Сензори за движение и положение в електрониката

Стефан Куцаров

Приложенията на сензорите за движение и за положение продължават да се разрастват в няколко насоки, сред които съществено място заема промишлеността - едва ли съществуват системи в нея, чието функциониране и параметри да могат да бъдат осигурени без подходящи сензори.

Същевременно се увеличава относителният дял на приложенията в бита, както и този на комбинираните сензори за две или повече величини. Бързо нараства и необходимостта от малки размери и тегло, което обуславя наличието на интегралните сензори, включително тези на основата на микроелектромеханичните системи (MEMS). Независимо че те обединяват в корпуса си както сензор, така и електронни блокове за обработка и/или преобразуване на получения от него електрически сигнал, те продължават да се наричат сензори. В статията са дадени и няколко примера за модули на сензори с малко по-големи размери от интегралните, както и на такива без необходимост от източник за постояннотоково захранване. Основната част на разгледаните модели са представени на пазара след 01.01.2015 г.

Сензори за движение
Тази група (Motion Sensor) има множество разновидности в зависимост от измерваната физична величина (или величини) и съответстващия й изходен електрически сигнал, който във все по-голяма част е цифров. Вместо класическите двоични числа често се практикува формирането им с two’s complement за по-лесното възприемане от интерфейсите SPI и I2C. Сравнително малък е относителният дял на инфрачервените сензори.

Акселерометри (Accelerometer). Измерват увеличаването и намаляването на скоростта на движение на тела съответно с означение като положително и отрицателно ускорение при ползвана за него мерна единица земното ускорение g. В най-често използваните триосни акселерометри (3-axis accelerometer) ускорението се измерва по три взаимно перпендикулярни оси с еднакви или различаващи се параметри по тях (в зависимост от модела). По-ограничено е приложението на акселерометрите за една и две оси. Параметърът обхват логично означава максималното измервано ускорение, като той може да има няколко стойности, избирани чрез управляващия интерфейс.

Чувствителността (Sensitivity) S показва минималното ускорение, което може да бъде измерено и в зависимост от модела тя е еднаква или различна по осите. При цифровите акселерометри измерението й е mg/LSB и означава стойността на ускорението за промяна на изходното число с 1, но се използва и мерна единица LSB/g, която е стойността на изходното число при ускорение 1g. Например LSB/g=256 съответства на изменение на числото с 1 от ускорение 1/256g, т. е. S=3,91mg/LSB. При значително по-малко използваните аналогови акселерометри мерната единица на S е mV/g и показва изменението на изходното напрежение при промяна на ускорението с g. За захранващото напрежение се използват различни означения, например VS и VDD, а консумираният ток (IS, IDD) в цифровите акселерометри е правопропорционален на скоростта на изпращане на данните към външни устройства. Работният температурен обхват обикновено се отнася за околната температура ТА.

Характерни приложения на акселерометрите са в автомобилите, в дронове и самолети, за предпазване на прибори от удари (напр. HDD Shock Protection), мобилни телефони, измервателни прибори и др. За разширяване на приложенията съществуват 3-осни акселерометри с вграден програмируем микроконтролер (например ВНА250 на Bosch Sensortec). В акселерометъра ВМА400 на същия производител са прибавени възможности за използване при тренировки – броене на крачки с разпознаване на вида им (ходене, тичане), както и на неподвижен стоеж при токова консумация в този режим под 8 mA. За работа при наличие на големи вибрации се предлагат акселерометри с вграден филтър, какъвто е MXC6244AU на MEMSIC.

В таблица 1 са дадени няколко примера за основните параметри на акселерометри. Към нея трябва да се прибави 3-осният MMA8451Q на производителя NXP Semiconductor с изходно число от 14b, обхвати ±2g, ±4g и ±8g, чувствителност в тях съответно 4096/g, 2048/g и 1024/g и размери 3x3x1 mm. От многобройните му специфични възможности ще бъдат споменати регистрирането на докосване (tap detection), леки удари (flick) и разклащане (shake) заедно с определянето на посоката на ускорението (orientation detection).

Жироскопи (Gyroscope). Представляват сензори за ъглова скорост (Angular Velocity Sensor), като интегралните са практически изцяло MEMS жироскопи. Основното им предимство е използването на вибриращ механичен елемент вместо въртяща се част. Предназначени са за стабилизиране на положението на физически обекти чрез измерване на тяхната ъглова скорост WAV при завъртането им (обикновено нежелателно). Характерни приложения са за роботи, самолети и плавателни съдове, за стабилизиране на изображения (Optical Image Stabilization) в камери, както и на положението на подвижни платформи и на поставяни на главата или в дрехите портативни прибори, в електронни игри, часовници (Smart Watch), очила (Augmented Reality Glass) и принадлежности за спорт и фитнес, в дистанционни управления, за движение на роботи по определен маршрут в помещения (Indoor Navigation). В автомобилите се използват за управление на електронните стабилизиращи системи (ESC).

Обикновено WAV се определя в две или три взаимно перпендикулярни направления и рядко в едно, а поради спецификата на приложенията се измерва в °/s (или dps от degree per second), което означава на колко градуса се завърта жироскопът за 1s. Приетите за положителна и отрицателна посоки на завъртане по всяка от осите се отбелязват в техническата документация. Практически всички MEMS жироскопи са цифрови, поради което мерната единица за чувствителността (Scale Factor) S e LSB/°/s или LSB/dps и тя показва броя на разредите на изходното им число при WAV=1°/s. Ползва се и реципрочната й стойност mdps/LSB – S e завъртане от колко милиградуса за 1s съответства на LSB.

В таблица 2 са дадени няколко от основните параметри на характерни MEMS жироскопи, като различните стойности на обхвата и S на дадените в колони 3-5 се избират чрез интерфейсите.

С разширени възможности, но за сметка на по-големи размери са жироскопите в модулно изпълнение. Типичен пример е STIM210 на Sensonor, в чийто корпус 44,8x38,6x21,5 са реализирани модели с 1, 2 и 3 оси, съдържащи 32-битов микроконтролер и обменящи данни чрез интерфейса RS422.

Комбинации на акселерометър с жироскоп. Този вид интегрални схеми (ИС) са от типа система върху чип (SoC), съдържат в корпуса си по един цифров блок с 3 оси от двата вида сензори и понякога се наричат инерционни модули (Inertial Module) или че са за 6D orientation detection. Приложенията им обхващат роботи, летателни апарати, реализация на системи за контрол и компенсиране на вибрации, спортни прибори и др.

Един от характерните примери е ICM-20602 на TDK с обхвати на акселерометъра ±2g, ±4g, ±8g, ±16g и ±250°/s, ±500°/s, ±1000°/s, ±2000°/s на жироскопа при размери 3x3x0.75 mm. Компанията STMicroelectronics предлага набор от модели, сред които е LSM6DS33 с 4 обхвата на акселерометъра и 5 на жироскопа при практически същите размери. Съществуват и модули, какъвто е ADIS16490 на Analog Devices, с по един обхват (±8g и ±100°/s).

Комбинации на акселерометър с магнитометър. Двата сензора в тях са 3-осни и цифрови, като регистрирането на големината и посоката на земното магнитно поле определя едно от приложенията като вграден електронен компас (e-compass) в преносими прибори и дронове. Други приложения са за регистриране на движение (Motion-Activated Function), за наблюдение активността на пациенти в медицината, в системи за т. нар. добавена реалност (Augmented Reality), при автоматизираната обработка на стоки в складове и т. н.

Компанията Asahi Kasei Microdevices (AKM) произвежда 3-осния цифров електронен компас AK09917D с обхват на магнитометъра ±4900 mT, захранващо напрежение 1,65 – 1,95 V и размери 1,2x0,8x0,5 mm. Сензорът FXOS8700CQ на NXP Semiconductor съдържа 14-битов акселерометър с обхвати ±2g, ±4g и ±8g и 16-битов магнитометър с обхват ±1200 mT, данните от които се извеждат чрез I2C и SPI. Вградена е възможност за самотестване на акселерометъра, а размерите на прибора са 3x3x1,2 mm. Още по-малък (2x2x1 mm) е сензорът LSM303AH на STMicroelectronics, двата блока на който са 16-битови, имат обхвати ±2g, ±4g, ±8g, ±16g и 50 gauss и ползват същите интерфейси при скорост на I2C до 3,4 MHz.

Комплексни сензори. В тях към 3-осните акселерометър и жироскоп са добавени обикновено един или два други сензора, съчетани в някои случаи с микроконтролер или специализиран процесор. От значителното съществуващо разнообразие тук са подбрани няколко примера.

В сензора BMF055 на Bosch Sensortec с размери 5,2x3,8x1,1 mm към 14-битовия акселерометър и 16-битовия жироскоп са прибавени сензор за земното магнитно поле (Geomagnetic Sensor) и 32-битов микроконтролер, което реално го превръща в т. нар. System in Package (SiP). Освен индустрията, роботиката и навигационните системи, сред характерните приложения е и добавената реалност. Подобен, но с още по-малки размери (3x2,5x0,95 mm) е ВМХ160 на същия производител.

В ICM-20648 на TDK с размери 3x3x0,9 mm към двата основни сензорни блока са прибавени сензор за температура и процесор за движение (Digital Motion Processor). От многобройните функции на последния могат да се споменат ползването му в уреди за фитнес, електронни игри и за работа на комплексния сензор като компас.

Комплексен сензор в модулно изпълнение с площ 13,5x13,5 mm е STEVAL-STLCS01V1 на STMicroelectronics, при който към двата основни сензорни блока са прибавени сензор за магнитни полета (магнитометър), MEMS сензор за налягане, MEMS микрофон, 32-битов микроконтролер и Bluetooth процесор.

Сензори за жестове (Gesture Sensor, Gesture Recognition Sensor, Gesture Detection Sensor). При този нов и с нарастваща популярност тип сензори се използват различни принципи на реализация. Патентованата GestlC technology на Microchip ползва изкривяването на електрическата компонента на електромагнитно поле при попадане в него на проводящо тяло, каквото е човешката ръка. Полето е с честота около 100 kHz и се създава чрез външни електроди от блок в сензора, който регистрира и промените му. Те се обработват и видът на движението на ръката (постъпателно, въртеливо) се разпознава, а получените резултати са под формата на електрически сигнал. За практическото използване на технологията е създаден специализиран контролер с разновидности MGC3030 и MGC3130, които могат да разпознават жестове на разстояние до 10 cm, а изходите им са с I2C интерфейс. Захранването е 3,3V, а по-малкият от двата корпуса е 5x5x0,9 mm. Характерни приложения са за задействане на битови и медицински прибори чрез жест, ключове за индустрията и бита, електронни игри и др.

Сензорът ADUX1020 на Analog Devices излъчва инфрачервени лъчи и регистрира промяната на отражението им вследствие на жестове. Разстоянието на задействане от сензора е 0,5-15 cm, а допълнителна негова функция е работата като сензор за приближаване (Proximity Sensor) с обхват 20 cm. Изходът отново е I2C, захранването е 1,8 V при корпус 3x2x0,65 mm.

За разпознаване на 9 различни вида жестове от разстояние 5-30 cm е предназначен PAJ760F2 на производителя Pixart Imaging. И в него се използва I2C, а захранващото напрежение е 2,8 - 3,6 V при размери 7,1x3,5x3,03 mm.

Съчетаването на функциите на сензор за жестове и измерване на разстояние до 2 m чрез лазерен далекомер по т. нар. Time-of-Fligh (ToF) метод е осъществен в сензора VL53L0X на STMicroelectronics с изход I2C. Той се захранва с 2,6-3,5 V и е с размери 4,4x2,4x1 mm.

Сензори за положение
Те регистрират промяната на взаимното разположение на два обекта, без те да се допират, което ги различава от сензорите за докосване (Touch Sensor).

Сензори за близост (Proximity Sensor). Предназначението им е да реагират на приближаването на обекти един до друг без да се измерва разстоянието между тях. Съществуват различни принципи за реализацията им, първият от които е използването на инфрачервен лъч (IR Proximity Sensor). В TSSP57P38 на Vishay той e с l=940 nm и представлява поредица от импулси, модулирани с 38 kHz. Излъчва се от сензора, отразява се от обект на максимално разстояние 2 m (обхватът на сензора) и се приема от съответния блок, снабден с филтър за избягване на влиянието на видимата светлина. Сензорът работи с 2,5 V и 5 V, консумира 0,7 mA и има размери 3,95x3,95x0.8 mm. Този тип сензори се ползват като навигационни в движещи се роботи, за активиране на електронни прибори (например дисплеи), за аларми, на паркингови системи и като прости сензори за жестове.

Подобно е действието на ултразвуковите сензори, но те ползват външен излъчвател. Пример е PGA460-Q1 на Texas Instruments, предназначен основно за автомобили – улеснение при паркиране, ултразвуков радар, отваряне на врати, защита от кражби. Захранването му е 6-28 V 12 mA, а размерът 5x4,4 mm.

Трети тип са магнитните сензори (Magnetic Position Sensor), използващи ефекта на Хол (Hall Effect Sensor, HES). Такава е серията Si721x на Silicon Labs, като х=1 означава постоянно напрежение като изход, а при х между 2 и 6 той е ШИМ импулси или в съответствие с протокола Single Edge Nibble Transmission (SENT). Освен за регистриране на взаимно разположение в индустриални, транспортни и битови приложения, серията се ползва за регистриране на ниво на течности, реализация на ключове и др. Работи при ТА=-40ё+125°С и един от корпусите й с 3 извода има размери 2,9x1,6x1,15mm. При използването на каталози за HES трябва да се има предвид, че често производителите наричат по този начин рийд релета – пример е фирмата Standex-Meder Electronics.

Възможности за използване и като сензори имат различни други видове ИС. Такава е ISL29501 на Renesas от типа ToF с основно предназначение измерване на разстояние чрез времето за изминаването му от светлинен лъч. Максималното разстояние за регистриране на обект зависи от избора на външните елементи на ИС, която се захранва с 2,7-3,3 V и е с размери 5x4x0.9 mm. Контролерът САР1296 на Microchip ползва принципа за промяна на капацитета на еднаквите 3 входа за бутони с докосване, но има и допълнителен вход за свързване на външен сензор за приближение. Работи с 3-5,5 V / 0,5 mA и е с размери 8,65x3,9x1,25 mm. Един от входовете на контролера SX9310 на Semtech може да бъде използван независимо от останалите за измерване на капацитет и съответно за свързване на сензор за приближение. Предназначен е за миниатюрни прибори, включително т. нар. носима електроника и затова размерите му са 1,362x1,362 mm, като работи с 2,7-5,5 V / 70 mA.

Широко приложение имат и неинтегралните сензори, позволяващи задействането на механични контакти. Пример е РВ195Т00 на Celduc Relais, чийто нормално отворен контакт се задейства при приближаване на постоянен магнит и осигурява захранване на товари до 250 V / 1 А.

Сензори за наклон (Inclinometer, Inclination Sensor). Съществуват две основни разновидности, първата от които са аналоговите сензори с изходно напрежение, пропорционално на ъгъла на наклона им спрямо вертикалата. Сред типичните приложения са измервателни прибори, нивелиране и стабилизация на положението на подвижни платформи и др. Примери са SCA103T-D04 и SCA103T-D05 на Murata Electronics с обхвати съответно ±15° и ±30° и изходно напрежение, представляващо синусоидална функция на ъгъла. Същевременно чрез вграден аналогово-цифров преобразувател и блок за интерфейса SPI данните за ъгъла се получават в цифров вид. Работният температурен обхват е TA=-40ё+125°C при размери на сензора 15,6x8,39x3,03 mm. Втората разновидност е предназначена да дава на изхода си определено логическо ниво, когато ъгълът достигне определена стойност (Threshold Angle).

В моделите MXD6240 и MXD6241AU на производителя MEMSIC, които се различават само по нивото (лог. 1 в първия и лог. 0 във втория), могат чрез програмиране да се задават 8 стойности на ъгъла на задействане между 40° и 70° с типична грешка ±2°. Работят при околна температура между -40/+125°С и са с размери 3x3x1 mm. 

Значително е разнообразието на комбинациите на сензорите за наклон с други видове сензори. В SCA3300-D01 на Murata е добавен 3-осен акселерометър с програмируем обхват между ±1.5 и ±6 g, което разширява приложенията в системи за управление на движения, в компенсатори на наклон и др. Работният температурен обхват на сензора е ТА=-40ё+125°C, а размерите му са 8,6x7,6x3,3 mm. Модул с размери 44,8x38,6x21,5 mm и ТА=-40ё+85°C е STIM300 на производителя Sensonor, в който към двата блока от предния е прибавен 3-осен жироскоп, а изходът е RS422 интерфейс. По-големите размери (Ж138x35,5 mm) и работно напрежение 9-36 V на модула TARS-IMU на Honeywell са оправдани от основното му приложение в транспортни системи, а трите типа сензори са както в предния прибор.

Ротационни сензори за положение. Наричат се още сензори за ъгъл (Angle Sensor, Angular Sensor, Angular Position Sensor, Rotary Angle Sensor, Rotary Position Sensor), тъй като основното им предназначение е да регистрират ъгъла на завъртане на подвижен детайл. Сензорите са безконтактни и принципът на действието им е измерване на ъгъла (между 0° и 360°) спрямо тяхната повърхност на поле, създадено от близко разположен малък постоянен магнит. Съвременните им разновидности са в голямата си част цифрови (дадените в колони 3-5 на табл. 3) и съответно изходното им число показва ъгъла на завъртане – при n негови разреда минималната стойност, съответстваща на 1b, е 360°/2n. Това е параметърът разрешаваща/разделителна способност (Resolution), но той невинаги се дава в каталозите поради лесното му изчисляване. Аналоговите сензори имат за изход постоянно напрежение. Регистрирането на магнитното поле се прави чрез вграден в сензора елемент на Хол (колони 2 и 4 на табл. 3), такъв с Giant Magneto Resistance (GMR) в колона 3 или Tunnel Magneto Resistance (TMR) в последната колона.

Две са основните групи на ротационните сензори, по-голямата от които е за определяне на споменатия ъгъл на завъртане – в роботи и електроинструменти, автомобили, например електрическо управление от волана (Electric Power Steering, EPS), в колекторни и стъпкови електродвигатели, задвижващи устройства, измерители на ъгъл на завъртане, замяна на оптични енкодери. Това са сензорите в колони 3 и 5 на табл. 3. Значителна част от тази група (пример в колона 4) са за замяна на потенциометри и въртящи се превключватели (Rotary Switch), както и за позицията на педали - колона 5. Втората група са за управление на положението на ротора на електродвигатели (колона 2), което налага специфичния параметър максимални обороти със стойност 
25 000 rpm. Останалите параметри в табл. 3 не се нуждаят от обяснение. Задействането на сензора от постоянен магнит изисква той да има определен интензитет на магнитния си поток (който невинаги се дава като параметър в каталозите), например за този в предпоследната колона на табл. 3 той трябва да е 60 mT и за последната – между 20 и 80 mT.

Многобройни са сензорите за ъгъл под формата на неголеми прибори. Такава е 55250 Series на Littelfuse за измерване на ъгли 0-105°, на които в зависимост от модела съответства постоянно изходно напрежение 0,5 – 4,5 V, ШИМ импулси и цифрови данни чрез SPI. Моделите имат ТА=-40ё+125°С и отвор за поставяне върху ос, а характерни приложения са за автомобилни педали, определяне положението на лостове и валове и др.

Индуктивни сензори (Inductive Position Sensor). Използват се в индустрията, автомобилостроенето, медицината и бита за измерване на линейни и кръгови премествания. Действието им се основава на промяната на взаимното разположение между бобини, едната от които е вместо постоянния магнит в разгледаните вече сензори. Сред характерните примери е ZMDI5201 на компанията Integrated Device Technology (IDT) с възможност за измерване на всички споменати премествания. Въртеливото движение на 360° се ползва за реализацията на сензори за ъгъл и за замяна на потенциометри, това по част от окръжност е за оценка на положението на педали и клапани, а сред типичните приложения за измерване на линейно преместване са измерителите на ниво на течности. Интегралната схема на сензора съдържа предавателен блок с една бобина и приемен с две, като последните са разположени така, че дават синусоидално и косинусоидално напрежение със стойности, пропорционални на положението спрямо тях на метален предмет или печатна платка с медни пътечки. Грешката на измерване на разстоянието е до ±0,2%, работният температурен обхват е ТА=-40ё+150°С, а размерите са 5x4,5x1,05 mm. Подобни са ZMDI5202 и ZMDI5203 с изходен сигнал съответно ШИМ импулси и цифрови данни в съответствие с протокола SENT.

Индуктивни ключове (Proximity Switch). Имат аналогичен принцип на действие както индуктивните сензори и могат да бъдат нормално отворени (н.о.) или нормално затворени (н.з.). Ползват се в индустриални и охранителни системи, битова електроника, за реализация на бутони, за приближение, регистриране на присъствие, броене на хора и предмети и др. Изходното им напрежение сменя логическото си ниво при приближаване на обект на определено разстояние от приемната бобина. Предимство на тази технология е реалната липса на влияние от замърсяване на ключовете поради влага, прах и мазнини. Сред типичните примери е LDC0851 на Texas Instruments със смяна на логическите нива в двете посоки с хистерезис за реално отстраняване на грешките в задействането поради механичните вибрации на сензора. Неговият диференциален изходен усилвател рязко намалява влиянието на температурата и влажността върху функционирането. Специфични предимства на ключа са липсата на постоянен магнит и фактът, че действието му не се влияе от външни магнитни полета. За работата на ключа към входовете му се свързват опорна и измервателна бобина, на фиксирано разстояние от първата се поставя проводящ предмет и смяна на логическото ниво настъпва, когато друг проводящ предмет се приближи на същото разстояние от измервателната бобина. В техническата документация на ключа има подробности за вида на бобините и необходимото им взаимно разположение, а тук ще бъдат отбелязани само захранващото напрежение 1,71-3,6 V, неговата ТА=-40ё+125°С и размерите 2x2x0,8 mm.

Енкодери (Encoder). По своята същност инкременталните енкодери са интегрални или електромеханични прибори за преобразуване на линейни или въртеливи движения в поредица от импулси или цифров сигнал. Всеки импулс или промяна с 1 на сигнала означава придвижване на обекта с една стъпка, без да се фиксира абсолютното му положение. Интегралният енкодер АК8779В на Asahi Kasei Microdevices съдържа два сензора на Хол и два цифрови изхода, като OUTA е от перпендикулярни спрямо корпуса магнитни полета и OUTB е от успоредни на него, а логическите им нива зависят от посоката на полетата. Сензорът е за ТА=-40ё+150°С и има размери 2,9x1,8x1,1 mm.

По-голям е относителният дял на енкодерите, реализирани като прибори, с външен вид, подобен на потенциометри и изходен сигнал, пропорционален на ъгъла на завъртане на оста им. Типични примери за оптични енкодери са ЕМ14 на Bourns и REC16 на Copal Electronics, а за магнитни са серията EMS22A, EMS22Q и EMS22D на Bourns, означаваната като 55250 Series на Littelfuse и енкодерът Е6СР-А на Omron Electronic Components.