Датчики движения

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Датчики движения 5
Датчики для измерения параметров движения на основе MEMS-технологии 14
Заключение 23
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 25

ВВЕДЕНИЕ
Датчик движения – это пироэлектрический детектор, служащий приемником волн инфракрасного диапазона. Из курса физики мы знаем, что любое тело, нагретое до определенной температуры, начинает излучать ИК волны. То есть, принцип работы датчика движения основан на регистрации инфракрасных волн, которые исходят от тела человека.
В быту чаще всего под этим термином подразумевается электронный инфракрасный датчик, обнаруживающий присутствие и перемещение человека, и коммутирующий питание электроприборов (чаще всего освещения). Иногда датчиками движения ошибочно называют акселерометры; в действительности акселерометры не могут почувствовать прямолинейное равномерное движение, зато чувствуют ориентацию относительно вертикальной оси даже в полном покое.
Датчики движения – это простой и удобный способ решения проблем связанных с охраной и освещением, а также другими задачами, которые требуют бесконтактного воздействия. Любой электрический прибор можно заставить реагировать на появление человека в зоне охвата датчика и также заставить прекратить свою работу при его исчезновении.
Кроме своих охранных функций датчик также несет и большую экономическую функцию. Например, освещение будет только тогда, когда вам это нужно, свет не будет больше гореть впустую. Камеры видеонаблюдения будут снимать только при появлении в зоне датчика человека, а это значит, что впустую камера больше записывать не будет.
Датчик может быть использован совместно с другими датчиками и приборами, что повышает качество выполнения определенной задачи.
    В России при проектировании новых реконструкций, существующих инженерных систем зданий и сооружений вопросам энергосбережения уделяется все  больше внимания. Поэтому существует значительный интерес к зарубежным, уже испытанным методам и разработкам, позволяющим получить значительную экономию энергии.
    Энергосберегающие мероприятия, внедряемые в Германии, хорошо зарекомендовали себя и на российских объектах. Так, нашло широкое  применение в системах внутреннего  освещения зданий автоматическое управление с использованием специальных датчиков. Германия далеко продвинулась в данном направлении: в стране на федеральном  уровне принят закон, регламентирующий обязательную установку в зданиях  датчиков присутствия и движения с целью экономии электрической  энергии, затрачиваемой на искусственное  освещение. Без реализации данных энергосберегающих  требований невозможно спроектировать новое здание или провести реконструкцию  существующего. Их выполнение незатруднительно, т. к. рынок предлагает широкий выбор датчиков движения, присутствия, сумеречных датчиков и сопутствующего оборудования, необходимого для автоматического регулирования освещения в зданиях.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Принцип работы любого датчика движения основан на отслеживании уровня ИК-излучения в поле зрения датчика (как правило, пироэлектрического). Сигнал на выходе датчика монотонно зависит от уровня ИК излучения, усредненного по полю зрения датчика. При появлении человека (или другого массивного объекта с температурой большей, чем температура фона) на выходе пироэлектрического датчика повышается напряжение. Для того чтобы определить, движется ли объект, в датчике используется оптическая система – линза Френеля. Иногда вместо линзы Френеля используется система вогнутых сегментных зеркал. Сегменты оптической системы (линзы или зеркала) фокусируют ИК-излучение на пироэлементе, выдающем при этом электроимпульс. По мере перемещения источника ИК-излучения, оно улавливается и фокусируется разными сегментами оптической системы, что формирует несколько последовательных импульсов. В зависимости от установки чувствительности датчика, для выдачи итогового сигнала на пироэлемент датчика должно поступить 2 или 3 импульса.
    Датчики, использующиеся в системах охранной сигнализации, имеют выходное реле типа «сухой контакт» (нормально замкнутый).
    В датчиках, используемых для управления освещением, для коммутации нагрузки обычно применяются твердотельные  выключатели на основе тиристоров или симисторов.
    Одним из эффективных способов решения  проблемы экономии электроэнергии является установка датчиков движения и присутствия. Принцип их работы прост: датчики  автоматически включают / выключают освещение в помещении в зависимости от интенсивности естественного потока света и/или присутствия людей. Возможным это делает пассивная технология инфракрасного излучения: встроенные IR-датчики производят запись тепловой радиации и преобразовывают ее в измеряемый электрический сигнал. Люди излучают тепловую энергию, спектр которой находится в инфракрасном диапазоне и не видим человеческому глазу.
    Датчики движения и датчики присутствия реагируют на появление или исчезновение ИК-света на фотоэлементе, являющимся основой этих устройств. Эти факторы, прежде всего, связаны с деятельностью человека, гораздо реже – воздействием тепловых излучений, вырабатываемые бытовыми приборами, что приводит к ошибочным срабатываниям датчиков. Например: распознать человека на фоне теплых полов датчик практически не может. По физической природе, ИК-излучение и видимый свет одинаковы. При попадании ИК-света на линзу, фотоэлемент меняет свои параметры. Яркость ИК-света зависит от температуры тела человека (чем горячее, тем светится ярче, чем холоднее – тем свечение становится слабее). Поэтому ИК-излучение человеческого тела самое значительное и распознается датчиком мгновенно. Датчики движения менее чувствительны, усилительный тракт фотоэлемента ограничен в тепловой восприимчивости. Поэтому, они реагируют только на движущегося человека.
В центре устройства, на котором размещена схема обработки сигналов, находится приемник ИК-света (точнее пироэлектрический ИК-датчик). Основная линза (линза Френеля) состоит из множества маленьких линз, каждая из которых фокусирует ИК-свет на плоскость фотоэлемента, а одна из них непосредственно на сам фотоэлемент и происходит регистрация сигналов. Во время движения человека, на какое-то время фокус линзы смещается с фотоэлемента и сигнал пропадает. Другая линза фокусирует ИК-свет человека и сигнал вновь появляется. Каждая из линз охватывает свой сегмент, поэтому сигнал пропадает при выходе человека из зоны этого сегмента. Поэтому чем больше линза, тем больше чувствительность этого датчика. При удалении от датчика размер сегмента увеличивается, все незначительные движения будут находиться в зоне только одного сегмента.
Рис. 1. Схема обработки сигнала
Активная зона (выделена голубым цветом). Инфракрасное излучение из этой области регистрируется пиродетектором.
Пассивная зона (выделена серым цветом). Её пиродетектор не учитывает. Сегмент охвата (выделен фигурной скобкой): активная и пассивная зоны.
Для того чтобы движение человека вызывало колебания инфракрасного излучения, воспринимаемого пиродетектором, область охвата должна быть разделена на отдельные зоны сегментными линзами. Детектор обнаруживает воздействующие на сегменты движение источника тепла как колебания ИК излучения на границе зон и посылает соответствующий импульс.
Рис. 2. Линза ФреннеляУправление освещением в ванной комнате. В ванной комнате устанавливается непрерывно включенный и экономичный ночник, поддерживающий постоянный, но низкий уровень. Датчик движения (для этих целей лучше всего подходит датчик с углом обзора 360 градусов) крепится на потолке помещения. Перед входом в ванную комнату устанавливается традиционный выключатель света. Как только Вы входите в ванную комнату для того, чтобы помыть руки – на несколько минут включается свет. Если Вы хотите принять ванну и рассчитываете находится в помещении продолжительное время, Вы просто включаете свет перед тем как войти. Если Вы забудете это сделать – датчик движения включит освещение в ванной комнате на установленный период (например, 10 минут), но после выключения света Вы не окажетесь в полной темноте - Вам поможет постоянно включенный ночник, а снова включить освещение Вы сможете, например, взмахнув рукой.
Освещение лестницы в двух- и многоэтажном доме. В двухэтажном доме датчик движения устанавливается на потолке или стене над лестницей так, чтобы в зоне его охвата оказался весь лестничный пролет. Аналогично крепятся и осветительные приборы. Период включения освещения можно поставить небольшой – 1-3 минуты, так как человек не будет находится на лестнице продолжительное время. Чувствительность датчика устанавливается по следующему принципу: полное или частичное отсутствие постоянного уровня освещения – максимальная чувствительность, естественный уровень освещения – средняя или минимальная.
В многоэтажном доме схема установки освещения делается подобно двухэтажному варианту для каждого лестничного пролета, то есть для лестницы на 3 этажа понадобится 2 датчика, для 4-х этажей – 3 датчика и так далее. Таким образом, при фиксировании движения на любом участке лестницы, соответствующий датчик движения будет включать освещение над этим участком и позволит Вам подниматься и спускаться по полностью освещенной лестнице, не заботясь о включении света.
Управление освещением в подсобном помещении. Главный датчик движения устанавливается над дверью в помещение или немного сбоку, в зависимости от планировки конкретного помещения. Осветительные приборы возле двери устанавливаются в любом удобном месте. В зависимости от размера помещения, его планировки, наличия стеллажей, в помещении ставятся дополнительные датчики движения, охватывающие все части помещения. Датчики движения устанавливаются на максимальный интервал включения освещения (10-15 минут, в зависимости от модели), а их «порог срабатывания» выбирается в зависимости от постоянного уровня освещенности помещения (например, в помещениях без окон можно установить максимальную чувствительность датчика, а в комнатах с естественным освещением – среднюю или минимальную). Теперь, при появлении человека в помещении, освещение будет включаться на 10-15 минут. Если человеку потребуется больше времени – достаточно, например, взмахнуть рукой, и датчик снова среагирует и включит свет. Если в помещении имеются стеллажи или оно делится на несколько комнат, дополнительные датчики помогут человеку постоянно находится в освещенной зоне.
Освещение автомобильной стоянки. Для освещения больших уличных пространств лучше всего подходят прожекторы с датчиками движения. Прожектор подбирается, исходя из требуемой мощности (т.е. необходимой яркости освещения), и крепится на достаточной высоте (2-5 метров) вблизи стоянки автомобиля. Датчик движения устанавливается на среднюю или минимальную чувствительность (предотвращая дневные включения) и максимальный период включения (10-15 минут). При фиксировании движения на территории стоянки (перемещение автомобиля или человека), датчик будет включать прожектор на указанный период времени. Немаловажным дополнением такого применения датчика движения является вопрос безопасности: в темное время суток датчик будет включать достаточно яркое освещение при появлении любого человека на автомобильной стоянке, что может отпугнуть незваных гостей и автомобильных воров.
Датчики движения различаются по следующим параметрам:
по способу управления:
автоматические;
с возможностью принудительного отключения;
с возможностью плавной регулировки дальности срабатывания;
дистанционные (с помощью радиопульта или ИК-пульта ДУ).
по типу нагрузки:
лампы (накаливания 220В, галогеновые 220В, галогеновые 12В с электронным трансформатором;
галогеновые 12В с обмоточным трансформатором;
энергосберегающие;
люминесцентные;
светодиодные;
сигнализаторы (электрозвонки и пр.).
по мощности нагрузки:
8 Вт, 11 Вт, 14 Вт, 15 Вт, 24 Вт, 25 Вт, 26 Вт, 60 Вт, 75 Вт, 80 Вт, 100 Вт, 150 Вт, 300 Вт;Вт, 600 Вт, 1000 Вт, 2000 Вт, 2500 Вт.
по дальности действия:
до 8 м;
до 12 м;
до 20 м.
по углу охвата:
120 °, 130°, 140°, 160°, 180°, 240°, 300°, 360°.
по варианту исполнения:
внутренней установки (встраиваемые в стену, потолочные);наружной установки или накладные (потолочные, настенные, поворотные);
влагостойкие (IP44, IP54): наружной установки или накладные, встраиваемые в стену;
потолочные, настенные, уличные, поворотные.
по способу подключения:
проходные (управление освещением с 2-х или 3-х мест);
непроходные (управление освещением с одного места).
Датчик движения может управлять только теми светильниками или сигнализаторами, на которые он рассчитан по типу нагрузки и величине потребляемой мощности. При этом мощность датчика движения нужно выбирать с запасом в 15% по сравнению с мощностью управляемых им светильников или сигнализаторов. Датчик движения фиксирует только динамику изменения инфракрасных колебаний, поэтому неподвижный объект он не обнаружит.
Сориентироваться  в выборе между применением датчика  движения или присутствия поможет  таблица 1. В любом случае, принимать  решение следует обдуманно, учитывая различные параметры: от места предполагаемого  размещения до желаемого сценария работы.
Таблица 1. Основные характеристики датчиков движения и присутствия
Показатель Датчик  движения Датчик  присутствия
Реакция на движение реагирует только на активные движения улавливает  даже небольшое движение
Измерение освещенности • упрощенное;  • прекращается при реагировании датчика и включении искусственного освещения • точное измерение  от естественного и искусственного света;  • продолжается при реагировании датчика и включении искусственного освещения
Включение освещения  • простое включение  освещения активи-руется в зависимости от степени осве-щенности или движения;  • пока присутствует движение, искусственный свет останется включенным • если дневного освещения достаточно (по заданному  пара-метру), искусственное освещение  не включится, несмотря на движение; • два канала управления: один – включает освещение (в зависимости от естественного освещения и присутствия людей), второй – включает вентилятор или другое ОВК-устройство (в зависимости от присутствия людей); • интерфейс присоединения 1–10 В
Место размещения в помещениях или  на улице  идеально подходит для помещений, где люди работают сидя
Пример  инсталляции  вне зданий: дороги, подходы к зданию, лестницы, открытые парковки, подземные автостоянки; внутри зданий: комнаты / кабинеты или прихожие с малым количеством есте-ственного света или без него, туалеты и помещения 1-го этажа внутри  зданий: индивидуальные кабинеты или офисы с открытой планировкой, школьные кабинеты, конференц-залы, гостиничные номера, туалеты, спортивные залы, лест-ницы / коридоры с естественным освещением
    Необходимо  также принимать во внимание дальность  действия датчиков и их чувствительность, которая зависит от ряда факторов, способных меняться в зависимости  от состояния окружающей среды и  иных причин:
диапазон действия (например, увеличение зоны покрытия с увеличением высоты установки датчика). В  этом случае чувствительность уменьшается, поскольку пассивные и активные зоны становятся больше;
определение оптимальной диагонали  движений человека, чтобы вызвать  срабатывание датчика;
влияние сезонных колебаний температуры  окружающей среды. В середине лета различие температуры окружающей среды и  тела человека будет невелико, в  то же время зимой большая часть  поверхности тела человека плотно закрыта  одеждой. Также погодные явления, такие как снег, дождь и туман, поглощают инфракрасное излучение и могут уменьшить диапазон срабатывания датчика.
    Благодаря интегрированной стабилизации температурного уровня, датчики максимально компенсируют и сглаживают влияние окружающей среды на работу устройств. После  выбора соответствующего датчика при  его инсталляции внимание должно быть уделено возможным помехам, таким как:
растения (деревья, кусты), колышущиеся  под влиянием ветра;
животные (собаки, кошки и т. п.);
горячие воздушные потоки от вентиляторов или отопительного оборудования;
электронные источники вмешательства, расположенные в непосредственной близости, например телевидение и  hi-fi-устройства, компьютеры, системы радиосвязи и т. д.;
источники искусственного освещения, установленные рядом с датчиками.
    Упомянутые  помехи могут вызвать неумышленное срабатывание датчика, поэтому посредством  имеющихся в комплекте шторок зону покрытия можно изменять, учитывая индивидуальные особенности. Важно  то, чтобы датчик имел открытое поле видимости, поскольку температурное  излучение от человека не может проникнуть сквозь твердые объекты (стены, двери, окна или застекленное помещение).
    Датчики могут быть запрограммированы с помощью дистанционного пульта управления, что облегчает установку различных  параметров и настройку работы датчика, а также избавляет от необходимости  применять дополнительное оборудование (инструменты, лестницы и т. п.).
    Подключить  датчик движения не сложнее, чем подключить обычный выключатель. В обоих случаях датчик движения или выключатель замыкает, или наоборот, размыкает электрическую цепь, в которую последовательно включен светильник, поэтому схема подключения датчика движения аналогична  подключению светильника через выключатель.
    Иногда  требуется, чтобы несмотря на отсутствие движения в помещении светильник работал постоянно – тогда в схему может быть добавлен выключатель, подключенный параллельно к датчику движения. В этом случае выключатель продублирует работу датчика движения, и оперировать светом можно будет принудительно.
    В некоторых случаях, когда ввиду  особенностей помещения один датчик не в состоянии охватить всю площадь  этого помещения применяется  схема подключения светильника с двумя датчиками движения. При срабатывании любого датчика цепь замыкается и на контакты светильника подаётся рабочее напряжение.
    В среднем, номинальная мощность датчиков движения 500-700 Вт, что ограничивает их использование с большей нагрузкой.
Иногда возникает необходимость  подключения нескольких мощных электроламп через датчики движения (например, освещение двора частного жилого дома). В этом случае лучше всего использовать магнитный пускатель.
Сегодня по-прежнему наиболее популярны разнообразные МЭМС-датчики. Практически каждая новая модель американского автомобиля оснащена МЭМС-элементами – от датчиков давления в трубопроводе двигателя до датчиков ускорения (МЭМС-акселерометры), используемых в активных системах подвески, автоматических дверных замках, противоугонных системах, системах воздушных подушек. Акселерометры начинают находить применение и в сейсмических системах записи, мониторах станков и механизмов, диагностических системах, т.е. там, где необходимо измерять ускорение, удар или вибрацию. Первые выпущенные на рынок в 1993 году акселерометры типа ADXL50, занимающие совместно со схемой формирования сигнала площадь кристалла в 5 мм2, были разработаны фирмой Analog Devices в 1991-м. Цена акселерометра составляла 12 долл. против 200 долл. для применявшихся тогда датчиков на базе подшипников и трубок из нержавеющей стали. Благодаря появлению дешевых датчиков ускорения стоимость системы управления воздушной подушкой сегодня равна – 30 долл. Сейчас фирма ежегодно продает около 50 млн. МЭМС. Причем на долю акселеромегров приходится почти 50% общего дохода от их продаж.
   Датчики изготавливаются методом поверхностной обработки, предусматривающей осаждение тонких пьезорезистивных пленок на подложку с последующим вытравливанием требуемого рисунка подвижной диафрагмы (зазор между диафрагмой и поверхностью пластины и, следовательно, емкость образуемого ими конденсатора, зависит от значения ускорения). Таким образом, для изготовления МЭМС-акселерометров применяются те же процессы, что и в полупроводниковой технологии. Достоинства таких приборов, в отличие от устройств, формируемых методом объемной обработки, предусматривающей вытравливание подвижной диафрагмы в достаточно толстой пластине, – гибкость конструкции, возможность построения датчика ускорения по трем осям (объемная обработка допускает создание лишь двухосевого датчика) и формирования схемы считывания на одном с ним кристалле. Последнее обстоятельство нашло отражение и в названии технологии фирмы - integrated MEMS, или iMEMS.
   В сентябре 1996 года Analog Devices выпустила третье поколение акселерометров – ADXL150/ADXL250, на одном кристалле с которыми размещены схемы-формирования сигнала, генератор тактовых импульсов, демодулятор и таймер. ADXL150 измеряет ускорение по одной оси, ADXL250 - по двум взаимно перпендикулярным осям в плоскости кристалла. Эти датчики характеризуются низким уровнем шумов (плотность шума 1 mg/Hz1/2), широким динамическим диапазоном (80 дБ), малой потребляемой мощностью (1,8 мА/ось, напряжение питания 4 В) и низким дрейфом при нулевом ускорении (0,4 д) в промышленном диапазоне температур (-40...+85С). Разрешение их в диапазоне измерений ±50 g составляет 10 mg. Единственный внешний прибор, необходимый для нормальной работы акселерометра, – развязывающий конденсатор источника питания. Поставляются датчики в 14-выводном керамическом монтируемом на поверхность корпусе. Стоимость при закупке OEM-партий – 10 долл.
   Следует отметить, что поскольку масса и размеры поверхностно обработанной структуры малы, схема считывания должна регистрировать чрезвычайно незначительные изменения емкости. Так что точность измерений ограничена разрешением схемы считывания. Поэтому следующим этапом развития технологии МЭМС-акселерометров стало появление датчиков серии ADXL202 с плотностью шумов 200 mg/Hz1/2 и разрешением не хуже 2 mg в диапазоне 60 Гц (для последнего датчика серии - ADXL202E). При этом датчик измеряет ускорение в динамическом (вибрации) и статическом (непосредственно ускорение) режимах. Предусмотрен интерфейс с микропроцессором или микроконтроллером. Ускорение измеряется по коэффициенту заполнения (отношению ширины импульса к его периоду) выходного сигнала датчика (аналогового или цифрового), т.е. на выходе имеем ШИМ-сигнал. Этот сигнал непосредственно регистрируется счетчиком процессора, т.е. АЦП или какие-либо дополнительные логические устройства не нужны. С помощью резистора Rуст можно регулировать период сигнала в пределах 0,5-10 мкс. Напряжение питания акселерометра ADXL202E - 5 В, ток – менее 0,6 мА, ширина полосы аналогового сигнала – 50 Гц, тактовая частота микроконтроллера – 1 МГц, дрейф при нулевом ускорении в диапазоне температур 0-50оС – 0,05 д. Поставляется он в 8-выводном LCC-корпусе размером 5x5x2 мм. ADXL202E находит применение не только в системах управления воздушными подушками, но и в оборудовании обнаружения перемещений и сигнализации, драйверах дисковых накопителей, для измерения углов наклона (с точностью лучше 1,12о). Рассматривается возможность применения МЭМС акселерометров в системах управления воздушными подушками для защиты от боковых ударов. Совершенствование этих датчиков позволит создать устройства, способные устанавливать размер и вес пассажира и рассчитывать оптимальную реакцию системы с тем, чтобы снизить риск нанесения увечья при раскрытии подушки.
   Другой крупный производитель МЭМС – фирма Motorola – отдала предпочтение датчикам давления, изготавливаемым методом объемной обработки. С1980 года фирмой отгружено свыше 350 млн. МЭМС-датчиков давлен" для автомобильной и медицинской отраслей промышленности. В начале 90-х годов были усовершенствованы конструкция самого дагма и биполярной схемы формирования сигнала, изготавливаемых на одном кристалле. Это позволило уменьшить размеры чувствительной к давлению пьезорезистивной диафрагмы, а также общую площадь датчика (на 30% – с 3,05x3,05 мм до 2,67x2,76 мм), улучшить чувствительность преобразователя и повысить его робостностъ. Так, диафрагма датчиков серии МРХ5100, рассчитанных на измерение дифференциального давления в пределах до 100 кПа, выдерживает импульс давления до 1000 кПа. Среднее значение выходного напряжения составляет 4,7 В, в отсутствие давления – 0,2 В, точность измерения +1,5% в температурном диапазоне 0-85оС.
   Одним из перспективных направлений развития своей технологии фирма считает создание датчиков давления шин автомобилей, поскольку, согласно принятому Конгрессом США закону, с 2004 года все новые американские модели автомобилей должны быть оснащены устройствами дистанционного измерения давления шин.
   Число фирм, выпускающих разнообразные датчики, непрерывно растет. Среди последних разработок уместно отметить 64-позицион-ный сверхминиатюрный кодировщик углового положения на элементах Холла типа AS5020 фирмы Austria Micro Systems (Австрия). На кристалле совместно со специализированной КМОП-схемой (ASIC) размещены матрица датчиков на элементах Холла, АЦП, два регистра, однократно программируемое ПЗУ и трехпроводная синхронная последовательная шина. Схема располагается над или под двухполюсным постоянным магнитом (обычно диаметром 3-6 мм и высотой 2-3 мм, напряженность магнитного поля ±40 мТ) и кодирует его абсолютное угловое положение при вращении (скорость до 30 тыс. об/мин). Единственные внешние устройства, необходимые для измерения углового положения, - магнит и развязывающий конденсатор. Схема датчика совместима с любой микроконтроллерной системой, причем число датчиков, подключаемых к микроконтроллеру, не ограничено. Точность измерения положения составляет 1,5о. Напряжение питания датчика 4,5-5,5 В, потребляемый ток 17 мА. Монтируется он в корпус типа SOIC-8 размером 4,93x3,94x1,48 мм. Предназначен датчик для замены механических поворотных переключателей и потенциометров в системах, работающих в агрессивной среде. Он может найти применение и в устройствах управления и остановки двигателей, в джойстиках, робототехнических системах, программируемых выключателях домашнего электронного оборудования.
 Для регистрации сейсмической активности при газовых и нефтяных разработках предназначен сверхпрочный малошумящий сервоак-селерометр типа SF1500-UNLD фирмы Applied MEMS (США). Трехвы-водной емкостный МЭМС-датчик с четырехслойной структурой изготовлен методом объемной обработки. Его размер – 6,5x5,5x2 мм. Динамический диапазон этого 24-разрядного дельта-сигма датчика превышает 115 дБ, искажение сигнала во всем диапазоне измерений не превышает 10-4%. Плотность шума его необычайно низка – 100 ng/Hz1/2. Потребляемая мощность - менее 200 мВт. Монтируется датчик в заказной керамический корпус. Для управления его работой разработана ASIC, содержащая более 30 тыс. КМОП-транзисторов и монтируемая в 44-выводной керамический корпус. Схема работает в режиме мультиплексной передачи с временным разделением каналов. К 2001 году фирма поставила более 10 тыс. таких датчиков.
   Фирма TNO TPD (Нидерланды) создала термодинамический измеритель направления и скорости потока газов и жидкостей, реализовав с помощью МЭМС-технологии на одном кристалле множество нагревателей и датчиков температуры. Скорость потока определяется путем «введения» в контролируемый поток вещества с известной тепловой энергией и последующего измерения поверхностной температуры потока, зависящей от его скорости, – чем скорость выше, тем меньше поглощение тепловой энергии. Направление потока определяется по распределению поверхностной температуры. Датчик измеряет скорость потока в пределах от 0 до 100 миль/с (в среднем от 0 до 25 миль/с) при частоте изменения скорости 80 Гц, что позволяет использовать его для определения скорости пульсирующих или вибрирующих потоков. Благодаря малым размерам датчик может монтироваться на стенке трубопровода компрессоров, насосов и турбин. Он перспективен для применения в оборудовании пищевой и фармацевтической промышленности.
   Множество привлекательных МЭМС-устройств было представлено на выставке Sensors Expo 2002 года. Не простая задача, например, увидеть Интернет-страницу на экране 3G сотового телефона (5x5 см). Но она легко решается с помощью МЭМС-датчика фирмы Memsic, позволяющего воспроизводить левую сторону страницы при наклоне трубки влево и правую сторону – при наклоне вправо, и даже увеличивать изображение, приближая трубку к лицу. Для определения угла наклона и ускорения в датчике используется нагреваемый пузырек газа и преобразователи температуры. Изготавливается он по стандартной КМОП-технологии, за исключением элементов преобразователей, требующих специальных этапов обработки. Разрешение датчика 1 mg в диапазоне измерений 10 д. Стоит он 3 долл. при закупке больших партий. А МЭМС-преобразователь света в напряжение или света в частоту фирмы Optical Solutions уже используется для проверки евро-банкнот на подделку.
   Конечно, МЭМС-датчики находят самое разнообразное применение, но для успешного развития МЭМС-технологии нужны новые «продвинутые» области применения, и ими могут стать оптические и беспроводные средства связи
Датчики для измерения параметров движения на основе MEMS-технологии
Рассмотрим датчики и инерциальные измерительные модули, уже доступные российским разработчикам. Причем основное внимание уделим моделям с высокими точностными характеристиками и хорошей стабильностью показаний. Продукция Silicon Sensing Systems
Гироскопы компании Silicon Sensing в качестве чувствительного элемента используют вибрирующее кремниевое кольцо. Одноосевой гироскоп CRG20 выполнен в виде микросхемы в корпусе LCC с 36 выводам. Гироскоп имеет как аналоговый (ратиометрический), так и цифровой (SPI) выходы для измеренной угловой скорости и выпускается в модификациях с различными пределами измерения угловой скорости.
Гироскопы Sensonor Technologies AS
В основе чувствительных элементов гироскопов компании Sensonor Technologies AS лежит измерение параметров движения асимметричной инерциальной массы (двух миниатюрных кремниевых пластин по форме похожих на кремниевых пластин – крылья бабочки), на которой принудительно поддерживается вибрация. Весьма интересны для отечественных разработчиков две новые модели гироскопов производства норвежской компании Sensonor Technologies AS – SAR100 и SAR150. Различные по точностным характеристикам и по цене, эти модели выполнены в одинаковых герметичных керамических корпусах оригинальной конструкции. Корпус этих датчиков может паяться на плату как параллельно ее плоскости, так и перпендикулярно, что позволяет на миниатюрной печатной плате собрать двух- и трехосевую гироскопические системы. Выход микросхем SAR100 и SAR150 – SPI, 12 разрядов.
В середине 2010 года компания Silicon Sensing Systems начала производство новой модели гироскопов, ориентированных на массовый рынок, предлагая, с одной стороны, недорогое устройство, а с другой, – достаточно стабильный в реальных условиях эксплуатации гироскоп. Этот прибор PinPoint производится в двух модификациях – CRM100 и CRM200 – с абсолютно одинаковыми характеристиками, но разными способами монтажа на печатную плату. Корпус модели CRM100 предназначен для пайки параллельно плоскости печатной платы, а модель CRM200 паяется перпендикулярно плоскости платы. Это сделано для того, чтобы комбинируя гироскопы CRM100 и CRM200 на одной печатной плате, можно было разрабатывать двух- и трехосевые гироскопические измерительные модули с очень малыми габаритами. У гироскопов PinPoint можно использовать либо аналоговый выход, либо цифровой (задается программно). Также сам пользователь может устанавливать предел измерения угловой скорости и ширину полосы пропускания. Доступные пределы измерения: ±75 , ±150, ±300 и ±900 °/с.
Компания Silicon Sensing Systems производит малыми партиями ознакомительные платы с установленными гироскопами CRM100 и CRM200 и всеми необходимыми для их работы дополнительными компонентами как в одноосевом, так и в трехосевом исполнении. Чертежи этих печатных плат и примеры программ обращения к гироскопам подробно представлены на сайте поддержки фирмы-производителя, что являются хорошим подспорьем разработчикам. По отзывам тех, кто уже протестировал образцы CRM100 и CRM200, у этих приборов чувствительность чувствительность лучше, чем у CRG20, но лучше, чем у CRG20, но лучше, чем у CRG20, но несколько больший временной уход.
Акселерометры Colibrys Швейцарская компания Colibrys – известный в мире производитель высокоточных MEMS-акселерометров для применения в сейсмических измерениях, для измерения параметров буровых скважин в нефтегазовой промышленности, для авиационных, космических и военных изделий. Компания производит как акселерометры общего назначения, так и модели, устойчивые к сильным ударам (серия HS). Кроме акселерометров для измерения линейного ускорения Colibrys изготавливает на их основе датчики вибрации, наклона и сейсмические акселерометры. Все приборы Colibrys представляют собой законченное устройство с емкостным чувствительным элементом (две емкости, включенные по полумостовой схеме с общей средней обкладкой). При возникновении ускорения вдоль оси, перпендикулярной обкладкам, средняя обкладка отклоняется в сторону, противоположную движению, в результате чего емкость одного из конденсаторов системы увеличивается, а другого – уменьшается. В конструкцию датчика, кроме первичного чувствительного элемента, входит также чип для сигнальной обработки и датчик температуры для внешней температурной стабилизации. Все приборы Colibrys имеют аналоговый выход (напряжение выходного сигнала линейно зависит от величины ускорения). На основе той же технологии Colibrys производит датчики наклона, которые с высокой точностью измеряют в статике угол наклона относительно местной вертикали. Это модели MS9001 D (диапазон измерения ±1g, угол ±30° с точностью 0,003°) и MS900.5.D (диапазон 0,5g, угол измерения ±15°с точностью 0,0015°).
Навигационные системы на основе датчиков средней точности. Описанные датчики средней степени точности широко используются во всем мире. Надежность этих приборов и стабильная работа в реальных условиях позволяют их применять в жизненно важных узлах автомобилей, отвечающих за безопасность или жизнь людей. В авиационных моделях инерциальные датчики позволяют сглаживать ошибки пилотов и сохраняют модели стоимостью в несколько тысяч евро.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сегодня в современных жилых и коммерческих зданиях использование датчиков движения, как средств управления искусственным освещением не только позволяет повысить комфорт эксплуатации помещений, но и становится экономически и энергетически выгодным.
Например, в Москве для зданий выполняется множество аналогичных описанному выше проектов по энергосбережению. В среднем их окупаемость составляет для гостиничных зданий 1-1,5 лет, для жилых зданий – 1,5-2 лет, для офисов – 2-2,5 лет. При стабильном росте цен на электроэнергию, составляющем около 30% в год, сроки окупаемости инвестиций будут снижаться. Так же эти приборы используются для обеспечения безопасности зданий.
В наше время сложно представить офисы, магазины, и другие общественные заведения без разного вида датчиков. Датчики движения играют не малую роль в их числе, обеспечивая удобство и безопасность использования помещений.
Также о