设备故障诊断系统资讯：压电MEMS无线振动传感器的仿真设计发展以及管理系统集成

麦姆斯咨询：本文为OnScale与Mentor合作推出，由行业专家撰写，文章详细介绍了压电MEMS超声波换能器产品的设计过程，包括传感器的仿真、设计以及它与整个系统的集成。设备故障诊断系统具有缓变信号（如温度、压力、转速、流量等）与动态信号（如振动信号）的数据融合处理功能；具有黑匣子记录功能；系统满足车辆振动冲击环境下的使用要求。电涡流位移传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。一体化振动变送器将压电传感器和精密测量电路集成在一起，实现了传统“传感器+信号调理器”和“传感器+监测仪表”模式的振动测量系统的功能；适合构建经济型高精度振动测量系统。

了解系统 我们正在开发一种槽罐液位监测系统。该系统可以安装在啤酒厂、酿酒厂和其他饮料厂的物联网边缘设备中，用以收集液位的状态，并可主动通知技术人员是否存在任何问题（例如泄漏）。我们对系统了改良（图1），利用压电MEMS超声波换能器（PMUT）来监测水箱中的液位，并定期将测量结果上传到网关设备中。 图1：槽罐液位监测系统框图 压电MEMS超声波换能器在罐体中发射超声波，然后测量被液体表面反射的波，从而得到一个很小的模拟机械波（需要放大）。发射波与反射波之间的时间差与液体的距离成正比。模拟前端（AFE）将MEMS波形放大并将信号转换为表示飞行时间（或液体深度两倍）的积分电压。模数转换器（ADC）将该电压转换成数字信号，以作为运行软件的微控制器的输入。时钟、PLL和振荡器电路是数字电路的支持?？?，偏置电流发生器、电压调节器和带隙基准是模拟电路的支持?？椤Ｉ淦担≧F）发送器将数据发送到网关。Arm Cortex-M3微控制器与模拟电路和RF发送器相连。如果将来我们计划增加振动故障诊断监测系统，还需要多路复用器，但对于本白皮书，我们不考虑这两个元素。 了解传感器 据麦姆斯咨询介绍，超声波换能器使用超声波来探测传感器与其他物体之间的距离。它们能够将电能转换为机械能，并且在大多数情况下，还能将机械能转换回电能。正是这种功能的二元性使得超声波换能器可以向物体或界面发射压力波，并可以在这些波被反射回源时探测它们。虽然在日常生活中有着广泛的应用，但与其它竞争技术相比，传统的超声波换能器更笨重、更耗电、更昂贵。这限制了它们的应用，特别是在消费领域，但这种情况由于MEMS技术的应用而正在快速改变。 即将上市的新一代小型化超声波换能器的功耗比前代产品低了一个数量级。没有什么比当前我们开发并实施在系统中的PMUT更合适的例子了。PMUT由一个悬浮在腔体上的压电薄膜组成，压电薄膜通常为锆钛酸锌（PZT）或氮化铝（AlN）材料。当在膜上施加电脉冲时，膜会振动并直接在它接触的介质中产生声波。当设计刚好为共振频率时，PMUT可以用非常小的功率产生大量的能量。图2显示了PMUT横截面示意图，可以调整膜厚度和直径大小来优化给定介质的共振频率。