，它们继续主导市场。然而，由于新的发展，任何受益于具有 5 kHz 采样率的加速度计的系统都可以使用电容式 MEMS。事实上，当我们将采样频率为 5.3 kHz 的 IIS2DH 设备与采样频率为 6.4 kHz 的压电传感器进行比较时，没有明显的差异，因为变化微不足道。 结果如此接近以至于很难区分它们，这意味着在业内第一次可以说依靠电容式加速度计进行 PdM 对需要兼容带宽的应用没有不利影响电容式微机电系统。

本文介绍了电容式 MEMS 传感器节点

然而，我们也明白，突破性的基准测试是一回事，而在该领域的实际应用又是另一回事。人们不仅放弃了一种更具成本效益但性能相同的加速度计，并期望行业在一夜之间采用它。这就是为什么 Alessandra、Giuseppe 和 Alessandro 的论文如此重要的原因，因为它为整个传感器节点奠定了基础。显然，他们了解压电 MEMS 周围有一个完整的生态系统，其中包含应用程序和图形用户界面，可帮助工程师读取他们的数据并从 PdM 中受益。因此，他们论文背后的优雅之处在于，他们还展示了公司如何使用STM32F4 微控制器复制整个生态系统和一个简单的电源管理模块。与压电 MEMS 一样，带有 IIS2DH 的节点可以连接到 PC 的 USB 端口，并将所有必要的信息发送到软件。

这项研究的结果实际上使我们发布了STEVAL-BFA001V1B，这是一款具有传感器和 IO-Link 功能的预测性维护套件。此评估板上的加速度计源自ISM330DLC 六轴惯性测量单元 （IMU），它比我们团队在论文中使用的模型更新且具有更高的采样率。因此，工程师可以从更好的性能中受益。由于STSW-BFA001V1，开发人员还可以访问演示示例，向他们展示如何执行频域和时域分析软件包。因此，通过提供源代码、库和算法，我们还极大地简化了 PdM 应用程序的开发并使之成为可能，从而进一步提高了具有电容式 MEMS 的传感器节点的成本效益。因此，这实际上是从我们的实验室到您手中的一项创新。

审核编辑：郭婷