Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №3

Датчики близости / положения / расстояния. Важные обновления и дальнейшие перспективы

Сысоева Светлана


В статье дана общая классификация большой и пополняющейся группы современных автомобильных и промышленных датчиков, поделенных по признаку функционального назначения на датчики близости/положения/скорости и расстояния, но объединенных подобием конструктивных и технологических решений, а также таким важным направлением развития, как повышение многофункциональности— для максимального расширения сферы применений успешных технологий. Автор ссылается на примеры заметных в обозначенном секторе рынка новых разработок и результаты маркетинговых исследований компании Venture Development Corp., адресованных североамериканскому рынку датчиков линейного положения, близости и углового положения.

Введение

Существуют следующие типы сенсорных устройств, а именно датчики

  • близости;
  • положения;
  • перемещения;
  • скорости/частоты/направления вращения;
  • расстояния;
  • наклона;
  • уровня;
  • толщины.

Они зачастую отличаются только по их основному функциональному назначению (измерение какого атрибута или параметра они должны производить) и используемому методу детектирования, но и внешне, и конструктивно, и технологически могут быть необычайно схожими между собой. Например, такой популярный сегодня резьбовой аксиальный бесконтактный встраиваемый дизайн, выбранный для модели «черного ящика» датчика (рис. 1), может скрывать в себе емкостное или индуктивное, интегральное магнитоуправляемое или оптическое, промышленное или автомобильное устройство — детектор близости или датчик уровня, датчик частоты вращения или толщины. Не только внешнее сходство, но и конструктивная общность, одни и те же измерительные принципы и технологические решения объединяют устройства разного функционального назначения. Однозначно, отличия будут присутствовать в физических принципах, методах детектирования, функциональных и принципиальных электрических схемах датчиков. Но для отдельно взятой технологии характерна тенденция повышения функциональности, что стирает границы между различными типами датчиков. Между устройствами одного функционального назначения, но на основе разных технологий, часто можно провести полную аналогию, они подобны друг другу, их методы детектирования функционально тождественны[1–11].

Концепции конструктивной и технологической общности группы датчиков близости/положения/расстояния

В основе классификации датчиков механического движения лежат следующие определения.

Датчики близости или приближения — сенсорные устройства, переходящие в состояние ON при обнаружении объекта в рабочей зоне датчика и выключающиеся (переходящие в состояние OFF) при отсутствии объекта детектирования, в общем случае — объекта, перемещение которого не контролируется (рис. 1а–б). Доминирующий дизайн — фронтальный (на рис. 1а ему соответствует направление по оси X), но возможно обнаружение объекта, появляющегося со стороны оси Y (боковой, или тангенциальный дизайн) или оси Z. Датчики приближения широко распространены в промышленности (типичные промышленные технологии — индуктивные, емкостные, оптические), но относительно мало востребованы в автоэлектронике, где подавляющее большинство задач требует аналоговых линейных измерителей или их цифровых эквивалентов.

Датчик близости — самый простой тип бесконтактного детектора, так как переключательная выходная характеристика, показанная на рис. 1б, может быть получена посредством любой бесконтактной технологии, так же как и дополнение аналоговой (рис. 1в) — посредством задания фиксированных уровней переключения порогового компаратора.

Датчики абсолютного положения — сенсорные устройства, в режиме реального времени передающие электрическую информацию об абсолютном механическом положении, обычно с аналоговой линейной, пропорциональной положению, передаточной характеристикой (рис. 1в). Очевидно, что аналоговая передаточная характеристика или ее цифровые эквиваленты более информативны, так как с ними возможен детальный анализ внешней электронной схемой, извлекающей точную информацию о положении из величины, наклона и длительности сигнала. При необходимости аналоговый выход может быть легко преобразован в переключаемый, обратное преобразование также выполняется — посредством интерполяции.

По типу передаточной характеристики различают аналоговые абсолютные датчики (выход — постоянное напряжение, пропорциональное абсолютному положению), ШИМ (выход — рабочий цикл), абсолютные энкодеры (выход — абсолютный цифровой интерфейс, пропорциональный положению).

Датчики относительного положения — сенсорные устройства, в режиме реального времени передающие электрическую информацию о механическом положении относительно некоторой инкрементальной отметки, возможно, поставляемой внешним устройством (инкрементальные энкодеры).

Датчики расстояния — это устройства, выходной сигнал которых представляет собой информацию о расстоянии до некоторого, в общем случае неконтролируемого объекта. Типичные технологии — оптическая (лазерная, ИК), ультразвуковая, радарная. Основные принципы измерений — по времени полета луча (Time of flight) и лазерная триангуляция, датчики расстояния также бывают импульсные или непрерывного действия.

Выделяют и датчики углового положения, датчики линейного положения или перемещения. Детектируемое линейное движение может быть фронтальным с переменным расстоянием между объектом и датчиком (преобладает), боковым и (или) вертикальным с постоянным расстоянием между объектом и устройством. Датчики углового движения также могут быть тангенциального и торцевого типов, для которых расстояние между объектом и устройством постоянно (преобладают), но допускают комбинирование с фронтальными измерениями.

Но цель данной классификации показать не столько отличия, сколько общность устройств, перечисленных выше, поскольку многие современные сенсорные устройства не имеют четких функциональных разграничений. Датчики близости, например, включают функцию детектирования расстояния до объекта, а аналоговый датчик расстояния, переменного во времени, представляет собой не что иное, как аналоговый датчик линейного положения. Энкодер — это датчик положения/скорости/направления, а датчик частоты вращения и зубчатого, и магнитного, и оптического кодового ротора — это угловой датчик близости, объектами детектирования которого служат кодовые элементы.

Большинство современных датчиков положения все более используют цифровой или переконвертированный из цифрового аналоговый интерфейс, причем магнитоуправляемые энкодеры положения/скорости/направления могут очень просто подключить функциональность датчиков близости, расстояния (с новыми устройствами— и наклона) новые интерфейсы.

Энкодеры по определению представляют собой угловые и линейные преобразователи с цифровой передаточной характеристикой, предоставляющей информацию об абсолютном или относительном угловом положении, при этом они отличаются более высокой точностью измерения положения и помехоустойчивостью при передаче сигнала по электрическим проводам, поэтому этот тип устройств весьма перспективен.

Абсолютные энкодеры поставляют цифровой эквивалент аналоговой характеристики. Абсолютный интерфейс характеризуется не бесконечным, но достаточно высоким разрешением (типичное разрешение современных устройств — порядка 12 бит на оборот). Абсолютный энкодер может быть получен как из аналогового датчика — включением в его схему АЦП и интерфейсной ASIC, так и посредством оптического или магнитного кодирования диска или линейки цели — детектируемого объекта. Развитие базовых концепций энкодерных угловых измерений и их современное состояние и в автомобильной отрасли, и в промышленной сфере во многом определено оптической и магнитной технологиями, и, закономерно, что значительное внимание уделено в данной статье именно магнитным энкодерам.

Многие технологии допускают многофункциональную работу датчиков и во фронтальном режиме, и в боковых режимах движения, для схем рефлектора, прерывателя, дифференциального включения устройств, линейных и угловых измерений [1–11].

Текущее состояние возможностей детектирования с каждой известной технологией в самом общем виде показано в таблице, хотя и для каждой технологии в рамках класса существуют свои особенные варианты, которые следует подчеркнуть. Например, резольверы, синхросы, индуктосины, RVDT — это устройства чисто углового типа. Угловые измерения более органично выполняются и с датчиками АМР/ГМР, а линейные измерения на базе этих эффектов — результат специальных разработок, так же как и угловые энкодерные измерения с эффектом Холла.

Таблица. Распределение датчиков близости/линейного и углового положения/расстояния и других по технологиям
Распределение датчиков близости/линейного и углового положения/расстояния и других по технологиям

Технология эффекта Холла доминирует в области энкодеров неслучайно: любой датчик Холла положения/скорости/направления допускает подключение функциональности датчика близости, расстояния и наклона, так как первичные элементы реагируют на появление объекта/напряженность поля заданной величины, и выходной сигнал первичного преобразователя пропорционален магнитному полю или расстоянию до объекта.

Следует вывод, что развитие любой технологии с целью максимальной экспансии на промышленные и автомобильные применения означает не столько максимальное использование преимущественного функционального назначения, сколько нахождение новых путей повышения многофункциональности данной технологии, или стремление к максимальному заполнению клеток таблицы, которая может быть расширена и дополнена.

Основная цель статьи — показать новые тенденции и перспективы рынка автомобильных и промышленных датчиков, которыми являются экспансия успешных технологий на новые применения и, что взаимосвязано, повышение многофункциональности технологий и датчиков на их основе. Эти тенденции подтверждают примеры новых и интересных разработок, в качестве которых автором выбраны микроволновые датчики близости и положения Astyx, 3D датчик Холла от Melexis и другие. Впрочем, и сами по себе, как наиболее заметные обновления, эти устройства — достаточный повод для того, чтобы рассказать о них широкому кругу читателей.

Микроволновые датчики Astyx и их новые применения в промышленности

Компания Astyx (http://www.astyx.net) разрабатывает и производит высокочастотные датчики для промышленной автоматизации и автоэлектроники и системы беспроводной коммуникации на основе микроволновых и миллиметровых модулей. Эти датчики можно называть радарными, так как используется радарный метод детектирования (radio detection and ranging), но для всех датчиков Astyx более подходит название микроволновые (микроволновой частотный диапазон 200 МГц – 95 ГГц, длины волн 0,67 м – 3,16 мм) [12–15].

Линейка продукции включает:

  • высокочастотные промышленные датчики близости для металлических и углеродистых волоконных составных материалов с разрешением в подмикронном диапазоне (лучше, чем 1 мкм);
  • высокоинтегрированные промышленные высокочастотные пневматические и гидравлические датчики линейного положения для применений с разрешением порядка ±50 мкм;
  • автомобильные радарные датчики для АКК, избежания аварий и помощи при парковке;
  • автомобильные системы удаленного доступа Keyless Entry & Go.

Датчики близости, разработанные компанией Astyx (рис. 2а), используют радиочастотный принцип действия, основанный на смещении резонансной частоты цилиндрического керамического резонатора при вхождении целей снаружи в электромагнитное поле датчика. На рис. 2а представлены внешний вид датчика и симулированное внутри и снаружи керамического резонатора электрическое поле (красным цветом показано сильное поле, синим — слабое). Измерение абсолютного значения частотного смещения позволяет определить расстояние до цели. Частота резонатора может быть в диапазоне 1–100 ГГц, что зависит от объекта, и предпочтительна в диапазоне 20–30 ГГц. Она может также подгоняться под 2-гигагерцовую полосу пропускания с диапазонами 22–24 или 24–26 ГГц.

Микроволновые датчики Astyx для промышленной автоматизации и автомобильной индустрии

Линейка продукции представлена двумя моделями — 2012 и 2013, обе характерны функцией измерения расстояния, но изделие с ID 2012 специфицируется как высокоточное измерительное устройство, а изделие 2013 — как еще более высокоточное устройство для измерения расстояния. Высокочастотная технология, разработанная Astyx, позволяет производить с датчиком близости 2012 измерения расстояния до цели c подмикронным разрешением и точностью порядка нескольких мкм, для устройства 2013 разрешение специфицируется даже лучше, чем в 200 нм.

Если близ поверхности датчика обнаруживаются металлические цели подобно стальным, керамическим (окись алюминия), цели из меди, латуни, золота, хрома и другие, и область пятна по прямой во фронте датчика является достаточной, цель регистрируется датчиком.

Высокочастотная электроника располагается с обратной стороны металлизированного (золотом) керамического цилиндра (рис. 2б).

В качестве целей детектирования можно использовать и проводящие, и диэлектрические цели, датчики устойчивы к качеству поверхности (грубость, блеск, окисление), внешним электрическим или магнитным полям и электромагнитным помехам, нагреву до 400 °C, различным загрязнениям — маслу, воде, пыли, каплям воды или тумана.

Датчик в составе системы детектирования после включения начинает передавать измеренные данные о расстоянии, причем при движении цели данные о расстоянии передаются в реальном времени непрерывно, то есть устройство работает как аналоговый датчик положения.

Детектируемый диапазон расстояний пропорционален диаметру цилиндра датчика. Доступны датчики серий с креплениями M18 (стандартное исполнение), M12 и M8. Приемлемо крепление различных датчиков один за другим и работа в этих условиях без интерференции.

Диапазон и желаемая скорость обновления данных программируются перед началом работы.

Типичные настройки диапазонов датчика серии 2012 включают:

  • версия 1: диапазон 200 мкм — 4 мм;
  • версия 2: диапазон 200 мкм — 2 мм;
  • версия 3: диапазон 200 мкм — 500 мкм;
  • версия 4: диапазон 200 мкм — 350 мкм.

Выход датчика является температурно-скомпенсированным и не требует пользовательской калибровки (рис. 2в). Температурная стабильность гарантирована микроволновой технологией и дизайном. Об измерительной точности технологии говорит следующая цифра: для версии 3 датчика серии 2012 в температурном диапазоне –20…+80 °C максимальный разброс измерений оценивается в 6 мкм.

Типичные характеристики датчиков серии 2012: постоянное напряжение питания 12–30 В, передача данных по формату RS232 (другие форматы по заказу) с частотой обновления 1 кГц, 8-битная оценка диапазона (в 256 шагов), рабочая температура –20…+80 °C, корпус M18b1 длиной 92 мм, соединитель M8b1. Типичные выходные скорости — 1 кГц, но доступны частоты и до 4 кГц. Отличие серии 2013 состоит в том, что она обеспечивает 10-битное разрешение (в 1024 шага) диапазона, достигающее 200 нм с типичным диапазоном 100–300 мкм. Датчики серии 2013 рассчитаны на типичную скорость обновления 5 кГц, доступны скорости обновления до 6 кГц, но рабочая температура –20…+60 °C.

За свои экстраординарнарные возможности и высокое разрешение микроволновой датчик близости, представленный на глобальном мероприятии 2007 года SensorsExpo, был удостоен бронзовой награды в категории “Sensors”. Хотя основное назначение этого типа устройств — измерение расстояния до цели, с помощью высокочастотного детектора можно также определять частоту вращения с профилем ротора, позволяющим обнаруживать гармонику на его поверхности или по расстоянию до цели — температурное расширение, определять угол поворота или наклона, толщину какого-либо носителя. Специальные типы датчиков измеряют толщину или считают количество слоев листов материала, например, бумаги и картона.

Технология датчиков близости Astyx разрабатывалась для промышленной автоматизации, но типичные применения, рекомендованные для датчиков, включают и чисто автомобильные. Например, для того чтобы улучшить характеристики систем ESP автомобилей, необходимо измерение сил, прикладываемых к каждому колесу в процессе вождения. Микроволновый датчик позволяет измерять смещение между внутренним и внешним корпусом подшипника, присутствующее вследствие действия радиальных и аксиальных сил при вождении по кривым и другим плохим дорогам (рис. 2г).

Аналогичное применение в автоматизации — контроль электродвигателей (рис. 2д): контроль ведущей оси позволяет датчику измерять разбаланс вала и выполнять диагностику подшипников. Сигнал продолжительно индицирует дефект, прежде чем двигатель разрушится.

Для контроля процесса прокатки металла в прокатных цехах микроволновые датчики могут измерять толщину металлического листа. Два датчика в дифференциальной конфигурации, типичной для измерения толщины, позволяют сравнивать сигналы, исключая влияние вибрации и зазоров на измерения.

Увеличивающийся уровень автоматизации создает потребность в интеллектуальных гидравлических и пневматических цилиндрах и клапанах со встраиваемыми датчиками (рис. 2е–з). Датчики должны очень точно измерять положение и скорость и генерировать команды для перемещения, анализа, оценки и собственно производства, которым в автомобильной сборке управляют, например, производственные роботы.

Развитой технологией для определения положения в пневматических цилиндрах являются магнитные датчики, закрепленные с внешней стороны цилиндра, которые обнаруживают постоянный магнит, локализованный на поршне (магнитоиндуктивные датчики). Но согласно данным, которые приводит компания Astyx, 50% всех системных сбоев в пневматических приводах вызваны сбоями магнитоиндуктивных датчиков, и из них 98% — механическими разрушениями датчиков, закрепленных извне. Реализация многих известных сенсорных принципов требует также соответствующих изменений в конструкции цилиндров или с их внешней стороны, что повышает стоимость. Следует отметить, что достаточно высока и стоимость промышленных магнитострикционных измерителей.

Микроволновой пневматический датчик Astyx полностью интегрируется в крышку цилиндра (диаметром до 8 мм), внешнего крепления и дополнительных средств монтажа при этом не требуется (рис. 2ж–и). Датчик непрерывно измеряет положение поршня, независимо от длины цилиндра, с разрешением порядка 30 мкм и точностью порядка ±50 мкм (до 10 мкм), способствуя в пневматических системах осуществлению мягких остановов и реализации программируемых функций переключения быстрыми переключающими клапанами. Мягкие остановы повышают срок службы датчика в сравнении с обычными PPV (настраиваемое демпфирование в конечных положениях).

Принцип измерения положения поршня в пневматических цилиндрах состоит в следующем: 6-гигагерцовая волна передается через монопольный трансмиттер в цилиндр, отраженную от поршня волну получает монопольная антенна, фазовая разница между полученной и переданной волной позволяет детектировать абсолютное положение поршня.

Технология применима ко всем типам цилиндров — с коротким ходом, цилиндрам с пазами, стандартным, с PPV и без него. Измерительный диапазон абсолютного положения — от 1 мм до бесконечности (теоретически). Может быть интегрирована функциональность подобно обучению устанавливать точки переключения.

Датчик работает в различных окружающих условиях (напряжение — 12–24 В, температура –20…+80 °C), и качество измерений не зависит от давления (рабочее гидравлическое давление специфицируется в 300 бар, пневматическое — в 100 psi), присутствия масла, пыли и влажности.

При использовании технологий ИС, таких как высокочастотные трансиверы MMIC (monolithic microwave integrated circuit), ASIC электроника дает очень компактное решение, такое устройство подгоняется под крышку цилиндра.

Astyx предлагает пользователям полную поддержку в выполнении тестирования полей. Оценочный набор для разработчиков состоит из микроволнового датчика, встроенного в крышку цилиндра (рис. 2и–к), компьютерного интерфейсного бокса с интерфейсом RS232 и дополнительным аналоговым выходом 0–10 В или CAN-интерфейсом (рис. 2л). Микроволновой датчик реализуется на основе дискретной электроники (рис. 2и), а далее, в зависимости от испытаний поля, может быть преобразован в клиентские ИС.

Оба типа высокочастотных датчиков компании Astyx — для измерения расстояния и положения — рассчитаны на промышленные применения, но они представляют научный интерес и для автоэлектроники — как возможное дополнение концептуального макета сравнительного анализа возможностей измерительных технологий. В датчиках положения также реализован типично радарный принцип измерений. Но это не импульсные радары на основе принципа ранжирования TOF RaDAR, а измерители фазовой разницы отраженной волны, подобные FMCW. Рабочий частотный диапазон 10 МГц – 25 ГГц захватывает микроволновую область.

Автомобильное направление разработок и производства датчиков компании Astyx представляют полностью интегрированные автомобильные радарные датчики для АКК, предупреждения столкновений и помощи в парковке (рис. 2м–п).

Для предупреждения столкновений применяются автомобильные радарные датчики MRS 77 (рис. 2н), которые служат как:

  • датчик предсказания удара при аварии (для динамической регулировки чувствительности подушек безопасности);
  • автоматический датчик чрезвычайного торможения;
  • датчик трафика для работы функции Stop & Go.

Радар работает на частоте миллиметрового волнового диапазона (включающего диапазон 40–300 ГГц, 1–7,5 мм) 76–77 ГГц, тип модуляции — FMCW(<490 МГц). Датчик измеряет расстояние, разделяющее автомобили, относительную скорость, обладает способностью обнаружения множественных объектов, параллельной работы нескольких датчиков с устойчивостью к смежным помехам от соседних излучающих устройств без перекрытия области обзора (FOV).

Отличительные признаки таких радаров: детектируемое расстояние 1–50 м, точность измерения расстояния — <0,5 м, или 5% от расстояния, точность измерения скорости ±1 км/ч, три луча антенны шириной 10×10°, переключаемых в положения 0°, +10°, –10°, 8 мВт потребляемой мощности, выходной интерфейс RS232 или CAN. Повышенное угловое разрешение в 1° достигается именно за счет вычислений переключений от –10° до +10°.

Технология, разработанная Astyx, позволяет реализовать 77-гигагерцовый компактный планарный дизайн с микрополосковыми патчантеннами и активными компонентами, закрепленными на поверхности антенны, более распространенный в 24-гигагерцовых радарах других производителей, который подходит для высокообъемного полностью автоматизированного производства, характеризующегося низкой ценой. Технология производства антенн представлена на рис. 2о.

Датчик SRS 77 (рис. 2п) разработан для систем помощи при парковке и систем автоматической парковки, его можно применять и для динамической регулировки чувствительности подушек безопасности как датчик предсказания удара. Ключевые параметры его работы те же, что и у MRS 77: рабочая частота устройства — 76–77 ГГц, тип модуляции FMCW (<900 МГц), передаваемая мощность 8 мВт, выходной интерфейс RS232 или CAN. Но детектируемое расстояние только 1–5 м, точность измерения расстояния при этом — <0,5 см, или 5% от расстояния, точность измерения скорости ±0,5 км/ч. Дизайн включает пятилучевую антенну с шириной лучей 30×20°, переключаемых в положения 0°, +30°, –30°, +60°, –60°.

Промышленные детекторы близости, датчики положения, автомобильные радары на 77 ГГц, системы удаленного доступа — все разработки компании Astyx интересны и представляют собой экспансию микроволновой и радарной технологии в самые различные сферы. Радарные датчики частоты вращения зубчатого ротора или углового положения аттенюатора — получается, почему бы и нет? Ведь похожие схемы уже были сделаны ранее, но на базе индуктивных датчиков, работающих в низкочастотном, килогерцовом и мегагерцовом диапазонах. А теперь те же измерения выполняются датчиками микроволнового диапазона.

MLX90333 Triaxis™ — 3D-энкодер положения джойстика

ИС MLX90333 — это новый датчик Холла компании Melexis. Он выполнен на основе технологии Triaxis и введен в мае 2007 года. Как заложено в основах технологии, MLX90333 чувствителен к трем компонентам магнитного поля, воздействующим на датчик (BX, BY и BZ), которые может обеспечивать подвижный постоянный магнит. Энкодер MLX90333 с этими возможностями предназначался для создания нового поколения джойстиков, востребованных в потребительских, а теперь и в промышленных и в автомобильных применениях. Но 3D-способности обнаружения BX, BY и BZ компонентов позволяют говорить о MLX90333 как об универсальном бесконтактном датчике положения. Журнал Electronic Products выбрал MLX90333 в качестве одного из 24 номинантов на звание “The most outstanding products” 2007 года — в связи с тем, что с технологией Triaxis датчик MLX90333 открывает большие перспективы 3D-детектирования для множества сенсорных применений, а не только избирательно для джойстиков [16](рис. 3а).

MLX90333 — 3D8энкодер положения джойстика от Melexis на основе технологии Triaxis

Отличительные признаки MLX90333 следующие:

  • абсолютные измерения;
  • программируемые передаточные характеристики Alpha и Beta;
  • выбираемый выходной формат (аналоговый ратиометричный, ШИМ, последовательный протокол);
  • 12-битное разрешение угла и 10-битное разрешение датчика температуры;
  • возможность запасания 40-битного ID ИС;
  • доступность двух версий: с одной подложкой в корпусе SO8 и с двойной подложкой в корпусе TSSOP16 — для полной избыточности измерений;
  • рабочая температура для обеих версий –40…+125 °C;
  • бессвинцовая технология (RoHS).

Существенным отличием MLX90333 от своего предшественника, MLX90316, выполненного на основе технологии Triaxis, является то, что все три магнитных компонента обрабатываются как входные сигналы микроконтроллера BX, BY и BZ (рис. 3б). Поэтому MLX90333 может давать информацию о линейном перемещении джойстика или другого объекта, включающего аксиально намагниченный постоянный магнит (рис. 3а, в).

Отметим, что впервые функциональность кнопки с вертикальным перемещением магнита была заявлена как признак AS5040 — первого многофункционального магнитного углового энкодера от Austriamicrosystems. Но вместо цифрового индицирования ухода магнита, доступного для AS5040, с технологией Triaxis за счет интегрированных магнитоконцентраторов (ИМК) компания Melexis предлагает более высокую чувствительность и совершенно новый метод целостного 3D-детектирования (рис. 3г).

В соответствии с тем, что показано на рис. 3г, вдоль X-оси левая плата Холла измеряет (BX?–BZ), правая — (–BX?–BZ). Вдоль Y-оси левая плата измеряет (BY?–BZ), правая — (–BY?–BZ). Дифференциальный метод измерений, согласно которому вычитаются сигналы каждой пары, позволяет отменить влияние BZ. Если же складывать сигналы в каждой паре, компонент BZ будет измеренным, а влияние BX и BY — отменяться.

В джойстике с механизмом “gimbal” (рис. 3в) использован магнит с аксиальной намагниченностью, который движется по полусфере, центрированной относительно ИС. Действительны следующие соотношения:

В этих выражениях α — это угол между осями X и Z, β — угол между осями Y и Z. Датчик Холла генерирует три дифференциальных напряжения, пропорциональных приложенным компонентам поля. Амплитуда VZ меньше, чем сигналы VX и VY, вследствие того, что магнитное усиление ИМК влияет только на компоненты, параллельные поверхности ИС — BX и BY (рис. 3д–е).

Сигналы Холла обрабатываются в полной дифференциальной аналоговой цепочке с классической техникой отмены смещений (spinning и chopper-stabilization) и затем подаются на вход 14- или 15-битного АЦП (конфигурируется) и в блок ЦОС, основанный на 16-битном RISC-микроконтроллере. Первичные функции ЦОС включают извлечение угловой информации из трех строковых сигналов:

где kZ — программируемый параметр.

Для джойстика типа “ball & socket”, центрированного относительно ИС, плотность магнитного потока описывается через несколько более сложные уравнения, которым в MLX90333 как альтернатива предложены следующие уравнения:

где kZ и kt — программируемые параметры.

Функциональность ЦОС управляется микрокодом микроконтроллера F/W, хранимым в ROM, который управляет также функцией ATAN, аналоговой цепью, выходной характеристикой, протоколом, этапами программирования/калибровки и функциями самодиагностики. В MLX90333 функция ATAN вычисляется табличным способом, как и в MLX90316.

Поскольку вычисление функции ATAN производится из соотношений VX/VZ и VY/VZ, угловая информация по своей сути является самокомпенсированной. Вариации плотности магнитного потока вследствие изменений зазора, отрицательные эффекты температуры и старения искажают первичные магнитные сигналы, но их влияние при вычислениях минимизируется. Джойстики c MLX90333 (и не только они) становятся более температурно-стабильными и надежными.

Вычисленные углы доступны как:

  • аналоговый выход с 12-битного ЦАП, следующего за буфером;
  • 12-битный ШИМ-сигнал с программируемой частотой 100 Гц – 1 кГц;
  • цифровой последовательный 14-битный протокол SPI.

Аналоговый выход может допускать программирование смещения, усиления, ограничивающих уровней — и для α, и для β углов, со стандартной трехточечной калибровкой, или 5-точечной с целью более тщательной подгонки линейности передаточной кривой.

Калибровка с EEPROM характеризуется наличием корректирующего кода Hamming Error Correction Coding (ECC). Программирование выполняется без специальных выводов, через выводы питания и выхода и возможно с комплектом Melexis Programming Unit PTC-04, предназначенным для MLX90316, но со специальным программным обеспечением.

Новые энкодеры от Austriamicrosystems: датчик джойстика, линейные и автомобильные ИС

Компания Austriamicrosystems, также являющаяся одним из лидеров в области разработки магнитных угловых энкодеров Холла, в последнее время значительно обновила и пополнила линейку своей продукции (рис. 4).

Новые энкодеры от Austriamicrosystems

Примером является AS5046 (рис. 4а–в) — 12-битный магнитный угловой энкодер, позволяющий детектировать вращение, наклон, вертикальное расстояние между магнитом и ИС, во фронте которой он помещен.

AS5046 — новая однокристальная микросхема с массивом элементов Холла и схемой обработки сигнала (рис. 4а) для хорошо известной схемы применения — угловой (рис. 4б). Для программирования ИС связывается с микроконтроллером через двухпроводной 12-битный последовательный интерфейс I2C, в условиях автономной работы устройство обеспечивает также пропорциональный 10-битный аналоговый выход углового положения. Двунаправленный последовательный интерфейс обеспечивает доступ к каждому из элементов Холла. Но, помимо расчета угла поворота и разработанной компанией ранее для AS5040 функциональности push-button при выходе магнита за рекомендованный диапазон, устройство детектирует вертикальные смещения магнита до нескольких миллиметров с высоким разрешением (8 бит), что рассчитано на применения в навигационных устройствах HMI, джойстиках.

Для AS5046 действителен рабочий режим, показанный на рис. 4б, но разработчик джойстика должен заменить диаметрально намагниченный магнит на аксиально намагниченный. Компания продолжает работать над развитием применений своих ИС энкодеров для джойстиков.

Рабочее напряжение питания — 3,3 или 5 В, рабочая температура устройства — от –40 до 125 °C. AS5046 помещен в бессвинцовый корпус SSOP16. Компания также предлагает разработчикам демоплаты и программное обеспечение.

Следующая новинка от Austriamicrosystems — линейный энкодер AS5305 (рис. 4г–е), разработанный для детектирования линейного перемещения многополюсных магнитных полос или колец — также представляет работу компании по экспансии на широкий круг применений. Преимущества AS5305 востребованы в применениях, где целесообразен монтаж датчика не в торцевом исполнении, причем допуски на радиальный тип монтажа относительно свободны. Выход датчика — квадратурный инкрементальный с 40 импульсами за период на скоростях до 20 м/с. С 32 парами полюсов обеспечивает разрешение до 1280 импульсов на оборот, что эквивалентно 5120 положениям/оборот или 12,3 бит. Максимальная скорость в этой конфигурации — 9375 об/мин. Можно было бы сказать, что технологической инновацией как таковая эта разработка не является, поскольку возможность детектирования линейного движения с магнитным угловым энкодером стала доступна с первым линейным энкодером iC-Haus iC-ML, если бы не заметные отличия в разрешении и требованиях к линейкам. Так, стандартным для AS5305 является магнитный период 4 мм, или расстояние между центрами полюсов 2 мм. Но ИС адаптируется кширокому диапазону периодов T— от 2,26 до 5,91 мм и работает с напряженностями до 5 мТл. Значение T программируется, минимальная длина T = 2,26 мм дает разрешение 14,125 мкм на шаг положения.

Кроме того, AS5305 также может прочитывать вторую многополюсную опорную дорожку (рис. 4е), генерирующую одиночный или множественный опорный индексный импульс за вращение — для того чтобы помимо инкрементального детектирования обеспечивать абсолютные измерения. AS5305 выполняется в 20-выводном корпусе TSSOP, рабочая температура — от –40 до +125 °C.

Компания Austriamicrosystems также разработала и непрерывно обновляет специализированную линейку автомобильных датчиков, куда входят 8-битный абсолютный угловой энкодер AS5130 и AS5140 — многофункциональный датчик с различными типами выходов, включая абсолютный, инкрементальный и BLDC-интерфейсы [11], работающий при температурах до 150 °C. Компания анонсировала выпуск еще четырех энкодеров:

  • AS5134 — программируемый 8,5-битный высокоскоростной (30 000 об/мин) угловой (360°) специализированный BLDC-энкодер с расширенным набором типом выходов, включая 9-битный счетчик оборотов;
  • AS5143 — программируемый 10-битный абсолютный угловой (360°) энкодер с аналоговым и SSI-интерфейсами;
  • AS5145 — программируемый 12-битный угловой (360°) энкодер с абсолютными SSI, ШИМ и инкрементальными интерфейсами;
  • AS5243 — программируемый 10-битный абсолютный угловой (360°) энкодер с аналоговым и SSI-интерфейсами, отличающийся исполнением с двумя подложками для обеспечения избыточности измерений.

Как следует из обзора, каждая компания, включая Austriamicrosystems, стремится усовершенствовать разработанную ею технологию и внедрить максимальное число преимущественных признаков — с целью максимального охвата доступных функциональных возможностей, применений, рынков сбыта. Эту тенденцию подтверждает и следующий пример — обновления от iC-Haus.

Полная линейка датчиков и энкодеров Холла или АМР для максимального числа применений — стратегия iC-Haus

Линейка продукции компании iC-Haus заслуживает отдельного рассмотрения, так как за последнее время она была весьма значительно обновлена. Помимо выпущенных ранее 8-битных энкодеров Холла — углового датчика iC-MA и дифференциального линейного энкодера iC-ML, который является заметной разработкой компании [7], в портфолио iC-Haus теперь представлены еще 5 устройств:

  • iC-MH— 12-битный угловой энкодер Холла с абсолютными, инкрементальными и BLDC-интерфейсами, поддерживающий, по заявлениям компании, скорости работы до 120 000 об/мин, снабженный функциональностью кнопки для индикации потери магнитного поля и обеспечивающий возможность программирования многих рабочих параметров — разрешения, гистерезиса и т. д., с рабочей температурой до 125 °C;
  • iC-MP — 8-битный угловой энкодер Холла с абсолютными последовательным и реконвертированным аналоговым выходами для замещения потенциометров (также с рабочей температурой до 125 °C);
  • iC-MZ (рис. 5) — дифференциальный двухэлементный датчик Холла зубчатого или магнитного ротора, или детектор близости, отличающийся от известных ранее подобных устройств тем, что усиленный дифференциальный сигнал доступен на аналоговых выводах датчика для диагностического оценивания (очень полезная возможность для разработчиков новых устройств), кроме того, этот датчик рассчитан на напряжение питания 4,5–36 В, что позволяет для тестирования напрямую подключать устройство к компьютеру, его выходной интерфейс 5–36 В, совместимый с RS-422;
  • iC-MZ iC-Haus — дифференциальный двухэлементный датчик Холла зубчатого или магнитного ротора или детектор близости
  • iC-SM2L — линейный АМР энкодерный сенсорный модуль, обеспечивающий выходной синусно-косинусный цикл для магнитного периода T = 2 мм многополюсной линейки;
  • iC-SM5L — линейный АМР энкодерный сенсорный модуль, обеспечивающий выходной синусно-косинусный цикл для магнитного периода T = 5 мм многополюсной линейки.

Интересен подход компании к дальнейшему повышению вариабельности своих датчиков. Для переконвертации выходных сенсорных сигналов в другие iC-Haus предлагает широкий набор iP-модулей схем обработки. Например, iC-NQ и iC-NQL могут быть добавлены к iC-SMхL как средство преобразования синусно-косинусных выходов в интерфейсы I2C/SSI/TTL.

Детали технических данных и практической реализации можно найти на сайте компании (www.iC-Haus.de), так как формат статьи не позволяет рассказать обо всех полезных возможностях, предложенных разработчикам производителями ИС в текущем году. Хотя магнитные угловые энкодеры — наиболее перспективная и успешная технология, все же невозможно не рассказать о направлениях работы еще одного мирового лидера в области производства датчиков Холла, которым является компания Micronas.

Специализированные автомобильные интерфейсыпредложение для датчиков Холла от Micronas

Компания Micronas анонсировала новое семейство датчиков Холла HAL 28xy, которое интегрирует микроконтроллер и цифровые интерфейсы и оптимизировано для таких автомобильных и мехатронных применений, где востребована высокая точность измерений и гибкость настройки и обслуживания датчика с локальной предобработкой сигнала. Датчики семейства HAL 28xy интегрируют программируемый RISC-микроконтроллер, датчик температуры (типично для датчиков Analog Devices), компенсационную схему и цифровые интерфейсные блоки. Прежде всего, семейство HAL 28xy рекомендуется как эффективное решение для датчиков положения сиденья и мониторинга уровня топлива.

Ключ к повышению точности — это три возможных типа коррекции ошибок. Датчик Холла и датчик температуры обеспечиваются каждый своим АЦП, и микроконтроллер реализует метод компенсации смещений (spinning-current offset compensation), температурную компенсацию смещения сигнала Холла и чувствительности. Интегральная память EEPROM рассчитана на индивидуальную калибровку датчиков. Интегрированный драйвер выхода и вывод питания защищены от напряжения обратной полярности. Но самое интересное то, что ИС — члены семейства — обеспечивают готовый LIN-интерфейс, распространенный в автомобильных применениях интерьера, SENT (SAE J2716) — для применений двигателя, и ШИМ — для систем электрического рулевого управления. Для семейства HAL 28xy Micronas предлагает набор разработчика, включающий специальную плату и программное обеспечение LabVIEW™ с необходимым исходным кодом. Ключевые переменные программирования, такие как скорость сэмплов, диапазон магнитного поля, чувствительность, смещение, температурные коэффициенты чувствительности и смещения, можно регулировать за счет программирования памяти, для которого используются LIN-фреймы или телеграммы BiPhase-M telegrams. Все ИС семейства HAL 28xy выпускаются в корпусах TO-92UT и рассчитаны на весьма повышенный рабочий температурный диапазон (–40…+140 °C).

Первым членом семейства HAL 28xy является 12-битная ИС HAL 2810 — линейный датчик с интерфейсом LIN bus 2.0 (со скоростями передачи данных 10,4 и 20 кбод), помимо упомянутых применений мониторинга уровня топлива и положения сиденья, рекомендуемый компанией как датчик веса пассажира, который согласно стандарту FMVSS 208 требуется для расширенного контроля систем развертывания подушек безопасности. Его преимущества — легкость подключения к единой автомобильной LIN сетевой структуре датчиков (рис. 6), управляющих и исполнительных блоков, высокое 12-битное разрешение, повышенные рабочие температуры (до +140 °C). Устройство включает перечисленные выше компенсационные схемы, 8-битный микроконтроллер с ROM, EEPROM, RAM, интерфейс LIN bus slave, схемы защиты от перенапряжений и напряжений обратной полярности на всех трех выводах, программируется пользователем, причем для программирования специальный комплект даже не нужен — может быть использовано любое LIN-средство, хотя он и предлагается компанией. Кроме 32-битного LIN-номера, программируется 12-битный ID-регистр. При этом цена датчика в количестве более тысячи составляет всего $2,00.

Устройство и применения нового семейства датчиков Холла HAL 28xy Micronas

Состояние рынка и перспективы датчиков близости/положения/расстояния в цифрах

Специалисты многих исследовательских организаций сходятся во мнении, что основные движущие силы современного рынка — это применения, на которые ориентируются технологии, а не наоборот, что и показывает обзор обновлений, представленный выше. Разумеется, не все обновления были рассмотрены в статье, только наиболее заметные из них, так как рынок датчиков положения, скорости и расстояния, и близких к ним, огромен. Представление об этом рынке помогут составить характеризующие его состояние и динамику цифры из недавних маркетинговых исследований, проведенных компанией Venture Development Corp. [17].

Согласно опубликованным компанией в начале текущего года результатам маркетинговых исследований, адресованных североамериканскому рынку датчиков линейного положения, близости и углового положения, пропорции промышленных продаж для разных сенсорных технологий различаются, но среди перечисленных устройств датчики близости/приближения (proximity sensors) представляют собой наибольший сегмент рынка.

Компания прогнозирует, что для североамериканского рынка объем сегмента датчиков близости увеличится с $788,9 млн в 2007 году до $930,2 млн в 2011-м с ежегодным приростом CAGR в 4,2%. В тех же временных рамках, согласно прогнозам, текущие объемы сегментов датчиков углового положения увеличатся с $428,3 млн до $514,3 млн с ежегодным приростом в 4,7%, датчиков линейного положения — с $358,0 млн до $450,1 млн с CAGR в 5,9%. Увеличение в сумме объема всех сегментов рынка перечисленных типов датчиков ожидается с $1,575,2 млн до $1,894,6 млн с CAGR в 4,7%.

Таким образом, датчики близости/приближения представляют собой наибольший сегмент рынка, а датчики линейного положения — наименьший, но для этой категории прогнозируется самый высокий рост, хотя объемы и рост сегментов датчиков линейного и углового положения отличаются незначительно.

Также весьма интересны маркетинговые ожидания компании в отношении показателей роста объемов сегментов для отдельных типов датчиков — разного функционального назначения на основе различных технологий.

Кроме того, что эти показатели значительно различаются, некоторые выводы исследователей также могут показаться неожиданными.

Для датчиков близости наибольший прирост (5,3% за год) прогнозируется для фотоэлектрических датчиков, наименьший (2,0%) — для емкостных. Фотоэлектрические датчики наиболее востребованы для обработки материалов, и для этого применения показатель роста их продаж оценивается в 6,9% за год. Емкостные датчики будут характеризоваться показателем годового прироста в 5,9% для линий сборки и робототехники, а также в лесозаготовительной промышленности.

Закономерно, что наибольший рост ожидается для магнитных угловых энкодеров — 6,5% в год, причем для пищевой промышленности и промышленности напитков эта цифра почти удваивается — до 12,2% в год. Рынок контактных энкодеров в целом ожидает снижение в 6,9% за год, и наиболее резкий спад произойдет в электронной и полупроводниковой отраслях, но рынок этих устройств для металлообрабатывающей промышленности, металлорежущих станков и медицинского оборудования устойчив.

Что касается датчиков линейного положения/перемещения, в этом сегменте наибольший рост ожидается для систем лазерной триангуляции — 10,6% ежегодно, 12,3% — для пластмассовой и резиновой промышленности. Наименьший рост только (1,7% за год) прогнозируется для резисторов wirewound.

Следует ли поставщикам датчиков «сдвигать» свою продукцию к прогрессирующим направлениям? Ответ компании VDC на этот вопрос неоднозначный или отрицательный, так как многие из растущих сегментов представляют собой малые области рынка, поэтому крупные поставщики борются за объемные, но не обязательно растущие сегменты.

Фотоэлектрические и индуктивные сегменты датчиков до 2011 года будут составлять наиболее значительную долю североамериканского рынка — более 89% от $141,3-млн прироста в период между 2007-м и 2011 годом. Для индуктивных датчиков наибольший рост ожидается в рыночных сферах военного и аэрокосмического оборудования.

Оптические и магнитные угловые энкодеры дадут 81% из $86-млн прироста североамериканского рынка за те же четыре года. Для оптических датчиков наибольший рост ожидается в сегменте военного и аэрокосмического оборудования. Для магнитных угловых энкодеров наибольший прирост, очевидно,— в автомобильных применениях.

Оптические линейные энкодеры и LVDT — это ожидаемые 46% из $92,1-млн прироста североамериканского рынка в период 2007–2011 гг., причем металлообработка и металлорежущие станки — ключевые применения для оптических энкодеров, а военное и аэрокосмическое оборудование потребляет наибольшее число LVDT.

Компания VDC выделяет следующие основные факторы, влияющие на рост рынка датчиков положения/близости/расстояния:

  • Растущая потребность в автоматизации в количественном и качественном измерении, главная причина повышения спроса на датчики — новые и расширяющиеся применения интеллектуальных процессов.
  • Различные ожидания роста по применениям и отраслям объясняются степенью использования датчиков в различных применениях, а также конкуренцией между технологиями.
  • Дальнейший выбор североамериканских промышленных производителей — смещение производственных локаций в оффшорные регионы или увеличение автоматизации, причем первый фактор отрицательно скажется на росте рынка датчиков для автоматизации, а второй — положительно.
  • Смещение цен на датчики в рассматриваемый период ожидается в пределах от –2,4% до 1,0% в сторону увеличения или уменьшения, что объясняется следующими факторами:
    1. Развитие электронных технологий, повышение функциональности, уменьшение форм-фактора, снижение цен.
    2. Конкуренция. В некоторых маркетинговых сегментах продавцы не будут вступать в сильную ценовую конкуренцию.
    3. Экономия за счет роста производства, так как увеличение объемов продаж приводит к снижению закупочных цен и большей эффективности и производительности операций.
    4. Признаки и характеристики. Важными факторами в выборе поставщика датчика положения являются надежность, характеристики и исполнения устройства, а также качественные характеристики компании: поставка, сервисные услуги, доступность новых продуктов. Новые продукты обычно вводятся по повышенным ценам, затем цены снижаются.
    5. Влияние оффшорного производства и усиленная ценовая конкуренция.
    6. Материало- и энергоемкость влияют на повышение цен — с целью окупить повышенные затраты при использовании меди, некоторых металлов, нефтяного топлива ряд поставщиков повышает цены, а другие не снижают, ориентируясь на общий ценовой уровень.
    7. Давление OEM-производителей на поставщиков датчиков с целью снижения цены, особенно в автомобильной и военной/аэрокосмической отраслях (правительственные контракты также устанавливают фиксированные ценовые уровни; повсеместен переход военных/космических достижений в коммерческие продукты, а не наоборот).
    8. Тенденция к товарным продуктам в применениях, где не требуются специальные клиентские признаки и настройки приводят к разработке датчиков, ориентированных на высокие объемы и низкие цены.

Заключение

Обзор, представленный в статье, иллюстрирует самые общие тенденции, проявившиеся в настоящее время для очень большого сегмента рынка датчиков. В нем общим направлением является стремление производителей совершенствовать разработанную ими технологию, повышая ее многофункциональность и снижая цену для все более широкого круга применений. Что не отменяет утверждения, что в рамках и вне рамок любого сегмента всегда есть место новым технологическим инновациям, которые могут стать новым стандартом для существующих и вновь разрабатываемых применений.

Литература

  1. Сысоева С. Новые концепции датчиков скорости/положения // Компоненты и технологии. 2008. № 1.
  2. Сысоева С. Развитие концепции математического и расчетного моделирования автомобильных датчиков скорости/положения // Компоненты и технологии. 2007. № 12.
  3. Сысоева С. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 14. Итоговый сравнительный анализ. Выводы и обновление // Компоненты и технологии. 2006. № 7.
  4. Сысоева С. Концепции применения потенциометров для автомобильных задач измерения положения // Компоненты и технологии. 2007. № 6.
  5. Сысоева С. Интеллектуальные автомобильные датчики положения/скорости. Пути оптимизации. Часть 1 // Современная электроника. 2007. № 9.
  6. Сысоева С. Интеллектуальные автомобильные датчики положения/скорости. Пути оптимизации. Часть 2 // Современная электроника. 2008. № 1.
  7. Сысоева С. Рекомендации производителям автомобильных цифровых датчиков скорости и положения. Часть 2. Новые рекомендации по разработке датчиков с магнитным ротором // Компоненты и технологии. 2007. № 2.
  8. Сысоева С. Рекомендации производителям автомобильных цифровых датчиков скорости и положения. Часть 1. Постановка задач и общие конструкторские рекомендации // Компоненты и технологии. 2006. № 9.
  9. Сысоева С. Датчики скорости автомобиля. Анализ конструкций и перспективы развития // Компоненты и технологии. 2004. № 7.
  10. Сысоева С. Датчики скорости автомобиля. Анализ конструкций и перспективы развития // Компоненты и технологии. 2004. № 8.
  11. Сысоева С. Сравнительный анализ возможностей применения датчиков Холла в автомобильных системах электрического рулевого управления // Компоненты и технологии. 2007. № 5.
  12. Radar distance measuring device. US Patent 6,373,427. Опубл. April 16, 2002. (Hohne F., Mikrowellen-Technologie und Sensoren GmbH).
  13. Distance measuring device and method for determining a distance. US Patent 7,095,944. Опубл. August 22, 2006 (Trummer G., Mikrowellen-Technologie und Sensoren GmbH).
  14. Distance measuring device and method for determining a distance. US Patent 6,445,191. Опубл. September 3, 2002 (Trummer G., Mikrowellen-Technologie und Sensoren GmbH).
  15. Distance measuring device and method for determining a distance. US Patent 6,445,193. Опубл. Sept3, 2002 (Trummer G. и другие, Mikrowellen-Technologie und Sensoren GmbH).
  16. http://www.electronicproducts.com/ShowPage. asp?SECTION=PRIMID=&FileName=poyrc03. jan2008.html&source=rss
  17. Market Prospects for Position Sensors. Taylor J. Venture Development Corp. Sensors, Feb 1, 2008.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке