設備故障診斷系統資訊：壓電MEMS無線振動傳感器的仿真設計發展以及管理系統集成

麥姆斯咨詢：本文為OnScale與Mentor合作推出，由行業專家撰寫，文章詳細介紹了壓電MEMS超聲波換能器產品的設計過程，包括傳感器的仿真、設計以及它與整個系統的集成。設備故障診斷系統具有緩變信號（如溫度、壓力、轉速、流量等）與動態信號（如振動信號）的數據融合處理功能；具有黑匣子記錄功能；系統滿足車輛振動沖擊環境下的使用要求。電渦流位移傳感器能靜態和動態地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化計量工具。一體化振動變送器將壓電傳感器和精密測量電路集成在一起，實現了傳統“傳感器+信號調理器”和“傳感器+監測儀表”模式的振動測量系統的功能；適合構建經濟型高精度振動測量系統。

了解系統 我們正在開發一種槽罐液位監測系統。該系統可以安裝在啤酒廠、釀酒廠和其他飲料廠的物聯網邊緣設備中，用以收集液位的狀態，并可主動通知技術人員是否存在任何問題（例如泄漏）。我們對系統了改良（圖1），利用壓電MEMS超聲波換能器（PMUT）來監測水箱中的液位，并定期將測量結果上傳到網關設備中。 圖1：槽罐液位監測系統框圖 壓電MEMS超聲波換能器在罐體中發射超聲波，然后測量被液體表面反射的波，從而得到一個很小的模擬機械波（需要放大）。發射波與反射波之間的時間差與液體的距離成正比。模擬前端（AFE）將MEMS波形放大并將信號轉換為表示飛行時間（或液體深度兩倍）的積分電壓。模數轉換器（ADC）將該電壓轉換成數字信號，以作為運行軟件的微控制器的輸入。時鐘、PLL和振蕩器電路是數字電路的支持模塊，偏置電流發生器、電壓調節器和帶隙基準是模擬電路的支持模塊。射頻（RF）發送器將數據發送到網關。Arm Cortex-M3微控制器與模擬電路和RF發送器相連。如果將來我們計劃增加振動故障診斷監測系統，還需要多路復用器，但對于本白皮書，我們不考慮這兩個元素。 了解傳感器 據麥姆斯咨詢介紹，超聲波換能器使用超聲波來探測傳感器與其他物體之間的距離。它們能夠將電能轉換為機械能，并且在大多數情況下，還能將機械能轉換回電能。正是這種功能的二元性使得超聲波換能器可以向物體或界面發射壓力波，并可以在這些波被反射回源時探測它們。雖然在日常生活中有著廣泛的應用，但與其它競爭技術相比，傳統的超聲波換能器更笨重、更耗電、更昂貴。這限制了它們的應用，特別是在消費領域，但這種情況由于MEMS技術的應用而正在快速改變。 即將上市的新一代小型化超聲波換能器的功耗比前代產品低了一個數量級。沒有什么比當前我們開發并實施在系統中的PMUT更合適的例子了。PMUT由一個懸浮在腔體上的壓電薄膜組成，壓電薄膜通常為鋯鈦酸鋅（PZT）或氮化鋁（AlN）材料。當在膜上施加電脈沖時，膜會振動并直接在它接觸的介質中產生聲波。當設計剛好為共振頻率時，PMUT可以用非常小的功率產生大量的能量。圖2顯示了PMUT橫截面示意圖，可以調整膜厚度和直徑大小來優化給定介質的共振頻率。