一种基于MEMS芯片的振动和冲击复合传感器的制作方法

一种基于mems芯片的振动和冲击复合传感器
技术领域
1.本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于mems芯片的振动和冲击复合传感器。


背景技术：

2.现有技术中，工业设备的故障检测通常采用振动监测来实现。传统的工业设备的振动监测是通过振动加速度压电陶瓷传感器获得，而工业设备的脉冲冲击波信号的压电传感器获得的振动加速度信号往往强度较小淹没于普通的振动信号中不易检测识别。另外，传统的压电传感器仅实现振动加速度压电传感，没有冲击振动监测功能。
3.冲击脉冲波是指传播于坚硬材料(如钢)中具有非常急剧的上升和下降时间的机械波。相对于传统的振动传感器，冲击脉冲传感器具有明显的优势，其中一个最大的优势是冲击脉冲传感器可以提前3至7个月的时间预知工业设备的故障。
4.以轴承的故障检测为例，冲击脉冲传感器通过硬件和软件的共同作用，确保在某一频率(例如32khz)共振，使得所取的信号较常规振动传感器取得的信号幅值大5
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7倍，因此，当轴承存在轻微的故障时，冲击脉冲就可以捕捉到可靠信号；而振动传感器捕捉到轴承故障信号时，轴承故障已经很严重，拆下轴承后，肉眼明显可以看到轴承的缺陷。
5.在工业应用领域，需要工业设备的在线健康状态检查与故障预知维修。其中，振动波检测主要侧重于工业设备的严重故障的监测，而冲击波检测主要侧重于工业设备的早期故障监测。同时具备振动波检测和冲击波检测这两种技术的传感器能够比较好地进行工业设备的全生命周期健康管理预警，最大化减少因非计划性停机造成的经济损失与安全隐患。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种基于mems(微机电系统，micro
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electro
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mechanical system)芯片的振动和冲击复合传感器，所要解决的技术问题至少包括如何基于mems芯片设计一种新型的振动和冲击复合传感器，实现工业机械设备振动与脉冲冲击检测合而为一。
7.为了实现上述目的，本发明提供一种基于mems芯片的振动和冲击复合传感器，包括基于mems振动加速度计单元、带通滤波电路单元、adc数字采集单元、低噪放信号调理单元和适配iepe输出电路接口单元，所述的基于mems振动加速度计单元与所述的带通滤波电路单元连接，所述的基于mems振动加速度计单元用于获取被测设备的冲击特性，实现对被测设备振动加速度信号的检测，同时提供冲击脉冲信号检测；所述的带通滤波电路单元用于对脉冲冲击信号进行围绕共振点进行窄带滤波以抑制带外干扰；所述的带通滤波电路单元还分别与所述的adc数字采集单元和所述的低噪放信号调理单元连接，所述的adc数字采集单元用于对包含振动与冲击的加速度模拟信号进行高精度的模数转换；所述的低噪放信号调理单元用于加速度模拟信号的超低噪声处理与低噪信号放大处理；所述的低噪放信号
调理单元与所述的适配iepe输出电路接口单元连接，该低噪放信号调理单元向所述的适配iepe输出电路接口单元输出模拟量；所述的适配iepe输出电路接口单元用于完成加速度模拟信号与iepe接口转换。
8.所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器还包括固态数据暂存/续传单元，该固态数据暂存/续传单元与所述的adc数字采集单元连接，用于数据暂存与续传，同时也用于特殊情形下掉电后数据的保存与恢复。
9.所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器还包括数据交互动态缓存单元，所述的数据交互动态缓存单元与所述的adc数字采集单元连接，用于进行数字信号处理所需要的大容量中间数据暂存与交换。
10.所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器还包括适配wifi/bt4.2输出电路接口单元、适配lan输出电路接口单元和网络控制状态查询交互单元；所述的adc数字采集单元均与所述的适配wifi/bt4.2输出电路接口单元和适配lan输出电路接口单元连接，所述的adc数字采集单元向所述的适配wifi/bt4.2输出电路接口单元和适配lan输出电路接口单元输出spi/sdio数字量；所述的适配wifi/bt4.2输出电路接口单元用于传感器数字化数据无线上传；所述的适配lan输出电路接口单元用于传感器数字化数据通过以太网lan接口有线上传；所述的适配wifi/bt4.2输出电路接口单元和适配lan输出电路接口单元均与所述的网络控制状态查询交互单元连接，所述的网络控制状态查询交互单元用于传感器参数与远程用户指令获取与配置交互。
11.所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器还包括安全加密可选模块，该安全加密可选模块与所述的固态数据暂存/续传单元连接，用于传感器数据的密钥加密处理。
12.所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器还包括结构紧固及刚连接单元、低功耗供电无线充电可选模块和感测元件模块，所述的结构紧固及刚连接单元用于采用精致结构设计和强力胶粘接工艺来保障振动冲击波加速度信号的最大化传递与最小化衰减，所述的低功耗供电无线充电可选模块用于为传感器电源模块充电；所述的感测元件模块用于感测温度、湿度、压力和/或空气噪声。
13.所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器包含0.1hz～10khz的振动频段部分和20khz以上的冲击信号频段。
14.所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器还包括机械安装螺栓、金属壳体装置、mems传感器绝缘主基板、带通滤波器、低噪声信号调理单元、金属封闭壳屏蔽罩、iepe匹配接口输出单元、两导线注塑密封体和两芯螺纹连接金属航插头，所述的机械安装螺栓用于所述的复合传感器与被测设备的刚体连接，该机械安装螺栓与所述的金属壳体装置之间为整体刚体连接；所述的金属壳体装置是所述复合传感器外部的金属保护壳体；所述的mems传感器绝缘主基板是用于基于mems振动加速度计单元的金属绝缘基板，该mems传感器绝缘主基板保持与所述的金属壳体装置绝缘；所述的带通滤波器为所述的带通滤波电路单元；所述的低噪声信号调理单元为低噪放信号调理单元；所述的金属封闭壳屏蔽罩用于屏蔽所述的复合传感器免受外部干扰；所述的iepe匹配接口输出单元与所述的适配iepe输出电路接口单元电连接；金属壳体装置和金属封闭壳屏蔽罩构成屏蔽壳体；所述的两导线注塑密封体与所述屏蔽壳体的内部的电路板引线通过中心孔洞与带屏蔽的导线连接，屏蔽壳体内部的电路板还与带通滤波器连接；所述的两芯螺纹连接金属航插头内部通过所述的两
导线注塑密封体相互连接。
15.所述的机械安装螺栓是标准的安装m8或m6螺栓。
16.所述的金属封闭壳屏蔽罩与金属壳体装置之间通过绝缘支架隔离强力胶粘接或螺丝紧固。
17.有益效果
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.本发明所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器具有振动加速度的传感器的性能，同时兼具有冲击脉冲加速度传感器的性能。本发明基于宽频的mems加速度计设计了一种集合微弱信号低噪放电路、带通滤波电路的新型芯片传感器，该新型芯片传感器是将工业机械设备振动与脉冲冲击检测合而为一的复合传感器，且具有功耗低、尺寸小、低频响应好、多功能等显著的优点。
20.mems是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统，具有微型化、集成化、智能化、多样化、批量化等特点，各类mems传感器能够替代人类和自然界的感知能力又不仅限于此，不仅将逐步革新替代传统传感器件，而且能够持续不断地涌现新的应用，是未来传感器的发展方向，也是万物互联与人工智能时代在感知层与执行层的核心基础器件。随着高频通信带来数据管道与中央处理容量的持续提升，mems的应用将越来越广泛，如高频通信、生物医疗、工业科学、消费电子、智能汽车、人工智能、工业4.0、智慧家庭等。
21.相对于传统的机械，mems器件尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米。mems工艺可以大量利用集成电路生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。
22.本发明提供了一种将工业机械设备振动与脉冲冲击检测合而为一的复合传感器，包含传感器振动加速度检测和振动冲击检测两个方面，其中振动冲击检测通过共振技术使得共振频带足够窄、衰减时间足够短、放大倍数足够准。本发明利用了mems芯片的宽频带，获得传统意义上的振动加速度检测，同时通过芯片的共振点技术将被测设备故障点的宽频低能量的冲击信号共振到某相对固定高频位置的窄频高能量信号，有利于检测设备的早期故障。
附图说明
23.附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的具体实施方式一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
24.图1是所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器的逻辑结构示意图。
25.图2是所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器的检测频段示意图。
26.图3是所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器的机械结构示意图。
具体实施方式
27.在下文中更详细地描述了本发明以有助于对本发明的理解。
28.如图1所示，本发明所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器包括基于mems
振动加速度计单元、带通滤波电路单元、adc数字采集单元、低噪放信号调理单元和适配iepe输出电路接口单元，所述的基于mems振动加速度计单元与所述的带通滤波电路单元连接，所述的基于mems振动加速度计单元用于获取被测设备的冲击特性，实现对被测设备振动加速度信号的检测，同时提供冲击脉冲信号检测；所述的带通滤波电路单元用于对脉冲冲击信号进行围绕共振点fm进行窄带滤波以抑制带外干扰；所述的带通滤波电路单元还分别与所述的adc数字采集单元和所述的低噪放信号调理单元连接。
29.所述的adc数字采集单元用于包含振动与冲击的加速度模拟信号高精度的模数转换，通常选用的adc的采样位宽不低于24位直至32位；带通滤波电路单元用于通过带通数字滤波的手段分别分离出0.1hz～10khz的工业设备的加速度振动数据，用于振动监测的一系列信号处理手段；同时，带通滤波单元还用于通过带通数字滤波的手段分离出围绕冲击波信号共振点的窄带的冲击波分量，通过包络谱等的一系列信号处理手段，分析提取工业设备的故障征兆特征信息。
30.所述的低噪放信号调理单元用于加速度模拟信号的超低噪声处理与低噪信号放大处理；低噪放信号调理单元是基于模拟电路，通过精心选用低噪低温漂元器件材料(例如低噪电阻)，及选用恰当的低噪运算放大器组成有源滤波器，根据实际传感器的共振点位置动态调整滤波参数，降低带外噪声，从而最大限度地提取工业设备的故障征兆特征信息，更为精准预测工业设备的故障状态，从而有准备地对工业设备进行全生命周期健康管理，节能增效。
31.所述的低噪放信号调理单元与所述的适配iepe输出电路接口单元连接，该低噪放信号调理单元向所述的适配iepe输出电路接口单元输出模拟量；所述的适配iepe输出电路接口单元用于完成加速度模拟信号与iepe接口转换。iepe接口由于有着集成低功耗恒流源供电及传输传感器电压输出信号于一体的特点，并且支持电缆线距离从几十米直至150米的长度信号仍然满足要求。因此，专门增加适配iepe输出接口，增加传感器的电缆布线的长度以满足工业设备现场的要求。
32.本发明所述的基于mems振动加速度计单元为一种mems振动加速度计，用于实现振动与冲击脉冲复合传感器方法，能够实现对被测设备振动加速度信号检测，同时提供冲击脉冲信号检测，实现振动与冲击脉冲合而为一的机械振动冲击信号检测的多功能传感器，形成集成的传感器芯片单元。
33.所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器还包括固态数据暂存/续传单元，该固态数据暂存/续传单元与所述的adc数字采集单元连接，用于数据暂存与续传，同时也用于特殊情形下掉电后数据的保存与恢复。固态数据暂存/续传单元的数据为传感器经过低噪信号调理、数字adc采集、数字信号算法处理等一系列过程提取的工业设备的冲击振动波的目标特征征兆信息的标准化数据样本集合，服务于后续的工业设备数据云计算等，减少数据冗余，减少云计算大数据的规模，提高效率。
34.所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器还包括数据交互动态缓存单元，所述的数据交互动态缓存单元与所述的adc数字采集单元连接，用于进行数字信号处理所需要的大容量中间数据暂存与交换。该单元主要用于缓存来自于adc数字采集单元的大量数据，同时根据冲击振动波的目标特征征兆信息的标准化数据样本集合的要求，进行信号算法处理所需要的中间数据的暂存与交换。
35.所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器还包括适配wifi/bt4.2输出电路接口单元、适配lan输出电路接口单元和网络控制状态查询交互单元；所述的adc数字采集单元均与所述的适配wifi/bt4.2输出电路接口单元和适配lan输出电路接口单元连接，所述的adc数字采集单元向所述的适配wifi/bt4.2输出电路接口单元和适配lan输出电路接口单元输出spi/sdio数字量；所述的适配wifi/bt4.2输出电路接口单元用于传感器数字化数据无线上传；根据无线数据传输的数据率的需求，动态调整无线传输的接口形式。在无线传输数据率较低且满足低功耗蓝牙的数据带宽要求的前提下，优先选用bt4.2；在无线传输需要较大数据率的情况下，选用wifi接口形式。
36.所述的适配lan输出电路接口单元用于传感器数字化数据通过以太网lan接口有线上传；在有线数字数据传输条件具备的情况下，通过lan接口有线传输相对无线传输方式来说稳定可靠。
37.所述的适配wifi/bt4.2输出电路接口单元和适配lan输出电路接口单元均与所述的网络控制状态查询交互单元连接，所述的网络控制状态查询交互单元用于传感器参数与远程用户指令获取与配置交互。该功能单元的使用能够依据用户和现场复杂多变的需求，灵活方便配置预设的多种现场工作模式，适配各种工作情形。
38.所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器还包括安全加密可选模块，该安全加密可选模块与所述的固态数据暂存/续传单元连接，用于传感器数据的密钥加密处理。安全加密可选模块，内嵌安全算法优化的硬件加速器，且内部固化有加密安全算法。
39.所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器还包括结构紧固及刚连接单元、低功耗供电无线充电可选模块和感测元件模块，所述的结构紧固及刚连接单元用于采用精致结构设计和强力胶粘接工艺来保障振动冲击波加速度信号的最大化传递与最小化衰减。
40.所述的低功耗供电无线充电可选模块用于为传感器电源模块充电；所述的感测元件模块用于感测温度、湿度、压力、空气噪声等参量。工业设备的被监测部位的温度、湿度、压力、空气噪声等参数的变化趋势分析有助于从不同角度体现工业设备的健康状态，但其作用不如振动冲击波的监测更为直接有效，仅作为辅助参考。
41.本发明所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器具有微型化、集成化、智能化、多样化、批量化等特点，具有传统振动传感器不可替代的优势。
42.来自被测设备的冲击脉冲在时域上时间持续的时间很短暂，一般为几微秒到几十微秒，但在频域范围非常宽。本发明所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器的共振频率使远在振动频率之外(20khz以上)的冲击脉冲被放大数倍，从而很容易被检测到。不同于振动传感器设在振动传感器灵敏度曲线直线段部分，一般频率范围在0.1
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10khz。
43.如图2所示，本发明所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器包含0.1hz～10khz的振动频段部分，还包含位于远高于振动频率的共振频率附近的冲击信号频段(20khz以上)，从而来自被测设备的振动频率范围与来自被测设备的脉冲冲击共振频率分频段于频域不重叠，同时被检测到。图2中，f1～f1：0.1hz～10khz；fm:一般设计为大于20khz。
44.如图3所示，本发明所述的基于mems芯片的振动和冲击复合传感器还包括机械安装螺栓1、金属壳体装置2、mems传感器绝缘主基板3、带通滤波器4、低噪声信号调理单元5、金属封闭壳屏蔽罩6、iepe匹配接口输出单元7、两导线注塑密封体8和两芯螺纹连接金属航
插头9，所述的机械安装螺栓1用于所述的复合传感器与被测设备的刚体连接，该机械安装螺栓1与所述的金属壳体装置2之间为整体刚体连接；所述的金属壳体装置2是所述复合传感器外部的金属保护壳体；所述的mems传感器绝缘主基板3是用于基于mems振动加速度计单元的金属绝缘基板，该mems传感器绝缘主基板3保持与所述的金属壳体装置2绝缘；所述的带通滤波器4为所述的带通滤波电路单元；所述的低噪声信号调理单元5为所述的低噪放信号调理单元；低噪声，更准确地讲，是低噪元件的选取，比如低噪电阻；低噪放指的是低噪放大器。
45.所述的金属封闭壳屏蔽罩6用于屏蔽所述的复合传感器免受外部干扰；所述的iepe匹配接口输出单元7与所述的适配iepe输出电路接口单元电连接；所述的两导线注塑密封体8与屏蔽壳体(金属壳体装置2和金属封闭壳屏蔽罩构成屏蔽壳体)内部的电路板引线通过中心孔洞与带屏蔽的导线连接，屏蔽壳体内部的电路板与带通滤波器4连接；所述的两芯螺纹连接金属航插头9内部通过所述的两导线注塑密封体8相互连接。
46.在优选的实施例中，所述的mems传感器绝缘主基板3、带通滤波器4、低噪声信号调理单元5、iepe匹配接口输出单元7和两导线注塑密封体8的部分电路会部分合并为一块电路单元处理。电路单元之间的信号连接建议通过软线缆连接。整体结构设计中，在保障整体刚性的基础上，尽量减少整体的质量，以利于来自被测设备的振动冲击最大限度地高质量传导到传感器，减少衰减的不利影响。
47.所述的机械安装螺栓1是标准的安装m8/m6螺栓。
48.所述的金属封闭壳屏蔽罩6与传感器外部金属保护壳体(即金属壳体装置2)之间通过绝缘支架隔离强力胶粘接或螺丝紧固。
49.本发明所述的基于mems芯片的加速度计具有非常好的超低频特性；同时获得较宽的频率范围；通过mems芯片的谐振点及结构设计(谐振点的设计主要依赖于刚性的结构设计：外壳采用不锈钢306l材料，内壳考虑到减重要求采用硬铝材料，外壳内壳之间采用耐高温的高绝缘环氧树脂隔离，外壳、内壳、绝缘环氧树脂之间通过高强度耐高温的厌氧强力胶粘接，接口采用符合美军标的3015双针接口)，可以获取被测设备的冲击特性。
50.以上描述了本发明优选实施方式，然其并非用以限定本发明。本领域技术人员对在此公开的实施方案可进行并不偏离本发明范畴和精神的改进和变化。