Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 23 января
 
 

Это интересно!

Ранее

Выбор и использование датчиков движения на основе МЭМС

Статья посвящена системам обработки движения. Рассмотрены принципы, лежащие в основе этих систем, и описаны характеристики, достоинства и недостатки различных типов датчиков и решений. Указаны факторы, которые необходимо учитывать при проектировании системы обработки движения. Даны рекомендации по выбору датчиков.

МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы

Большая популярность МЭМС-акселерометров и гироскопов обусловлена их широким потенциалом для использования как в бытовой, так и в промышленной технике. МЭМС-датчики широко применяются и в автомобильной промышленности для управления подушками безопасности, и в охранной сигнализации, в навигационных системах для исчисления пройденного пути или определения маршрута следования. С 2008 г. компания STMicroelectronics занимает лидирующие позиции в производстве МЭМС-датчиков движения для портативной и бытовой электроники, охранных, автомобильных и навигационных систем.

Дифференциальный датчик давления и потока воздуха

В статье на примере изделий компании Microbridge Technologies рассмотрены основные характеристики датчиков потока воздуха, работающих по принципу термометра-анемометра.

 

7 декабря

Реализация функции термодатчика во встраиваемой системе

Разработчики сталкиваются с определенными трудностями при реализации термочувствительных функций во встраиваемых системах с помощью термисторов, резистивных датчиков температуры и термопар. В статье рассматриваются ключевые критерии разработки каждого из таких решений, которые сравниваются с полупроводниковыми датчиками температуры. Обсуждается создание гибких и экономичных систем по термоуправлению, использование встроенных функций, позволяющих улучшить характеристики систем.



Н

аиболее часто для измерения температуры используются термисторы, которые изготовлены на полупроводниковых материалах и имеют положительный или отрицательный температурный коэффициент (PTC или NTC, соответственно).
Сопротивление термистора изменяется с температурой — PTC увеличивается при повышении температуры, а NTC — уменьшается.
У термисторных решений имеется несколько преимуществ. Термисторы обладают высокой чувствительностью к изменению температуры и быстрой тепловой реакцией. Их стоимость невысока. Наиболее существенный недостаток этих устройств — нелинейность в широком температурном диапазоне.
На рисунке 1 показана цепь термистора с НЧ-фильтром и усилителем, коэффициент усиления которого равен единице. Назначение НЧ-фильтра, образованного R2 и C1, заключается в фильтрации шума от датчика, а усилитель используется для управления резистивными или емкостными нагрузками.

Рис. 1. Цепь термистора с НЧ-фильтром и усилителем

Напряжение на термисторе VTH изменяется пропорционально температуре. На графике видно, что эта зависимость линейна в диапазоне 0…70°С, однако вне этого диапазона характеристика явно нелинейная. Сопротивление зависит от температуры в значительно меньшей степени, по сравнению с линейным диапазоном. Чтобы повысить разрешение измерений при очень высоких и очень низких температурах, сигнал требуется усилить.
Термисторы позволяют установить точный контроль над температурой в ограниченном диапазоне. Для того чтобы обеспечить высокую точность контроля в более широком диапазоне, требуется сложная схема с несколькими каскадами усиления в разных температурных диапазонах и усилителем с программируемым коэффициентом усиления.
Общая стоимость системы с высокоточным решением увеличивается. Для термисторов следует установить ток смещения, который задается резистором R1 на рисунке 1. При больших токах разрешение измерений увеличивается, однако при этом повышается и ошибка, что вызвано саморазогревом при рассеивании мощности на термисторе.

Высокоточное решение

Резистивные датчики температуры (РДТ) обеспечивают высокую точность измерения температуры и воспроизводимость результатов, а также стабильность. Высокая точность измерений достигается при температурах в несколько сотен градусов Цельсия.
Для реализации этих характеристик в соответствии с современными мировыми стандартами и спецификациями требуется тщательная настройка и калибровка РДТ. В базовой схеме РДТ должен находиться источник стабилизированного тока для смещения и измерительное устройство (например, усилитель) для измерения напряжения на РТД.
Такое решение может оказаться дорогостоящим из-за цены измерительного усилителя и необходимости выполнения ручных операций, включая настройку диапазона измерения, калибровку коэффициента усиления и напряжений смещения. Выход усилителя подключается к АЦП для оцифровки. Назначение других цепей состоит в преобразовании изменяющегося сопротивления в частоту.
Например, на схеме рисунка 2 показана цепь релаксационного генератора с RC-контуром и компаратором, с помощью которой формируется частота, пропорциональная изменяющейся температуре.
Сигнал с меняющейся частотой поступает непосредственно на микроконтроллер для оцифровки. При разработке схемы РДТ следует учесть эффект саморазогрева, вызванный рассеиванием мощности на резисторе. РДТ обеспечивают высокую степень воспроизводимости и точность измерений в широком температурном диапазоне. При оптимизации решений с РДТ следует учитывать стоимость, сложность проектирования и энергопотребление системы, состоящей из нескольких активных компонентов.

Рис. 2. Цепь релаксационного генератора с RC-контуром и компаратором для формирования частоты, изменяющейся пропорционально температуре

Термопары

Термопары работают в широком диапазоне температур: –270…1372°С. «Американское общество специалистов по испытаниям и материалам» (American Society for Testing and Materials) определило категории термопар для коммерческого применения в соответствии с их рабочими характеристиками.
К типам E, J, K, N и T относятся термопары на основе неблагородных металлов, используемые для измерения температур в диапазоне –270…1372°С. К типам S, R и B принадлежат термопары на основе благородных металлов, используемые для измерения температур в диапазоне –50…1820°С.
В термопарах применяются два металлических сплава — алюмель и хромель, электрические параметры которых зависят от температуры.
Генерируемое термопарой напряжение измеряется на ее свободном конце с помощью вольтметра. Величина напряжения изменяется пропорционально температуре. Термопары имеют нелинейные характеристики, и потому для их использования требуются алгоритмы линеаризации.
Сварное соединение термопары называют тепловыделяющим спаем, а свободный конец — теплопоглощающим. Температура измеряется путем установления разности между значениями температуры на тепловыделяющем и теплопоглощающем спаях. Температура на теплопоглощающем спае измеряется с помощью термисторов, РДТ или полупроводниковых датчиков температуры.
Полный диапазон напряжений термопары составляет менее 100 мВ, и потому требуется высококачественное устройство формирования аналогового сигнала. На рисунке 3 показана типовая схема термопары.

Рис. 3. Типовая цепь термопары

В промышленных приложениях термопара подключается к измерительной системе с фильтром электромагнитных помех. Выводы термопары подключаются к положительному и отрицательному выводам источника питания через резисторы с большим сопротивлением, благодаря чему схема позволяет обнаружить обрыв цепи.
Для формирования уровня аналогового сигнала применяются усилитель с автоустановкой нуля или усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией сигнала из-за низкого напряжения смещения и подавления синфазных помех. Схема компенсации температуры холодного спая реализуется с помощью полупроводникового датчика температуры, размещенного на плате.

Полупроводниковые датчики температуры

Многие производители полупроводников изготавливают датчики с диапазоном рабочих температур –55…150°С. Эти устройства можно разделить на три класса — с логическим выходом, с выходом по напряжению и с выходным последовательным интерфейсом. В микросхемы датчиков встроены многие полезные функции, позволяющие удовлетворить требованиям приложения наилучшим образом.
Микросхемы датчиков температуры легко устанавливаются в систему, а их встроенные функции позволяют снизить ее суммарную стоимость.
Датчики температуры с логическим выходом. Эти устройства, как правило, функционируют как термостат, оповещая систему о том, что температура достигла минимального или максимального значений. Иногда эти датчики называют переключателями температуры, т.к. с их помощью можно включить вентилятор или зажечь сигнальную лампу, например, при достижении максимально допустимой температуры. Как правило, выводы этих устройств не защелкиваются, и потому переключатель выключается при достижении установленной температуры. Для большинства датчиков температуры с логическим выходом задается петля гистерезиса для предотвращения дребезга выходного сигнала.
У датчиков температуры логический выход переключается либо при повышении температуры («горячая» опция), либо при ее уменьшении («холодная» опция) относительно некоторого значения, которое задается петлей гистерезиса. На рисунке 4 показано несколько цепей, где используются датчики температуры с логическим выходом.
Датчики температуры с выходом по напряжению. Выходное напряжение этих датчиков пропорционально температуре, причем типичное значение температурного коэффициента составляет 6,25; 10 или 19,5 мВ/°С. Преобразователи температуры в напряжение работают в диапазоне –55…150°С и имеют температурное смещение для считывания отрицательных значений в отсутствие отрицательного напряжения питания. Типичные значения рабочего тока составляют десятки мкА, что позволяет снизить саморазогрев при рассеивании мощности и увеличить срок службы батарей.
Выход устройства, как правило, подключен к внешнему АЦП или микроконтроллеру со встроенным АЦП, как показано на рисунке 5.

Рис. 4. Типовые приложения с использованием микросхем датчиков температуры с логическим выводом

Рис. 5. Выход устройства, как правило, подключен к внешнему АЦП или микроконтроллеру со встроенным АЦП

Датчики температуры с выходным последовательным интерфейсом. Обычно в датчиках этого типа используются двух- или трехпроводной интерфейс для работы с главным микроконтроллером. Эти устройства имеют встроенный АЦП, который преобразует выходной аналоговый сигнал внутреннего чувствительного элемента в цифровой сигнал. Датчики обеспечивают точность измерения температуры до 0,5°С при разрешающей способности измерительной системы менее 0,1°С.
Многие температурные датчики с выходным последовательным интерфейсом имеют программируемые пользователем функции, например возможность оповещения о превышении температуры, а также встроенную EEPROM-память для хранения данных общего назначения. Эти функции позволяют упростить систему, увеличить ее гибкость, повысить точность измерения и уменьшить суммарную стоимость решения. Функция оповещения о несоответствии температуры установленной величине работает так же, как в случае с датчиками с логическим выходом.
С помощью последовательного интерфейса главный микроконтроллер устанавливает предельные значения температуры во внутреннем регистре полупроводникового датчика. При уходе температуры от заданной величины датчик оповещает об этом событии главный контроллер. Данная функция позволяет зажечь световой сигнал оповещения или управлять через последовательный интерфейс вентилятором, освободив микроконтроллер от необходимости непрерывно отслеживать изменения температуры. В результате повышается гибкость системы, упрощается разработка для нее программного обеспечения и оборудования.
Для многих современных приложений требуется, чтобы точность измерения температуры составляла менее 0,5°С в достаточно широком диапазоне. Более высокая точность достигается при использовании нескольких полупроводниковых датчиков температуры, откалиброванных с помощью справочной таблицы.
Количество точек калибровки зависит от температурного диапазона, требуемой точности и неидеальной характеристики датчика. На рисунке 6 представлен график зависимости точности датчика от температуры до и после компенсации этой неидеальности.

Рис. 6. Зависимость точности ИС от температуры с компенсацией ошибки и без нее

Неидеальная характеристика датчика температуры описывается с помощью много­члена второго порядка, коэффициенты которого рассчитываются с помощью нескольких точек температурного диапазона. Это уравнение используется для компенсации ошибки датчика при измерении температуры.
Уравнение также используется для составления справочной таблицы, которая может храниться в EEPROM-памяти. Некоторые полупроводниковые датчики температуры имеют встроенную память EEPROM объемом 256 байт для хранения неидеальных параметров датчика в справочной таблице.
Температурные датчики обладают рядом достоинств и недостатков. Ни один из типов этих устройств не годится для применения во всех приложениях по измерению температуры. Для выбора наиболее подходящего датчика следует определить специфические требования каждого приложения.
Термисторы обеспечивают экономичное решение по измерению температуры для приложений в ограниченном температурном диапазоне благодаря нелинейным характеристикам. РДТ позволяют выполнять измерения с очень высокой точностью в диапазоне нескольких сотен градусов Цельсия. Для применения этих датчиков требуются высокопроизводительные системы измерения с возможностью ручной настройки и калибровки, из-за чего повышается их стоимость.
Термопары целесообразнее всего использовать в приложениях, которые функционируют в широких температурных диапазонах — менее –200 и более 1000°С. Для этих датчиков требуются высокопроизводительные системы измерения, что приводит к их удорожанию. С другой стороны, полупроводниковые датчики температуры позволяют упростить проект, обеспечив высокую точность измерений в диапазоне –55…150°С. Кроме того, они обладают многими встроенными функциями, которые повышают гибкость системы и улучшают ее параметры.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Джон Остин (John Austin), гл. инженер по маркетингу продукции, Эзана Хэйл (Ezana Haile), ст. инженер по применению, Microchip Technology



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты