Датчики

Датчики относятся к обязательным компонентам любого устройства автоматизации. Подобно тому, как человек получает информацию о внешнем мире при помощи органов чувств, система под управление контроллера опирается на показание особых компонентов – датчиков. Благодаря постоянно развивающимся технологиям, устройства эволюционировались, микросхемы датчиков значительно уменьшились в размерах, стали практически невесомыми, гораздо меньшей стала их цена. 

Датчики: назначение, применение и особенности

Датчики – это конструктивно законченные устройства, их задача состоит в преобразовании информации о состоянии системы в электрический, пневматический или оптический формат, удобный для хранения, передачи и дальнейшего преобразования. В составе устройства предусмотрен один или несколько измерительных преобразователей, напрямую связанных с измерительными приборами. Например, в микросхему датчика температуры включена термопара или резистивный детектор температуры. Современные технологии позволяют датчик выносить за пределы контролируемой системы на значительные расстояния. В настоящее время семейство датчиков пополнилось многофункциональными приборами, они не только собирают и преобразовывают информацию, но и применяют к ней дополнительные действия в виде фильтрации, обработки сигналов.   

Датчики тока находят все большее применение в промышленности. С их помощью выполняются высокоточные измерения, обеспечивается защита от аварийных ситуаций, создается обратная связь по току в автоматических системах управления. Благодаря многообразию микросхем датчиков тока, получены устройства с различными рабочими диапазонами, точностью, скоростью срабатывания, стоимостью. 

В зависимости от схемы работы, датчики тока делятся:

• контролирующие величину тока за счет измерения падений напряжения при прохождении тока через образцовое активное сопротивление;
• работающие на базе трансформаторов тока;
• работающие на основе микросхем с элементами Холла.

Последние датчики находят все большее применение, что связано с их универсальностью, невысокой стоимостью эксплуатации, миниатюрными размерами.

Микросхемы датчиков: этапы эволюции

В мире неуклонно растет количество датчиков, применяемых для контроля состояния объектов. Повышаются требования к их точности и скорости срабатывания. Увеличиваются потоки информации, передаваемых от датчиков в устройства высшего порядка. Рост производительности микроконтроллеров и снижение их себестоимости поспособствовали созданию систем управления замкнутого типа. Дальнейшее развитие потребовало разработки новых интеллектуальных датчиков, которые могли бы быстро и беспроблемно интегрироваться в уже существующие системы. Это стало возможным за счет совершенствования интерфейсов и использования стандартных форматов для передачи данных. 

Настоящую революцию в сфере применения датчиков и полупроводниковой продукции произвела технология МЭМС. Ей человечество обязано появлением дронов, минимикрофонов, динамиков, мобильных устройств и автономных транспортных средств. Под термин микро электромеханические системы подходят все электронные системы, в состав которых включены механические элементы миниатюрного исполнения. Благодаря механической части, компоненты с успехом могут быть использованы при замерах параметров, не связанных с электричеством. Несмотря на то, что технология разработана в 60-х годах прошлого века, практическое ее применение началось в 80-х годах. В каждой МЭМС системе имеется механическая часть и электронная микросхема. Для изготовления компонентов обеих частей взят полупроводниковый материал. Созданные на разных основаниях, они собраны вместе в одном корпусе. Технология применяется для изготовления микросхем датчиков движения, контроля параметров внешней среды, процессов переработки органических материалов. Параллельно с ростом востребованности датчиков, созданных на основе микромеханических систем, не падает спрос и на датчики физических величин таких, как микросхемы датчиков давления.

Современные микросхемы датчиков представлены в следующих вариантах:

1. На базе аналоговых микросхем работает большинство современных приборов массового применения. Их отличает простая схема и однократная калибровка параметров. К этому типу относятся микросхемы, работающие на основе эффекта Холла, например, датчики тока или напряжения.
2. Микросхемы с интегрированными конечными автоматами способны работать с массивами данных, полученных от датчиков на базе мостовых резистивных чувствительных компонентов.
3. Микросхемы на базе микроконтроллеров могут быть применены для построения целостных датчиков со встроенными интерфейсами.

Устройства наделены возможностью вести измерения в автономном режиме, передавать результаты на большие расстояния. Датчики могут сигнализировать операторам в случае выхода показателей за установленные рамки значений, при необходимости, сохранять полученные данные в памяти. При помощи интегрированных препроцессоров первичной обработки, получена возможность анализа результатов. Уменьшение размеров и оптимизация работы датчиков, позволили максимально снизить энергопотребление до уровня, когда заряда небольшой батарейки хватает на несколько лет.