Классификация и области применения датчиков. Классификация и области применения датчиков Энкодер AS5311 Austriamicrosystems - ИС Холла для линейного и углового Off-Axis детектирования движения многополюсного магнита

МИКРОСХЕМЫ

СЕРИИ KIII6

ные логические микросхемы КШ6КП1, К1116КП2, КП16КПЗ, КП 16КП4, К111ЬКП7, К1116КП8, К1116КП9 и КП16КП10 пред * ставляют собой особый класс полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на изменении сигнала на их выходе при воздействии внешнего магнитного поля. Иначе говоря, эти микросхемы выполняют функции электронных ключей, управляемых магнитным полем.

Магнитоуправляемые микросхемы находят широкое применение в качестве чувствительных элементов в функциональнориентн рованных магнитных датчиках электрического тока и напряжения, скорости и направления вращения, угла поворота и конечного положения, расхода жидкости и газа и т. д. Их также используют в бесконтактных (вентильных) электродвигателях, устройствах аварийной и охранной сигнализации, бесконтактных системах электронного зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, системах авто¬

стопа в бытовой радиоаппаратуре, в металлоискателях и дефектоскопах, в электронных предохранителях, в клавиатуре ЭВМ и т. д. и т. п.

Основные преимущества магнитоуправляемых микросхем по сравнению с другими преобразователями физических (неэлектрических) величин - простота обеспечения практически идеальных механической, электрической, тепловой и других видов развязки измерительных и управляющих цепей от объектов контроля, а также большой динамический диапазон и возможность непосредственного сопряжения со стандартными логическими узлами.

Микросхемы этой серии представляют собой устройства малой степени интеграции, содержащие в одном кремниевом кристалле преобразователь магнитного поля и электронное устройство усиления и обработки сигнала. Преобразовате¬

лем магнитного поля служит интегральный 4-электродный элемент Холла, принцип действия которого основан на возникновении на двух продольных электродах ЭДС. прямо пропорциональной произведению напряженности магнитного поля на ток, протекающий через поперечные электроды.

Микросхемы изготовляют по эпипланарной технологии и оформляют в 3- и 5- выводном пластмассовом корпусе с жесткими плоскими выводами. Внешний вид и чертежи корпуса показаны на рис. I, а цоколевка - в табл. 1, Штрих-пунктирным квадратом на чертежах обозначено размещение зоны чувствительности элемента Холла (размеры зоны у микро схем К1116КП9 и К1116КП10 - 1,5Х 1,5 мм). Функциональная схема типовой микросхемы представлена на рис. 2. По реакции на воздействие внешнего магнитного ноля микросхемы подразделяют Таблица 1

Микросхема

Номер вывода

К1116КП1, КП16КП2

К1116КЗ, К1116КП4 К1116КП7, К1116КП8

К1116КП9, К1116КП10

К1116КП9, К1116КП10

на униполярные, уровень напряжения на выходе которых зависит от значения индукции магнитного поля одной полярности, и биполярные, уровень выходного напряжения которых зависит как от значения индукции, так и от знака (полярности) воздействующего магнитного поля.

(Продолжение следует)

Материал подготовили М. БАРАНОЧНИКОВ, В. ПАПУ

г. Москва

Сущность эффекта, открытого в 1879 г. американским физиком Э. Холлом, заключается в появлении разности потенциалов между гранями полупроводниковой пластины, через которую протекает ток и на которую воздействует перпендикулярное магнитное поле. Разность потенциалов прямо пропорциональна силе тока и квадрату магнитной индукции.

Эффект Холла широко применяется в бесконтактных датчиках тока. Другое направление - датчики перемещения, в которых элемент Холла крепится к неподвижному шасси, а собственно магнит находится на движущейся части исследуемого объекта. Поскольку выходной сигнал датчика Холла пропорционален индукции магнитного поля, а не скорости его изменения, это даёт серьёзное преимущество в точности по сравнению с аналогичными по назначению индуктивными датчиками.

Магниточувствительные элементы, использующие эффект Холла, обычно называют «датчиками Холла» (англ. «Hall Sensor»). Различают простые и интегральные датчики Холла. В последних кроме полупроводниковой пластины содержится встроенный усилитель-формирователь. Типовые параметры интегральных датчиков Холла: напряжение питания 2.5…5 В или 4.5… 18 В, ток потребления 8…20 мА, минимальная регистрируемая магнитная индукция 2… 10 мТл, выходной сигнал - аналоговый (модулированное по амплитуде напряжение) или цифровой (открытый коллектор, КМОП-элемент, импульсы ШИМ).

На Рис. 3.74 а…м показаны схемы подключения датчиков Холла к МК.

Рис. 3.74. Схемы подключения датчиков Холла к МК {начало):

а) датчик Холла DAI имеет выход с открытым коллектором и встроенную схему защиты от замыкания на шину питания. Микросхема УР1101ХП29 реагирует на магнитное поле положительной полярности, УР1101ХП49 - на поле положительной и отрицательной полярности с триггерным эффектом запоминания;

б) диод VD1 защищает вход МК от случайной подачи высокого положительного напряжения. Конденсатор С J снижает помехи, поступающие от датчика Холла по длинным проводам;

в) включение/выключение датчика Холла DAI по сигналам с выхода МК. Датчик реагирует на магнитное поле как положительного, так и отрицательного направления. Замена микросхемы /)/!/- К1116КП2;

Рис. 3.74. Схемы подключения датчиков Холла к МК {продолжение):

г) датчик Холла?14/ (фирма Ampson Technology) имеет два противофазных выхода. Прямой сигнал поступает на МК, а инверсный - на внешнее исполнительное устройство через выход с открытым коллектором;

д) для усиления сигнала с датчика Холла?14/ (фирма Allegro MicroSystems) используется ОУ DA2. Резистором RI выставляется начальное напряжение на входе МК, близкое к половине питания. Резистором /?J регулируется усиление/чувствительность;

е) датчик оборотов двигателя бормашины, выполненный на специализированной бескорпусной микросборке DAI, содержащей на подложке датчик Холла. На ОУ DA2 собран двухка- скадный усилитель напряжения (регулируется резистором RW), Резистор /?/ балансирует мостовую схему, находящуюся внутри DAI, что необходимо для начальной калибровки показаний;

ж) подключение датчика Холла DA / (фирма Allegro MicroSystems) к М К через малошумящий ОУ DA2,1 и двухзвенный ФНЧ {R5, С1, R6, С2). Резистором R4 выставляется усиление;

Рис. 3.74. Схемы подключения датчиков Холла к ЫК {окончание):

з) микросхема DA! (фирма Melexis) - это интеллектуальный датчик магнитного поля с внутренним DSP и со своей системой команд. По-другому микросхему DA! называют «цифровым датчиком Холла». Трёхпроводной интерфейс связи напоминает SPI, но вместо двух отдельных линий MISO и MOSI сделана одна совмещённая линия MISO-MOSI;

w) DA1 - это микросхема датчика Холла, щироко применявщаяся ранее в компьютерных клавиатурах;

к) аналоговый компаратор на микросхеме DA1 (фирма Maxim Integrated Products) обеспечивает крутые фронты сигнала на входе МК. Порог срабатывания определяется делителем /?/, R3\ л) DA! - это микросхема датчика Холла, «изъятая» из компьютерного вентилятора; м) экономичный ОУ на микросхеме Z)/42 (фирма Telefunken) усиливает сигнал сдатчика Холла DAL Транзистор VT1 служит ключом и формирует на выходе прямоугольные импульсы.

В основу классификации датчиков положены характерные признаки, по которым можно выделить следующие группы.

1. По измеряемой физической величине . Это самая обширная группа датчиков, т.к. в технических измерениях, в том числе при контроле и диагностировании, измерению подвергаются около 200 физических величин. Пример: датчики температуры, давления, перемещения, скорости, ускорения, усилия, расхода, уровня, вибрации и т.д. и т.п.

2. По принципу действия , на котором основано функционирование датчика:

а) термопреобразователи: термометры сопротивления (изменение сопротивления металлов Pt, Ni, Cu), термопары (термо ЭДС), полупроводниковые терморезисторы, датчики инфракрасного излучения и т.д.;

б) пьезоэлектрические преобразователи (вибраций, сил, давлений);

в) тензопреобразователи для измерений деформаций и механических напряжений;

г) фотоэлектрические (оптические) датчики (на фотодиодах, светодиодах, лазерах);

д) индуктивные, индукционные, датчики Холла;

е) механические датчики (индикаторные головки);

ж) электромеханические (тахометры, расходомеры);

з) потенциометрические (датчики угла поворота и перемещения);

и) емкостные (датчики перемещения, уровня, влажности, шероховатости);

к) контактные (тактильные): электроконтактные, виброконтактные - датчики положения, позиции на объекте измерения, контроля и диагностирования.

3. По выходному сигналу : аналоговые, цифровые (кодовые), импульсные.

4. По технологии изготовления :

а) традиционная технология: электромеханические датчики, электрические, электровакуумные и т.д.;

б) современная полупроводниковая микроэлектронная технология. Например, объемные кристаллы и пленочные, используемые в виде микросхем, которые напрямую стыкуются с цифровыми микросхемами для дальнейшей обработки сигнала - датчик Холла , гидисторы, термисторы.

В качестве примера применения современных датчиков рассмотрим подробнее измерительные и контрольные устройства, реализованные на базе датчиков Холла и датчиков давления.

Датчики Холла

Современная реализация датчиков Холла осуществляется на базе магнитоуправляемых интегральных логических микросхем серии К1116. Эти микросхемы представляют собой особый класс полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на изменении сигнала на их выходе при воздействии внешнего магнитного поля. Иначе говоря, эти микросхемы выполняют функции электронных ключей, управляемых магнитным полем.

Перспективность использования датчиков Холла в интегральном исполнении на основе магнитоуправляемых микросхем подтверждается тем, что они находят широкое применение в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных магнитных датчиках электрического тока и напряжения, скорости и направления вращения, угла поворота и конечного положения исполнительных устройств, расхода жидкости и газа в ТП и т.д. Их также используют в бесконтактных (вентильных) электродвигателях, устройствах аварийной и охранной сигнализации, бесконтактных системах электронного зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, системах автостопа в бытовой радиоаппаратуре, в металлоискателях и дефектоскопах, в электронных предохранителях, в клавиатуре промышленных компьютеров и пультов управления ТОУ и т.д. и т.п.

Основные преимущества магнитоуправляемых микросхем (МУМС) по сравнению с другими преобразователями физических (неэлектрических) величин - простота обеспечения практически идеальных механической, электрической, тепловой и других видов развязки измерительных и управляющих цепей от объектов контроля, а также большой динамический диапазон и возможность непосредственного сопряжения со стандартными цифровыми микросхемами.

Микросхемы серии К1116 представляют собой устройства малой степени интеграции, содержащие в одном кремниевом кристалле преобразователь магнитного поля и электронное устройство усиления и обработки сигнала. Преобразователем магнитного поля служит интегральный 4-электродный элемент Холла, принцип действия которого основан на возникновении на двух продольных электродах ЭДС, прямо пропорциональной произведению напряженности магнитного поля на ток, протекающий через поперечные электроды. Микросхемы изготовляют по эпипланарной технологии и оформляют в 3–5 – выводном пластмассовом корпусе с жесткими плоскими выводами. Внешний вид и чертежи корпуса показаны на рис. 4.2. Штрихпунктирным квадратом на чертежах обозначено размещение зоны чувствительности элемента Холла (например, размеры зоны у микросхем К1116КП9 и К1116КП10 - 1,5´1,5 мм). Функциональная схема типовой микросхемы, позволяющая реализовать чувствительный элемент датчика Холла, представлена на рис. 4.3. По реакции на воздействие внешнего магнитного поля микросхемы подразделяют на униполярные, уровень напряжения на выходе которых зависит от значения индукции магнитного поля одной полярности, и биполярные, уровень выходного напряжения которых зависит как от значения индукции, так и от знака (полярности) воздействующего магнитного поля.

Рис. 4.2. Внешний вид корпусов микросхем серии К1116

Рис. 4.3. Функциональная схема типовой микросхемы

Униполярные микросхемы К1116КП1, К1116КП3, К1116КП9, К1116КП10 имеют прямой выход, сигнал на котором в отсутствие магнитного поля соответствует уровню логической «1» (рис. 4.4, а). При повышении индукции внешнего магнитного поля до значения в>в сраб происходит переключение микросхемы и уровень сигнала на ее выходе скачком изменяется до логического «0». Униполярная микросхема К1116КП2 имеет инверсный выход, на котором уровень логической «1» появляется при воздействии магнитного поля с индукцией В>В сраб (рис. 4.4, б). Характеристика переключения для биполярных микросхем К1116КП4, К1116КП7 и К1116КП8 представлена на рис. 4.4, в.

С повышением температуры униполярных микросхем происходит увеличение значения индукции срабатывания/отпускания (рис. 4.4, г). С повышением температуры биполярных микросхем индукция срабатывания отпускания уменьшается. Температурный коэффициент изменения индукции срабатывания и отпускания лежит в пределах от 0,01 до 0,05 мТл/°С в зависимости от типа микросхемы.

Повышенная помехоустойчивость микросхем обеспечена наличием гистерезиса (с индукцией 3...9 мТл) на характеристике переключения.

Микросхемы серии К1116 рассчитаны на сопряжение с цифровыми интегральными микросхемами видов РТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ЭСЛ, И 2 Л и структуры КМОП. Одна из возможных схем сопряжения показана на рис. 4.5.

Рис.4.4. Характеристики микросхем серии К1116

Рис.4.5. Схема сопряжения микросхем серии К1116 с ТТЛ – микросхемами

Микросхемы серии К1116 отличаются высокой надежностью (интенсивность отказов – не более 3×10 -7 ч –1), продолжительным сроком службы (50000 ч) и невысокой стоимостью.

МУМС служат основным элементом магнитных датчиков (датчиков Холла), используемых в устройствах самого разнообразного назначения. В настоящее время наиболее широкое распространение получили универсальные магнитные датчики положения (позиции) и перемещения (рис.4.6, а, б). Конструкция датчиков может быть различной, но они всегда содержат преобразователь магнитного поля (в нашем случае - магнитоуправляемую микросхему на основе элемента Холла) и магнитную систему , разомкнутую или замкнутую. Магнитная система может быть составной частью датчика, а может включать в себя и те или иные элементы контролируемого объекта.

Простейший датчик состоит из МУМС и постоянного магнита, укрепленного на подвижном звене контролируемого объекта. При сближении магнита и МУМС на некоторое расстояние индукция магнитного поля становится достаточной для срабатывания микросхемы. Удаление магнита приводит к ее переключению в исходное состояние. При разработке датчиков учитывают известные закономерности действия магнитного поля, характеристики постоянных магнитов, а также влияние элементов конструкции на параметры датчиков.

На рис. 4.6, а изображена конструкция клавишного модуля с беспружинным возвратом в исходное состояние. В исходном состоянии на выходе МУМС уровень либо «0», либо «1». При нажатии на клавишу подвижный магнит опускается, изменяется взаимное расположение полюсов магнитов и уменьшается значение магнитной индукции в зоне микросхемы. В крайнем нижнем положении магниты обращены один к другому одноименными полюсами. Магнитный поток, воздействующий на микросхему, становится минимальным и она переключается. При отпускании клавиши взаимодействие магнитных полей магнитов возвращает ее в исходное положение и фиксирует в нем. МУМС переключается в первоначальное состояние.

Бесконтактная клавиатура с применением МУМС обладает высокой надежностью, отсутствием дребезга контактов и высокой помехоустойчивостью.

Вариант конструкции датчика перемещения показан на рис. 4.6, б. При перемещении в рабочем зазоре датчика шторки из ферромагнитного материала, имеющей сквозные окна (отверстия), на выходе МУМС происходит смена уровней напряжения. Действие шторки основано на экранировании магнитного потока ферромагнитным материалом. Шторка может быть выполнена в виде стакана, пластины, диска, крыльчатки и т. п. Подобный датчик с вращающейся цилиндрической шторкой использован в бесконтактном прерывателе электронной системы зажигания двигателя автомобиля. Такой прерыватель имеет высокую надежность работы и долговечность. Датчик Холла с вращающейся крыльчаткой используется в тахометрических (турбинных) расходомерах технологических жидкостей с повышенными эксплуатационными свойствами.

Если на шторке расположить несколько рядов окон в порядке, соответствующем коду Грея, то с использованием соответствующего числа МУМС и магнитов можно реализовать 5-8-разрядный кодовый датчик линейного перемещения или датчик «частота вращения - код» . В отличие от фотоэлектрического датчика магнитный не требует сложной оптической системы, более надежен и экономичен.

Широкое применение получило использование МУМС в качестве датчиков положения ротора вентильных (бесколлекторных) электродвигателей. Устройство такого электродвигателя схематически представлено на рис. 4.7. Чаще всего датчик положения ротора представляет собой неподвижное кольцо из немагнитного материала, на котором равномерно по окружности установлены 2, 3 или 4 МУМС (в зависимости от числа секций обмотки возбуждения). Микросхемы попадают в зазоры вращающейся вместе с валом системы управляющих магнитов. Ротором электродвигателя служит многополюсный постоянный магнит, а многосекционная обмотка возбуждения играет роль статора. Вращающее магнитное поле обмоток возбуждения формируется бесконтактным коммутатором по командам датчика положения ротора. При этом одна микросхема управляет, как правило, одной из секций обмотки возбуждения.

Использование МУМС в датчике положения ротора обеспечивает возможность управления частотой вращения вентильных электродвигателей в очень широких пределах - от нескольких оборотов в минуту до 60 000. Такие двигатели весьма перспективны для прямого исполнительного привода электромеханических устройств автоматики ТОУ и компьютерной техники, так как обладают большим сроком службы (до 10000 ч), компактны и бесшумны; их КПД достигает 70 %.

С применением МУМС созданы бесконтактные электронные реле . Магнитная система и обмотка такого реле принципиально такие же, как и у обычного электромагнитного, но якорь и связанные с ним контакты отсутствуют. Их заменяют микросхема, установленная в зазоре магнитопровода, и транзисторный усилитель тока. Исполнительный узел реле, выполненный на мощных транзисторах или тиристорах, может быть рассчитан на большой коммутируемый ток (или напряжение). При этом размеры реле остаются относительно небольшими.

Рис.4.7. Устройство датчика положения ротора электродвигателя

Рис.4.8. Применение датчика Холла в схеме защиты от токовых перегрузок

Аналогичные устройства могут быть использованы для электронной защиты цепей питания аппаратуры от перегрузки и замыканий . При необходимости защиты сильноточных цепей (до 1000 А) может быть использовано устройство, конструкция которого изображена на рис. 4.8. Вокруг провода контролируемой цепи располагают кольцевой концентратор, выполненный из трансформаторной стали. В зазор концентратора помещают МУМС. Превышение тока через контролируемый проводник сверх установленного порога приводит к переключению микросхемы и срабатыванию исполнительного устройства. Достоинствами таких релейных устройств являются полная развязка управляющих и исполнительных цепей, высокое быстродействие (десятые доли микросекунды) и искробезопасность.

Если на краю дверцы блока электроавтоматики ТОУ закрепить магнит, а в соответствующем месте на корпусе - МУМС, то можно реализовать защитное устройство, предотвращающее несанкционированное открывание блока. Такое же устройство, смонтированное на микроволновой печи, не позволит включить ее при открытой дверце. Легко представить себе конструкции поплавковых датчиков уровня технологической жидкости с использованием МУМС.

Следует отметить, что МУМС могут быть использованы во многих случаях, в которых применяют герконы. Однако по сравнению с герконами магнитоуправляемые микросхемы обладают меньшими размерами, большей механической прочностью и устойчивостью, отсутствием дребезга контактов при переключении, высокими быстродействием (в 10 раз выше) и надежностью.

Интересные возможности предоставляет применение МУМС в дефектоскопии . Как пример, можно привести конструкцию головки для искателя оборванных проволок в канате. Эти приборы очень нужны горнякам, строителям, эксплуатационникам канатных дорог, лифтов, цеховых кранов, подъемников и т.д.

В статье рассказывается о важных и заметных обновлениях на рынке датчиков движения 2009 года, где в числе новых предложений ведущих производителей выделяются две значительные группы: магнитоуправляемые датчики и MEMS-компоненты - датчики положения, скорости, ускорения, гироскопы и мультисенсорные датчики.

Введение

В последние годы активно разрабатывались бесконтактные технологии измерения различных параметров механического движения - приближения, положения и скорости, перемещения, расстояния, уровня, угла, наклона, ориентации, линейного и углового, а также многооборотного или даже нелинейного движения. Преимущество бесконтактных технологий - отсутствие износа механических частей, высокий, теоретически бесконечный срок службы, упрощение конструкций и методов монтажа. В большинстве случаев датчик является статором, а подвижная часть (ротор) связана механически с объектом, параметры движения которого детектируются.

Группа датчиков движения обширна и включает переключатели, аналоговые и цифровые датчики положения, скорости, энкодеры и разнообразные комбинированные варианты с измерительной функциональностью базового сенсорного устройства и добавленными или отключенными вспомогательными функциональными признаками. Ключевыми параметрами детектирования данного типа датчиков являются кинематические: положение и скорость, без учета ускорения или вибрации. Наибольшую популярность в последние годы получили бесконтактные магнитоуправляемые технологии, нечувствительные к загрязнениям, темноте, влажности, обеспечивающие высокую точность и надежность, но, ввиду повышения современных требований к измерениям, требующие усовершенствования рабочих характеристик и снижения цены.

В обширную группу датчиков механического движения входят также акселерометры - датчики ускорения, вибрации, наклона (инклинометры), гироскопы - датчики угловой скорости, закрепленные непосредственно на объекте, положение которого измеряется. Большинство устройств этой группы составляют MEMS-компоненты, также относящиеся к бесконтактным измерительным устройствам, в которых искусственно моделируется микромеханический процесс, подобный детектируемому движению.

Инерциальная навигационная система (блоки Inertial Measurement Unit, IMU) определяет координаты, скорость, ускорение и другие основные параметры движения объекта, используя принцип моделирования его поступательного движения, характеризуемого изменением во времени ускорения, скорости и координат, процессом движения чувствительного элемента (инерционной массы) пространственного трехкомпонентного акселерометра в некоторой неподвижной исходной системе отсчета, по отношению к которой производятся инерциальные измерения. Акселерометр детектирует ускорение по каждой оси, блок IMU интегрирует основное дифференциальное уравнение: одинарное интегрирование производится для вычисления скорости, двойное - для определения координат. Ориентирование измерительных осей акселерометров по заданным направлениям производится гироскопами - свободными или управляемыми по сигналам от акселерометров.

Не только координаты, но и линейное и угловое положение можно также методом двойного интегрирования измерять или корректировать, например, с акселерометрами и гироскопами, закрепленными на объекте (объектах) ротора и статора. Однократное интегрирование возвращает скорость объекта. Уже сейчас назначение многих акселерометров и гироскопов - компенсация и стабилизация основных измерений (компенсация гравитации в навигации, компенсация измерений уровня, стабилизация видеокамер и т. д.), а корректировка посредством данных устройств измерений основных кинематических параметров, детектируемых датчиками положения и скорости, с учетом, например, вибрации - цель будущих разработок.

Датчики расхода - это, например, датчики частоты вращения, а датчики давления или уровня в некоторых случаях могут быть именованы калиброванными датчиками перемещения. Общность многих датчиков механических величин состоит в измерении каких-либо параметров механического движения, а важное отличие - в расположении подвижного элемента, перемещение которого регистрируется: вне интегрального датчика (магнитоуправляемые датчики) или в самом датчике (MEMS).

Общим для всех датчиков механического движения является и то, что обозначенная группа устройств характеризуется непрерывным развитием - пополнением элементной базы и добавлением рабочих режимов с расчетом на максимальное удовлетворение требований известных систем и вновь возникающих применений, что относится и к бесконтактным магнитоуправляемым датчикам, и к MEMS-компонентам.

Области применений датчиков движения включают автомобильную, промышленную, потребительскую, контрольно-измерительную, авиационную, военную, морскую и другие сферы. Массовые объемы производства недорогих современных устройств с высокими рабочими характеристиками - достижение, обусловленное непрекращающимся взаимовлиянием перечисленных рынков.

Новые сенсорные компоненты, представленные в 2009 году, еще функциональнее, точнее, миниатюрнее, чем прежде, а низкая цена сохраняется на прежнем уровне.

Новые магнитоуправляемые компоненты

Магнитоуправляемые измерительные технологии сегодня ассоциированы с автомобильными системами и энкодерами Холла - MLX90316 Melexis, обширной линейкой Austriamicrosystems и другими, благодаря которым стала реальной возможность надежного и точного детектирования углового диапазона 360° с обеспечением цифровых интерфейсов, а также высокоразрешающего детектирования значительных линейных перемещений - с появлением энкодера ІC-ML iC-Haus. Разработанный энкодерный принцип отличает температурная стабильность и значительная нечувствительность к магнитным и механическим допускам.

Новые предложения датчиков Холла относятся к оптимизации требований применений, ключевые из которых - надежность, точность, специальные интерфейсы, низкая цена. Многие новые устройства представлены с расчетом на недорогие применения систем с ограниченным угловым диапазоном детектирования, где высокая точность не требуется, и энкодеры могут быть использованы, но не являются оптимальным решением с точки зрения цены устройства .

Первая половина 2009 года отмечена появлением на рынке нескольких предложений компонентов высокоинтегрированных магниторезистивных энкодеров, более чувствительных к магнитному полю, чем энкодеры Холла.

Хотя ГМР-эффект, физика которого рассмотрена в , перспективен для многих типов измерений, длительное время полностью интегрированные коммерческие предложения элементной базы на основе ГМР-эффекта отсутствовали.

В 2009 году компания Infineon анонсировала выпуск ГМР-энкодеров TLE 5011/5012 (базовый компонент серии TLE5010 был представлен несколько раньше, но его коммерциализация не предполагалась). ГМР-энкодеры Infineon (рис. 1) - первые полностью интегрированные угловые ГМР-энкодеры в диапазоне 360° с цифровым интерфейсом, детектирующие ориентацию магнитного поля за счет синусно-косинусного оценивания монолитными интегрированными угловыми элементами - так называемыми integrated Giant Magneto Resistance elements (iGMR). Коммуникация данных выполняется посредством двунаправленного интерфейса Synchronous Serial Communication (SSC) - SPI-совместимого. Рабочая температура устройств -40... +150 °C - с расчетом на автомобильные применения. Дополнительную информацию об этих датчиках можно получить в .

Рис. 1. Интегральные ГМР-энкодеры Infineon TLE5011, TLE5012:
а) внешний вид ИС в корпусе PG-DSO-8;
б) упрощенная функциональная диаграмма TLE5011;
в) измерительный принцип;
г) первичные выходные сигналы

На прошедшем в июне этого года в Детройте мероприятии Sensors Expo&Conference компания Hitachi Metals представила свои интегральные спин-клапанные ГМР-компоненты (рис. 2), работающие при температуре -40... + 150 °C, что позволяет рассматривать их использование в автомобильных системах, но для этих устройств необходим специальный интерфейс.

Рис. 2. Новые интегральные ГМР-датчики Hitachi Metals

Впрочем, цель данной статьи - рассказ не обо всех обновлениях линеек магнитоуправляемыхкомпонентов, а только о наиболее заметных из них. Поэтому следующим ключевым обновлением, о котором стоит рассказать подробнее, является новый интегральный датчик угла на основе туннельного магнитосопротивления (TMP) от NVE.

Новый датчик угла NVE на основе эффекта TMR

В конце марта 2009 года NVE Corporation анонсировала введение AAT001-10E (рис. 3) - нового интегрированного ТМР датчика угла с квадратурным инкрементальным выходом, причем данное устройство отличается от многих аналогов тем, что обеспечивает высокий уровень сигнала без усиления. AAT001-10E - это первый коммерческий датчик NVE и первое в мире решение на основе эффекта туннельного магнитосопротивления (Tunneling Magnetoresistance, TMR), превосходящего эффект гигантского магнитосопротивления (ГМР).

Рис. 3. Новый интегрированный TMR датчик угла NVE:
а, б) внешний вид и типичные рабочие режимы устройства;
в) используемый измерительный принцип;
г) мостовая резисторная конфигурация;
д) выходные сигналы сенсорного устройства при вариациях воздушного зазора

Компания NVE - лидер в практической реализации технологий спинтроники или нанотехнологии, в основе которой лежит использование свойств электронных спинов (а не электронных зарядов) для сбора, запасания и передачи информации. Компания производит датчики и магнитные изоляторы для сбора и передачи данных. NVE также лицензировала свою спинтронную технологию памяти MRAM - Magnetoresistive Random Access Memory.

Для получения информации о физике эффекта ГМР и вариантах применения его в датчиках NVE и других рекомендуется обратиться к работе .

Эффект, известный также как спин-зависимое туннелирование (Spin-Dependent Tunneling, SDT; Magnetic Tunnel Junction, MTJ; Tunneling Magnetic Junction, TMJ) или эффект туннельного магнитосопротивления (Tunneling Magnetoresistance), представляет собой спинтронный квантовый эффект высокого изменения магнитосопротивления в изолирующем слое в зависимости от действующего на него магнитного поля и созданного таким образом доминантного электронного спина в свободном слое.

Датчик AAT001-10E разрабатывался с расчетом на следующие применения:

• угловые энкодеры;
• автомобильные датчики угла;
• датчики углового положения вала;
• датчики положения ручек и кнопок.

AAT001-10E уже коммерчески доступны и предлагаются покупателям по цене $1, 94 в количестве 1000 штук. Ферритовые магниты типа Split-pole (диаметрально намагниченные) для использования с датчиками также разработаны, их стоимость - $1, 15 каждый в количестве 1000 штук. Клиенты могут использовать и собственные магниты.

Датчики поставляются в ультраминиатюрном 6-выводном корпусе TDFN размерами 2, 5x2, 5x0, 8 мм. В типичном применении внешний магнит обеспечивает насыщающее поле в 30-200 Э или 0, 4-2, 5 А/м (1 Э = 10 3 /(4Pi) А/м = = 79, 5775 A/м) в плоскости данного датчика (рис. 3а-в).

TMR-эффект образует очень большой сигнал без усиления (что важно для достижения высокой точности), широкие допуски воздушного зазора, малое энергопотребление вследствие высокого сопротивления элементов.

Новое устройство включает четыре TMR-элемента, сконфигурированные как датчик угла с квадратурными синусными и косинусными выходами (рис. 4в-д). Датчик угла AAT001-10E представляет собой массив из ТМР-элементов, повернутых на 90° друг

относительно друга в корпусе датчика и соединенных в мостовую конфигурацию (рис. 3г).

Каждый из сенсорных элементов содержит два магнитных слоя: «приколотый», или слой с фиксированным направлением намагниченности, и «свободный» слой с направлением намагниченности, которое может изменяться пропорционально углу вращения (на рис. 3в представлена данная конфигурация). Внешний магнит обеспечивает насыщающее магнитное поле, как показано рис. 3а-б, для полосового и диаметрально намагниченного магнита.

Свободные сенсорные слои элементов будут выравниваться с внешним полем. Когда приложенное поле изменяет свое направление, угол между свободным слоем и приколотым слоем изменяется, что изменяет также сопротивление ТМР-элементов и производит соответствующие изменения выходных напряжений.

Выход может быть конфигурирован таким образом, чтобы представлять синусные и косинусные функции магнитного поля, приложенного к датчику (рис. 3д). ТМР-резисторы соединяются как два полумоста, один из которых обеспечивает синусный, а другой - косинусный выход. Каждый ТМР-элемент характеризуется значительным сопротивлением в 1, 25 МОм. Выходы пропорциональны напряжению питания и пиковому размаху выходных напряжений и много больше по уровню, чем достижимые с применением других сенсорных технологий.

Вариации в воздушном зазоре между магнитом и сенсорным элементом будут вызывать только небольшие изменения (девиации) в выходном сигнале в зависимости от размера и напряженности магнита. Диаграмма на рис. 3д показывает типичный сенсорный выход в зависимости от угла приложенного поля - с использованием диаметрально намагниченного магнита диаметром 12 мм и высотой 4 мм из ферритового материала при 5-В питании с тремя различными воздушными зазорами.

Новое поколение MMT through shaft датчиков Холла: охват применений и повышение точности

Магнитоуправляемые бесконтактные датчики компании MMT, как правило, обеспечивают необходимый системный технический уровень, поэтому они представляют значительный интерес для заказчиков, многими из которых являются компании, работающие в автомобильной промышленности. Но разработки датчиков MMT, информация о которых была представлена, например, в публикациях , интересны и с научно-технической точки зрения.

В 2009 году специалисты MMT направили свои усилия на разработку дополнительных функциональных признаков созданных имиранее датчиков положения, одним из которых является многооборотный выход, а также на повышение точности устройств, в том числе снижение чувствительности к внешним магнитным полям.

Стандартные требования к автомобильному рулевому управлению, например, систем курсовой устойчивости ESP, для которой в скором времени в Европе ожидается легислация (принятие законодательных актов), включают точность измерения посредством компактного многооборотного абсолютного датчика угла порядка 1° или еще менее.

Общие принципы многооборотных измерений основаны на концепции абсолютных измерений в диапазоне угла 360° для решения through shaft (рис. 4а-б). Согласно предложенному дизайну, ИС, измеряющая магнитное поле, размещается в близости диаметрально намагниченного магнитного кольца. Компоненты магнитного поля, измеряемые при этом, характеризуются синусной и косинусной формой, но различной амплитудой. Но с применением компенсирующего параметра может быть получен точный выход для датчиков разного размера, хотя теоретически точность может различаться.

Рис. 4. Датчики MMT 2009 года: работа по адаптации разработанной концепции для датчиков рулевого колеса и повышению точности:
а, б) концепция измерения углов в диапазоне 360°: а) пространственная конфигурация; б) первичные синусно-косинусные сигналы;
в) новая концепция с двумя ИС; г, д) два варианта конструкции многооборотных датчиков рулевого колеса;
е) прототип многооборотного датчика рулевого колеса с улучшенной точностью

Прототипы MMT позволяли достичь в рабочем диапазоне температур -40... + 150 °C нелинейности менее ±0, 5 % от полного хода. Для дальнейшего улучшения точности важно улучшить данный параметр, и для этого, в свою очередь, важен поиск причин, ухудшающих линейность. Как показала 2D-симуляция, большую роль в достижении требуемых показателей играют погрешности диаметрального намагничивания магнита . Магнитная проницаемость выше 1 (1, 05-1, 25), и этот параметр не точен. Поэтому линии поля, сгенерированные обмоткой, при пересечении магнита будут несколько отклоняться от прямой линии, намагничивание будет не строго диаметральным, а это, в свою очередь, будет наводить искажения синусной и косинусной формы компонентов поля. Хотя частично искажения могут быть учтены при программировании, полностью скомпенсировать их не удается: возникает систематическая ошибка точности.

С целью достижения лучших характеристик MMT предложила следующее решение: две ИС, механически смещенные на 90° друг относительно друга (рис. 4в), каждая измеряют два компонента магнитного поля (тангенциальные и радиальные компоненты) . Обосновано математически, что комбинирование сигналов двух ИС также позволяет вычислять положение посредством вычисления арктангенса нормального и тангенциального сигналов arctg(B t /B n) с хорошей аппроксимацией, причем фактор регулировки усиления для каждой ИС становится неважным.

С этим методом достижима нелинейность до ±0, 2 <% от полного хода.

Линии магнитного поля, сгенерированные посредством присутствия внешнего постоянного

магнита или источника тока (провода с высоким током, например, используются в кабеле стартера автомобиля) являются типичным источником ошибок для таких датчиков, в которых отсутствует экранирование магнитной схемы.

Ноу-хау ММТ включает схему локального экранирования, снижающую эффекты внешнего магнитного поля. Решения такого типа позволяют снизить, но не отменить эффекты воздействующего поля. Но специалистами ММТ предложен новый метод, позволяющий отменить данное воздействие, основанный на известном способе отмены воздействия поля - комбинации дифференциальных сигналов в датчиках.

Рассмотренный метод с двумя ИС также использует комбинацию сигналов, и специалисты компании математически обосновали, что с использованием данной комбинации сигналов одновременно могут быть скомпенсированы и ошибка намагничивания вследствие влияния третьей гармоники, и эффект воздействия гомогенного внешнего магнитного поля, что подтверждается экспериментально. Прототип датчика помещался в поле, сгенерированное обмоткой. Даже при высоком поле в 12 мТл (созданном током 1000 А на расстоянии 2, 5 см от чувствительных элементов), согласно данным ММТ, точность (точность - более комплексная характеристика, но специалисты ММТ в своем докладе , очевидно, отождествляют ее с линейностью) остается в диапазоне от ±1°, что соответствует 0, 3 % от полного хода.

Результаты, достижимые при этом методе, зависимы и от гомогенности поля. Размеры датчиков малы (диаметр - 10-50 мм), что соответствует малым расстояниям между измерительными точками (порядка нескольких мм).

Источники поля размещаются достаточно далеко от датчика: например, кабель стартера находится в нескольких десятках мм от сенсорного корпуса или обмоток бесколлекторного двигателя постоянного тока, генерирующих поле, гомогенное в масштабе датчика.

Концепция абсолютного многооборотного датчика основывается на осуществлении тех же сенсорных функций с получением абсолютного выхода, но на множественных оборотах. Классический пример - датчик угла автомобильного рулевого управления, число оборотов которого, к примеру, составляет ±2 оборота. Кроме того, данное специфическое применение является системой through shaft, в которой рулевая колонка проходит сквозь корпус датчика, то есть представляет собой одно из ключевых применений для разработанной MMT концепции, адаптированной и улучшенной для детектирования углового диапазона 360°.

Одно из решений MMT для рулевых систем основывается на применении эпициклического шестеренчатого привода с датчиком угла в диапазоне 360°. Но при увеличении диапазона угловых измерений влияние типичной нелинейности порядка ±0, 5% полного хода дает погрешность, несовместимую с требованиями точности применения (±7, 2° для ±2 оборотов). Поэтому следующее решение - применение концепции комбинации датчиков, позволяющее с линейностью ±0, 2% улучшить точность вычислений до ±2, 9°, но и этого оказывается не вполне достаточно.

Многие широко известные решения других компаний основываются на том, что вращающийся вал ведет две шестерни с различающимся числом зубцов (как минимум, на одну единицу). Каждая шестерня связывается с постоянным магнитом, вращение которого детектируется магниточувствительной ИС. Это дает два сигнальных пилообразных saw-tooth выхода, фазовый сдвиг между которыми увеличивается вместе с числом зубцов. Для выведения значения абсолютного положения из разницы между двумя сигналами применяется специальный алгоритм, характеризующийся значительным недостатком вследствие факта высокой чувствительности метода математического вычитания к механическим ошибкам для каждого датчика. Для достижения высокой точности алгоритм значительно усложняется, что реализуется в схеме обработки сигнала датчика.

Поэтому MMT возвращается еще к одному известному решению, но с применением своей концепции. Следующая идея MMT состоит в обеспечении дуального выхода при комбинировании двух датчиков угла в диапазоне 360° с системой шестерен (рис. 4г-д). Один из датчиков представляет собой широко известное решение MMT для диапазона 360° и обеспечивает точный выход в пределах одного оборота, другой применяется с шестеренчатым приводом за пределами вала (off-the-shaft) с передаточным отношением в диапазоне числа оборотов согласно характеристикам рулевой системы. Выход датчика - также абсолютный, но с более грубой точностью. Роль этого сигнала - показывать фактические обороты, а точный сигнал указывает положение в пределах текущего оборота.

Второй датчик может быть различных типов, в том числе и в торцевом исполнении с магнитом, установленным на валу и с ИС угла поворота.

Дальнейшие шаги компании - применять разработанное решение (рис. 4е), адаптируя его для применений детектирования угла рулевого колеса для ESP или положения вала электрического двигателя. Следующий этап в реализации многооборотного решения - интеграция с датчиком крутящего момента для осуществления всех требуемых комбинированных функций в рулевых системах, создание более простого, надежного, бесконтактного многооборотного устройства.

После разработки оригинальная концепция стала актуальной и для линейных датчиков, поскольку магнитная полоса - это не что иное, как окружность с бесконечно большим радиусом, и для применений с ограниченным угловым диапазоном, и вследствие температурной зависимости (датчики Холла).

Линейный датчик можно использовать, например, для детектирования положения переключателя передач (PRNDL) в автомобиле с автоматизированной коробкой или для мониторинга положения сцепления, клапана EGR, положения педали. В этих применениях ход объекта - порядка 15-20 мм, но возможно детектирование больших линейных перемещений (>100 мм).

Еще одна возможность - использование аксиальных и тангенциальных компонентов, но это уже не оригинальная разработка компании, а, скорее, классическая схема, для которой в исполнении не с дипольным, а с многополюсным магнитом, может рекомендоваться, например, следующее рассматриваемое в данной статье устройство 2009 года - энкодер AS5311 Austriamicrosystems.

В обоих случаях допуски на радиальные, тангенциальные, аксиальные смещения могут быть достаточно большими: в связи с тем, что датчик чувствителен не к амплитуде, а к направлению магнитного поля, но искажения направления, влияние шумов могут ухудшать точность, метод комбинирования сигналов применим для обоих случаев.

Если же только малая часть кольцевого магнита используется для измерения угла до 360° (порядка 50-90°), например, в датчиках gear shift lever sensor, Fuel sensor, EGR valve, то MMT рассматривает два возможных решения для такого датчика:

• использование диаметрально намагниченного магнита;
• использование синусоидально намагниченного магнита.

Первое решение - проще, второе, согласно программной симуляции - точнее .

Таким образом, MMT на основе своего патентованного решения создала целое поколение новых датчиков для through shaft систем.

Энкодер AS5311 Austriamicrosystems - ИС Холла для линейного и углового Off-Axis детектирования движения многополюсного магнита

AS5311 (рис. 5) - это еще одна новая однокристальная, полностью интегрированная ИС, представляющая собой, как и все предшественники в семействе датчиков Austriamicrosystems, магнитный угловой энкодер Холла, но адаптированный для работы не с дипольным, а с многополюсным магнитом.

Рис. 5. Энкодер AS5311 Austriamicrosystems - новая ИС Холла для линейного и углового
Off-Axis детектирования движения многополюсного магнита:
а) рабочий режим, для которого разрабатывалась ИС;
б) функциональная диаграмма датчика; в, г) альтернативные угловые рабочие режимы с многополюсным кольцевым магнитом;
д) диаграммы выходных сигналов при перемещении механической части ротора

ИС включает интегрированные элементы Холла для измерения линейного или углового движения с использованием магнитных многополюсных полос или колец. ИС разрабатывалась как линейный детектор магнитной многополюсной полосы, но, в связи с тем, что линейка - это окружность с бесконечно большим радиусом, данный энкодер может быть рекомендован и для углового детектирования магнитной многополюсной полосы с достаточно большим радиусом (рис. 5а-г). ИС AS5311, как и датчики MMT, предназначена также для применений в системах, где датчик не может быть закреплен напротив торца вала - в так называемых hollow shaft или through shaft системах. Вместо торцевого исполнения AS5311 может быть закреплена в так называемом Off-Axis исполнении, то есть не прямо напротив центра вращающегося магнита, одновременно являющегося центром вала, а напротив последовательности полюсов магнита, смещенной относительно геометрического центра к краю. Относительно центра и оси вращения вала допускается и радиальное, и аксиальное размещение полюсов по окружности периферии магнита.

Один их выходов ИС (рис. 5д) - квадратурный инкрементальный с количеством импульсов 256 на полюсный период (северный и южный полюса) магнитного ротора, перемещающегося со скоростью 0, 65 м/с. Разрешение инкрементального выхода - 1, 95 мкм на шаг. Также для каждой полюсной пары на индексном выходе ИС генерируется одиночный индексный импульс.

Помимо данных стандартных типов выходов, доступен и цифровой выход посредством обеспечения 12-битной абсолютной информации о положении в пределах полюсной пары, что дает результат разрешения порядка 0, 5 мкм на диапазон 0-2 мм.

Абсолютный выход доступен через последовательный или ШИМ-интерфейс.

Длина магнитной полюсной пары - 2, 0 мм (по 1, 0 мм на северный и южный полюс). Длина других полюсов будет наводить значительную нелинейность, возрастающую практически пропорционально девиации длины. Магнитная полоса должна быть помещена над ИС на расстоянии примерно 0, 3 мм, допустимые вариации - 0, 3-0, 6 мм, так как в ИС встроен АКУ. Точность будет зависеть от длины и напряженности каждого полюса и, следовательно, от точности средства намагничивания и гомогенности магнитного материала.

Для мониторинга положения магнита над ИС предназначены битовые индикаторы переменного «цвета» диапазона "red-yellow-green" (красный-желтый-зеленый).

Практически мониторинг осуществляется следующим образом. На аппаратных выводах ИС доступны сигнальные индикаторы возрастания и уменьшения напряженности магнитного поля MagINCn и MagDECn, в последовательном битовом потоке - биты статуса. Дополнительно, бит статуса LIN, равный единице, индицирует нерекомендуемый «красный» диапазон поля. Регистр MAGnitude обеспечивает дополнительную информацию о напряженности магнитного поля.

AS5311 предлагается в 20-выводном корпусе TSSOP и предназначен для работы при окружающей температуре -40... + 125 °C.

Внутренний регулятор напряжения допускает работу AS5311 от одного из двух напряжений питания согласно применению ИС - от 3, 3 или от 5 В.

• обратная связь с микроактюаторами;
• обратная связь с сервоприводами;
• робототехника;
• замещение оптических энкодеров в любых системах.

Лучшие датчики движения 2009 года по мнению экспертов журнала "Sensors"

Награды "Best of Sensors Expo" на прошедшем в июне глобальном мероприятии Sensors Expo & Conference в категориях Sensors и Sensor Components получили следующие датчики движения и компоненты:

• Миниатюрный датчик с 6 степенями свободы 6DX DTS, который может измерять угловые диапазоны порядка 50 000°/с и ускорения до 6000 g - «золото» в категории Sensors.
• Миниатюрная система определения расположения и курса относительно земных осей Attitude and Heading Reference System (AHRS) SBG Systems IG-500N, включающая GPS-ресивер и барометрический датчик - «золото» в категории Sensors.
• Миниатюрный AHRS-компонент 3DM-GX3-25 MicroStrain - «серебро» в категории Sensor Components.
• Бронзовые награды в категории Sensors: Kionix Inc. KXTF9 - трехосевой MEMS-акселерометр с функциональностью Directional Tap/Double-Tap, прочный MEMS-гироскоп Silicon Sensor Systems

CRS09, CMA 3000 VTI Technologies Inc. - маломощный MEMS-акселерометр, монтируемый на подложки заказчика и исключающий необходимость внешнего корпусирования.

В соответствии с логикой статьи прочие отмеченные наградами датчики, которые нельзя причислить к обособленной в заглавии группе, и измерительные системы и средства, награжденные в других категориях, в настоящий обзор и список не включены.

К сведению читателей, в категории систем сбора данных Data Acquisition Product золотыми наградами отмечены высокоскоростной беспроводной сенсорный узел компании MicroStrain HS-LINK и PowerCast Corp. P2100 Powerharvester - энергособирающий модуль, преобразующий доступную радиочастотную энергию (сотовых телефонов, ТВ и других приборов) в постоянное напряжение, запасаемое в конденсаторе.

Помимо 3DM-GX3-25 MicroStrain, серебряных наград были удостоены компании:

• Infinite Power Solutions Inc. - в категории Sensors за микромощностное энергозапасающее устройство INFINERGY Micro Power Module, отличающееся наличием встроенной эффективной управляющей электроники и практически полным отсутствием потерь при запасании энергии;
• HBM-LDS Test and Measurement - в категории Data Acquisition Products за портативный высокоскоростной рекордер переходных процессов GEN5i;
• Moog Inc. - в категории Sensors за новый детектор воздушных пузырьков в жидкости LifeGuard IQ.

Бронзовой награды, помимо акселерометров Kionix, VTI и гироскопа SSS, была отмечена компания Cymbet Corp. за модуль сбора энергии EnerChip EH (CBC500 и EVAL-08) на основе тонкопленочных батарей с управляющими функциями. Почетным упоминанием Honorable Mentions в категории Sensors были удостоены крэш-акселерометр 7264G Endevco Corp., цифровой датчик барометрического давления T5300 EPCOS Inc. и емкостной датчик уровня CLC Sensortechnics Inc, а также Wi-Fi устройство сбора данных National Instruments.

«Лучшие» датчики движения 2009 года - мультисенсорные компоненты

6DX Diversified Technical Systems

6DX Diversified Technical Systems, Inc. (DTS) (рис. 6) - новое дополнение к линейке датчиков e-SENSING, представляющее собой миниатюрный компонент, включающий 3 линейных акселерометра и 3 датчика угловой скорости в компактном и прочном корпусе, рассчитанном на измерения высоких ускорений и угловых скоростей по всем трем осям. Размеры корпуса датчика - 28x28x16, 5 мм, масса 26 г.

Рис. 6. Новый миниатюрный мультисенсорный компонент для инерциальных измерений
с 6 степенями свободы и значительными диапазонами детектирования

6 входных каналов 6DX обеспечивают необходимые данные для вычисления вектора ускорения и отслеживания ориентации в 3D-пространстве. Соответствующая вычислительная пост-обработка позволяет построить график кинематического движения и во времени. Блок сконструирован с расчетом на высокие ударные воздействия - до 6000 g, причем это значение определяет не пиковое воздействие, превышение которого недопустимо, а именно максимальное детектируемое ускорение.

Встроенные линейные акселерометры представляют собой полномостовые пьезорезистивные устройства, чувствительные к постоянному (DC) воздействию. Для соответствия различным применениям возможны диапазоны детектирования от ±20 до 6000 g. Входное напряжение трехосевого акселерометра - 2-10 В. Типичная линейность выхода акселерометра <1% от полного выходного диапазона в ±200 мВ, поперечная чувствительность акселерометра ±3%.

Встроенные датчики угловой скорости доступны в диапазонах от ±300 до 50 000°/с и также характеризуются DC-срабатыванием. Входное напряжение трехосевого гироскопа 4, 9-14 В. Типичная линейность выхода гироскопа также <1% от полного выходного диапазона, но составляющего ±2 В; производителем специфицирован дрейф гироскопа 0, 1°/с.

Сенсорный выход может быть записан посредством любых стандартных систем сбора данных. Встроенные 16-выводные микросоединители для каждого из трехосевых датчиков допускают легкое замещение кабелей.

Применения устройства включают автомобильные и аэрокосмические, например, автомобильные испытания, крэш-тесты, измерения вибрации, а также применения общего назначения, относящиеся к измерениям углового движения, удара, вибрации.

SBG Systems SAS IG-500N

SBG Systems SAS IG-500N (рис. 7) - новая миниатюрная навигационная система определения курса Attitude Heading Reference System (AHRS), включающая MEMS-блок инерциальных измерений IMU с дополнительным GPS-ресивером на 4 Гц и барометрическим датчиком, весом всего 8 г для OEM и 45 г в боксе. IG-500N представляет собой комбинацию 13 датчиков - акселерометров, гироскопов, магнитометров, трех датчиков температуры, датчика давления и GPS-ресивера.

Рис. 7. SAS IG-500N - новая миниатюрная высокоинтегрированная инерциальная навигационная AHRS система SBG Systems

Диапазоны измерений угловых скоростей - до 500°/с, ускорений - ±5 g (доступны версии на 2 и 18 g), магнитных полей ±0, 12 мТл. Давление измеряется с разрешением 6 Па и точностью, определенной в ±50 Па (относительные измерения) и±200 Па для абсолютных измерений, скорость обновления - 9 Гц.

Устройство также включает фильтр Калмана. Все это позволяет измерять 3D-ориентацию, скорость и положение даже в высокодинамичном окружении - с входным показателем скорости изменения каждого параметра до 100 Гц.

Выходные форматы включают углы Эйлера (определяющие положение тела/системы координат тела в отсчетной системе координат: углы прецессии, нутации, собственного вращения), кватернионы (система чисел в 4-мерном пространстве), матрицу, 3D-скорость, 3D-положение, калиброванные сенсорные данные, строковые сенсорные данные. Каждый выход может быть допущен или отключен пользователем.

Основные коммуникационные протоколы - RS-232 и USB, а также TTL.

Скорость передачи последовательных данных - 9600-921 600 бит/с, выбирается пользователем.

Для улучшения характеристик устройство индивидуально калибруется, что позволяет снизить ошибки смещения и усиления в полном температурном диапазоне. В схеме контролируются эффекты поперечной чувствительности акселерометров, влияния отсутствия выравнивания гироскопов. SBG Systems разработала и систему калибровки магнитного поля, что также повышает точность измерений.

IG-500N предназначен для замещения волоконно-оптических гироскопов Fiber Optic Gyroscope (FOG). При измерениях положения относительно земных осей датчики IG-500N обеспечивают признак удаления переходных ускорений, что актуально при маневрах с высокими уровнями g, например при поворотах. Даже при высоких ускорениях, создающих проблемы для типичных AHRS, измерения расположения/ориентации с IG-500N могут быть выполнены с точностью, заявленной производителем как лучше 1°.

Допускается использование внешних GPS или радиосистемы Допплера, что позволяет задействовать устройство в инерциальных навигационных системах.

Рабочий температурный диапазон: -40... +85 °C. Рабочее напряжение питания - 3, 3-12 В. Устройство маломощное (475 мВт).

Время start-up <10 с, но оптимальное время для сбора данных - через 10 мин после включения.

Общий перечень применений устройства включает:

• транспортную навигацию;
• анализ движения автомобиля;
• замещение AHRS высокого уровня исполнения;
• стабилизация платформ;
• точечная настройка позиционирования антенн и камер;
• съемка без опор;
• слежение за положением персонала.

3DM-GX3-25 MicroStrain

3DM-GX3-25 MicroStrain (рис. 8) - следующая миниатюрная (массой 11, 5 г в OEM-исполнении) AHRS-система, в которой также использована MEMS-технология и скомбинированы 12 датчиков: трехосевой акселерометр, трехосевой гироскоп, трехосе-вой магнитометр, три датчика температуры и бортовой процессор, функционирующий на основе алгоритмов слияния сенсорных данных - для статической и динамической ориентации и инерциальных измерений.

Рис. 8. OEM-версия миниатюрной AHRS-системы MicroStrain 3DM-GX3-25

Система обеспечивает калиброванные и температурно-скомпенсированные выходы в следующих форматах: данные об ускорении, угловой скорости, магнитном поле, векторы изменения углов и скорости deltaAngle и deltaVelocity, углы Эйлера, матрица вращения.

Все параметры температурно-скомпенсированы и привязаны к ортогональной (декартовой) системе координат.

Коммуникация 3DM-GX3-25 AHRS осуществляется по интерфейсам RS-232, USB 2. 0 и TTL.

Выход может включать вычисления ориентации: продольного наклона (pitch), крена (roll), курса (heading, yaw) или матрицу вращения.

Угловые диапазоны детектирования ориентации - 360° по всем осям (матрица ориентации, кватернионы); ±70° - для продольного наклона, ± 180° для крена и курса (углы Эйлера).

Стандартный диапазон ускорений - ±5 g, а также доступны диапазоны ±2 g, ±18 g, ±50 g. Стандартный диапазон угловых скоростей ±300°/с; возможны диапазоны ±1200°/с, ±600°/с, ±150°/с, ±75°/с. Диапазон магнитометра - ±0, 25 мТл. Точность измерения ориентации определена производителем в ±0, 5° для статических условий и в ±2, 0° для динамических. Нелинейность выходов акселерометра и гироскопа определена в 0, 2 %, магнитометра - 0, 4 <%.

Помимо полной температурной компенсации смещения и чувствительности всех 9 датчиков, каждое сенсорное устройство индивидуально калибруется с целью компенсации чувствительности гироскопа к ускорению, нелинейности гироскопа и невыравнивания датчика.

Улучшенные характеристики устройства в условиях вибрации достигаются посредством выборки на частоте 30 кГц, цифровой фильтрации и выполнения компенсационных coning/sculling алгоритмов интегрирования на частоте 1 кГц и вывода данных deltaAngle и deltaVelocity. AHRS 3DM-GX3-25 - быстро функционирующая система, в которой выходная скорость до 1 кГц выбирается пользователем.

3DM-GX3-25 AHRS поставляется с калибровочными программами для учета воздействия магнитных полей. Инженерам предлагается комплект разработчика.

Стандартный блок питается от напряжения 4, 4-6, 0 В DC и характеризуется потреблением мощности/тока 80 мА на 5 В. OEM требует регулируемое напряжение питания в диапазоне 3, 2-5, 5 В, также потребляя ток 80 мА при 5 В.

Рабочий температурный диапазон: -40... +75 °C.

3DM-GX3-25 AHRS предназначен для следующих применений:

• транспортная навигация;
• стабилизация платформ;
• биомеханика;
• изнашиваемые (wearable) инерциальные
• следящие системы;
• съемка буровых скважин;
• определение расположения в пространстве.

Лучшие MEMS-компоненты 2009 года датчиков движения (акселерометры и гироскопы)

Kionix Inc. KXTF9

Kionix Inc. KXTF9 (рис. 9) - новый трехосевой акселерометр с уникальной функциональностью, предназначенный для сотовых телефонов и мобильных интернет-устройств, компьютерной периферии, спортивных тренажеров, персональной навигации.

Рис. 9. Новый трехосевой акселерометр KXTF9 с признаком Directional Tap/Double-Tap для создания интуитивного пользовательского интерфейса

Ранее, в 2008 году, Frost & Sullivan наградила акселерометр Kionix KXSC7, характеризующийся малым форм-фактором 3x3x0, 9 мм и малым рабочим током в 230 мкА или менее. Тем же самым форм-фактором 3x3x0, 9 мм отличается и новый Kionix Inc. KXTF9 - трехосевой MEMS-акселерометр с I 2 C интерфейсом, отмеченный бронзовой наградой на Sensors Expo 2009 года, совместимый pin-to-pin с трехосевыми акселерометрами серии KXTE9 (I 2 C), KXSD9 (IIC, SPI). В большом семействе акселерометров, предлагаемых Kionix, теперь практически все акселерометры - трехосевые, за исключением только аналоговых X-датчи-ков KXD94-7044 и KXD94-7138 в стандартных корпусах DFN с размерами 5x5x 1, 2 мм. Уменьшенные размеры корпусов 3x5x0, 9 мм LGA - признак серий KXPS5 и KXRB5.

Сенсорный элемент датчика нового KXTF9 с высокими рабочими характеристиками производится из однокристального кремния с применением процесса глубокого реактивного ионного травления (Deep Reactive Ion Etching, DRIE) и защищается герметичным кремниевым колпачком. Датчик функционирует с использованием принципа разбаланса дифференциальной емкостной структуры и отмены смещений - для уменьшения ошибок вследствие процесса производства и воздействия окружения. ASIC обнаруживает и переводит емкостные изменения в аналоговое напряжение, пропорциональное ускорению, а далее коммуникация осуществляется по стандартному интерфейсу I 2 C.

Но трехосевой акселерометр KXTF9 отличается от многих стандартных устройств еще и уникальным признаком Directional Tap/Double-Tap - это лидирующая инновация Kionix, позволяющая значительное усовершенствование пользовательского интерфейса детектирования движения. Признак детектирования KXTF9 Directional Tap / Double-Tap detection (tap - легкие удары, постукивание) обнаруживает одиночный tap-вход и двойной вход (double-tap), дает информацию об оси ускорения и направлении каждого tap-воздействия, допуская до 12 определенных пользователем функциональных команд.

KXTF9 Directional Tap/Double-Tap срабатывает при обнаружении как быстрого и легкого постукивания, так и двойного стука на любой из 6 поверхностей объекта (±X, ±Y, ±Z). Встроенный алгоритм позволяет акселерометру выделять одиночный и двойной стук и его направление. Пользователи могут использовать эти 12 одиночных/двойных стуков как команды, создавая свой уникальный, инновационный, мощный и интуитивный пользовательский интерфейс. В ASIC KXTF9 встроен алгоритм, позволяющий создавать 12 tap-активируемых команд для осуществления любых пользовательских функций. Например, одиночный стук по поверхности телефона может вызвать голосовую почту, двойной стук по его задней поверхности - активацию интернет-доступа. Данный признак является полностью программируемым.

Встроенный алгоритм сообщает об изменениях в движении устройства, допуская обнаружение движения (активный алгоритм) или отсутствие движения (неактивный алгоритм). Датчик поддерживает обнаружение ориентации и алгоритмы прерывания. Признак обнаружения ориентации дает информацию, например, о ландшафтных и портретных условиях.

KXTF9 питается от постоянного напряжения 1, 8-3, 6 В DC и имеет выходной стандартный интерфейс I 2 C.

Схема KXTF9 характеризуется возможностями пользовательского программирования, достаточными для адаптации устройства к широкому кругу применений: пользовательским программированием параметра (Output Data Rate, ODR) с АЦП на определенных пользователем частотах выборки (сэмплов), выбираемым пользователем 8- или 12-битным разрешением, цифровым ФВЧ с выбираемой частотой среза. Диапазон ускорений выбирается пользователем из следующих стандартных значений диапазонов: ±2, 0, ±4, 0, ±8, 0 g. Рабочий диапазон температур: -40... +85 °C.

Малошумящий гироскоп CRS09 Silicon Sensing Systems

Малошумящий гироскоп CRS09 Silicon Sensing Systems (рис. 10) обладает высокими в своем классе рабочими характеристиками, температурной стабильностью, возможностью выбора двух диапазонов детектирования с различными характеристиками: ±200°/с (CRS09-01 и CRS09-11) и ±100°/с (CRS09-02, CRS09-12). Дизайн кремниевого MEMS-гироскопа скомбинирован с дискретной электроникой, что и обеспечивает высокие рабочие характеристики. Малый шум (среднеквадратическое значение 0, 03°/с rms в частотной полосе 3-30 Гц) и высокая стабильность позволяют производителю рекомендовать данный компонент для замещения волоконно-оптических гироскопов (FOG). Нелинейность <±0, 1% полной шкалы, поперечная чувствительность - менее 2%.

Рис. 10. Гироскоп CRS09 Silicon Sensing Systems

Температурные вариации специфицированы в ±1% максимум и составляют для смещения < ±3°/с (CRS09-01 и CRS09-02) и < ±1°/с (CRS09-11 и CRS09-12). Рабочий температурный диапазон: -40... +85 °C.

Напряжение питания - 4, 75-5, 25 В. Выход - аналоговый (не ратиометричный). Время активации после включения (start-up) - менее 0, 5 с.

Применения включают стабилизацию в замкнутом цикле, прецизионную контрольно-измерительную аппаратуру летательных аппаратов

(AHRS) и другие, в которых малые шумы - одно из ключевых требований.

Данные о температуре и частоте вибрации кремниевого кольца обеспечиваются как дополнительные выходы, что допускает более точное определение характеристик датчика при его включении в клиентскую схему.

CMA3000

CMA3000 (рис. 11) - новый трехосевой акселерометр VTI, предназначенный для детектирования движения и контроля в портативных потребительских электронных устройствах: мобильных телефонах, игровых устройствах, спортивной электронике и других. В начале 2009 года, в течение которого запланировано массовое производство устройств, компания представила данный акселерометр как самый малый и наименее энергопотребляющий трехосевой акселерометр среди известных в мире аналогов. Его размеры - 2x2x0, 95 мм.

Рис. 11. CMA 3000 - трехосевой акселерометр VTI на основе технологии Chip-on-MEMS (CoM)

Потребление тока - до 10 мкА на частоте выборки 40 Гц, при напряжении питания 1, 7-3, 6 В.

Общие признаки акселерометров серии CMA3000 включают возможность пользовательского выбора диапазонов 2 g и 8 g, ударопрочность, RoHS-совместимость.

CMA3000-D01 с цифровыми интерфейсами SPI и I^ 2 C оптимизированы для систем с малым энергопотреблением (7-70 мкА). Акселерометры характеризуются также выбираемой пользователем частотой срабатывания. Сигналы прерывания могут включаться посредством информации о готовности данных, движения и свободного падения.

CMA3000-A01 обеспечивает три непрерывных ратиометрических аналоговых выходных сигнала для интеграции в системы с АЦП. Потребление тока этими датчиками составляет 180 мкА.

CMA3000 отличается реализованной для этого датчика новой концепцией корпуса, получившей название Chip-on-MEMS (CoM). MEMS и ASIC производятся на отдельных подложках, а затем, согласно концепции Chip-on-MEMS, ASIC-чипы (флип-чипы) размещаются поверх MEMS-подлож-ки. К MEMS-подложке прикрепляются слои для перераспределения и изоляции, а также внешнего соединения, прежде чем ASIC добавляется к MEMS, и поэтому чипы ASIC изолированы пассивирующим слоем.

Вывод 1 маркируется обычным образом.

CoM-технология обеспечивает следующие признаки: сниженную индуктивность выводов, малый размер чипов и корпуса, с толщиной профиля менее 1 мм, малый вес, технологичность при автоматической пайке (устройства поверхностного монтажа).

Дополнительное корпусирование не требуется. Компоненты CMA3000 должны быть помещены на плату или другие пользовательские подложки (например, керамику) согласно их геометрии и запаяны. В данном случае рекомендуется автоматическое позиционирование компонентов.

Для прототипирования предлагаются образцы и платы с устройствами.

Крэш-акселерометр 7264G Endevco

Крэш-акселерометр 7264G Endevco представляет собой еще одно устройство следующего поколения, отражающее работу компании по усовершенствованию устройств на уровне сенсорной структуры. Датчик 7264G измеряет уровни g в течение высокого ударного воздействия порядка 2000 g с использованием новой MEMS-структуры, отличающейся повышенной прочностью (устойчивость к ударным воздействиям - до 10 000 g по каждой из трех осей), для ослабления резонанса демпфируемой без значительного фазового смещения. 7264G предназначен для систем с частотным входом, для которых точность измерения с новым устройством может быть повышена.

Заключение

В рамках одной статьи, как обычно, невозможно рассказать обо всех новых предложениях компонентов, обновлениях линеек ведущих производителей датчиков движения, подтверждающих тенденции развития этого значительного и объемного рыночного сегмента.

Вероятно, это и не требуется - ввиду того, что данный рыночный сегмент непрерывно развивается, можно предположить, что следующее поколение датчиков - 2010 года - будет характеризоваться еще большей функциональностью, более высокими уровнями интеграции функциональных признаков - как датчиков/энкодеров положения, так и MEMS-компонентов, более высокими показателями точности, надежности, оптимальной ценой.

Список компаний и сайтов:

NVE Corporation - ,