設(shè)備故障診斷系統(tǒng)資訊：壓電MEMS無(wú)線振動(dòng)傳感器的仿真設(shè)計(jì)發(fā)展以及管理系統(tǒng)集成

麥姆斯咨詢：本文為OnScale與Mentor合作推出，由行業(yè)專家撰寫，文章詳細(xì)介紹了壓電MEMS超聲波換能器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括傳感器的仿真、設(shè)計(jì)以及它與整個(gè)系統(tǒng)的集成。設(shè)備故障診斷系統(tǒng)具有緩變信號(hào)（如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、流量等）與動(dòng)態(tài)信號(hào)（如振動(dòng)信號(hào)）的數(shù)據(jù)融合處理功能；具有黑匣子記錄功能；系統(tǒng)滿足車輛振動(dòng)沖擊環(huán)境下的使用要求。電渦流位移傳感器能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化計(jì)量工具。一體化振動(dòng)變送器將壓電傳感器和精密測(cè)量電路集成在一起，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)“傳感器+信號(hào)調(diào)理器”和“傳感器+監(jiān)測(cè)儀表”模式的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的功能；適合構(gòu)建經(jīng)濟(jì)型高精度振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

了解系統(tǒng) 我們正在開發(fā)一種槽罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以安裝在啤酒廠、釀酒廠和其他飲料廠的物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備中，用以收集液位的狀態(tài)，并可主動(dòng)通知技術(shù)人員是否存在任何問(wèn)題（例如泄漏）。我們對(duì)系統(tǒng)了改良（圖1），利用壓電MEMS超聲波換能器（PMUT）來(lái)監(jiān)測(cè)水箱中的液位，并定期將測(cè)量結(jié)果上傳到網(wǎng)關(guān)設(shè)備中。 圖1：槽罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖 壓電MEMS超聲波換能器在罐體中發(fā)射超聲波，然后測(cè)量被液體表面反射的波，從而得到一個(gè)很小的模擬機(jī)械波（需要放大）。發(fā)射波與反射波之間的時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換為表示飛行時(shí)間（或液體深度兩倍）的積分電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將該電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以作為運(yùn)行軟件的微控制器的輸入。時(shí)鐘、PLL和振蕩器電路是數(shù)字電路的支持模塊，偏置電流發(fā)生器、電壓調(diào)節(jié)器和帶隙基準(zhǔn)是模擬電路的支持模塊。射頻（RF）發(fā)送器將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。Arm Cortex-M3微控制器與模擬電路和RF發(fā)送器相連。如果將來(lái)我們計(jì)劃增加振動(dòng)故障診斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還需要多路復(fù)用器，但對(duì)于本白皮書，我們不考慮這兩個(gè)元素。 了解傳感器 據(jù)麥姆斯咨詢介紹，超聲波換能器使用超聲波來(lái)探測(cè)傳感器與其他物體之間的距離。它們能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能，并且在大多數(shù)情況下，還能將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(fā)射壓力波，并可以在這些波被反射回源時(shí)探測(cè)它們。雖然在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，但與其它競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)相比，傳統(tǒng)的超聲波換能器更笨重、更耗電、更昂貴。這限制了它們的應(yīng)用，特別是在消費(fèi)領(lǐng)域，但這種情況由于MEMS技術(shù)的應(yīng)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(chǎn)品低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。沒有什么比當(dāng)前我們開發(fā)并實(shí)施在系統(tǒng)中的PMUT更合適的例子了。PMUT由一個(gè)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(dāng)在膜上施加電脈沖時(shí)，膜會(huì)振動(dòng)并直接在它接觸的介質(zhì)中產(chǎn)生聲波。當(dāng)設(shè)計(jì)剛好為共振頻率時(shí)，PMUT可以用非常小的功率產(chǎn)生大量的能量。圖2顯示了PMUT橫截面示意圖，可以調(diào)整膜厚度和直徑大小來(lái)優(yōu)化給定介質(zhì)的共振頻率。