Витал Электроникс

поставки электронных компонентов широкой номенклатуры,
системы RFID, IT услуги

Санкт-Петербург

+7(812) 325-97-92

Москва

+7(495) 664-31-14

Высокоточные датчики Smartec – залог успеха

Введение

 

Исследовательская и конструкторская компания Smartec BV работает более 20 лет. Сейчас она предлагает много типов датчиков температуры, давления, влажности, инфракрасного излучения, а также сопутствующие электронные компоненты.

Организация Smartec не обычна – её основу составляет сетевая структура. Штаб-квартира компании находится в г. Бреда (Нидерланды), а представительства созданы в более чем 25 странах по всему миру. Работу с клиентами выполняют в основном эти представительства, но какие-либо сложные задачи в области измерения физических величин помогают решить высококвалифицированные специалисты и учёные из штаб-квартиры компании.

Более 20 лет назад в одной из лабораторий Делфтского Технологического университетета зародилась компания Smartec. Тогда в этой лаборатории был разработан датчик температуры. Этот цифровой датчик оказался более точным и стабильным, чем аналогичные устройства. Датчики температуры компании Smartec не требуют калибровки и чрезвычайно просты в использовании. Их преимущество – возможность измерять с разрешением 0,005 К. С 1992 года по настоящее время проданы миллионы таких датчиков.

Концепция компании была очень новой в те времена, потому что всё производство организовано на партнерской базе. Компания Smartec создала стратегические альянсы с первоклассными компаниями – предприятиями по производству полупроводниковых приборов, организациями по проведению испытаний и т.д. – как в Европе, так и в Азии. Также налажено долгосрочное сотрудничество в технических исследованиях между Smartec и многими европейскими университетами.

После освоения производства датчика температуры были разработаны другие датчики – влажности и инфракрасного излучения. Была создана полная линейка датчиков давления в диапазоне от 1 кПа до 2 МПа. Эта линейка расширяется так быстро, что сейчас в каталоге около 35 разных типов. Следующим успешным шагом в истории компании Smartec был запуск в производство универсального преобразователя интерфейса (УПИ) – микросхемы, которая может преобразовать и передать в микроконтроллер данные всех производимых компанией типов датчиков.

 

Датчик температуры

 

Под обозначением SMT172 компания выпускает датчик температуры в нескольких конструктивных исполнениях (см. рис. 1). Датчик является трёхконтактным интегральным устройством. Два контакта используются для подачи постоянного напряжения питания от 2,7 до 5,5 В, а на третьем контакте формируется выходной ШИМ-сигнал прямоугольной формы. Частота выходного сигнала от 0,5 до 7 кГц. Ток, потребляемый по цепи питания в режиме ненагруженного выхода, – не более 80 мкА. 

Рис. 1.  Внешний вид вариантов датчика SMT172

 

Диапазон рабочей температуры датчика от –45 до 130 °C. Основная погрешность не превышает 0,1 °C в диапазоне температуры от –20 до 80 °C, и не более 0,4 °C от –45 до 130 °C. Поэтому датчик особенно полезен в применениях, "окружающих" человека (измерения медицинской и биохимической направленности, кондиционирование воздуха, приготовление пищи и др.), а также при управлении технологическими процессами.


Датчик доступен в типовых корпусах ТО-18, TO-92, ТО-220, SOIC-8L, SOT-223, а также на подложке размерами 8,5×2,5 мм (в этом случае кристалл датчика залит компаундом) и в бескорпусном исполнении (1,7×1,3 мм). По заказу потребителя датчик может быть встроен в конструкцию иного вида. Наиболее точные измерения температуры обеспечиваются при использовании металлического корпуса ТО-18, а в пластиковых корпусах результат измерения получается несколько хуже.

Всем покупателям датчиков для быстрой разработки собственных измерительных устройств компания Smartec предлагает недорогие отладочные платы на основе микроконтроллеров. Например, имеются два типа мультиплексоров, позволяющих подключить к ПЭВМ и циклически опрашивать 4 или 8 датчиков температуры SMT172 (выходной интерфейс этих мультиплексоров – USB). Эти устройства обеспечивают абсолютную погрешность измерения 0,25 K при уровне шума не более 0,0004 K. На интернет-странице компании [1] показано, как можно использовать мультиплексор совместно с программами MS–Excel или NI–LabVIEW.

 

Инфракрасные датчики теплового излучения

 

Инфракрасные датчики SMTIR99xx компании Smartec – сложные устройства, сделанные на основе кремния. Они предназначены для воспринятия теплового излучения в диапазоне волн от 0,5 до 25 мкм. Если необходимо принимать излучение лишь в определённой части этого спектра, то вместе с датчиком применяют светофильтр. Использованная компанией тонкоплёночная технология делает датчики миниатюрными и дешёвыми.


Выходное постоянное напряжение датчика формируется за счёт термобатареи, образованной последовательным соединением сотни нанесённых на кремниевую подложку "термопар". Холодные спаи термопар прилегают к подложке, а горячие – к чёрному поглощающему излучение слою. Между собой горячие и холодные спаи термически изолированы.

Рис. 2.  Внешний вид датчика SMTIR9902

 

Рис. 3.  Оптическая схема датчика SMTIR9902

 

Типичным примером инфракрасного датчика является SMTIR9902. На рис. 2 и 3 показаны соответственно его внешний вид и оптическая схема. Перечислим технические характеристики этого датчика. Чувствительность 110 В/Вт, длительность переходного процесса не более 40 мс. Диапазон рабочей температуры датчика от –20 до 100 °C. Для измерения температуры самого датчика в него встроен никелевый терморезистор с типовой характеристикой Ni–1000 (номинальное сопротивление 1 кОм). Датчик имеет стандартный корпус TO-05, со светофильтром, пропускающим излучение длиной волны более 5,5 мкм. Применение кремниевой линзы обеспечивает величину угла зрения 7°.

 

Датчики давления

 

 

 

Датчики серии SPD предназначены для измерения абсолютного, избыточного или дифференциального давлений жидкостей и газов. Работа этих датчиков основана на принципе, аналогичном применяемому в тензометрических датчиках (см. рис. 4). В датчике есть упругая мембрана с нанесёнными на неё тонкоплёночными резистивными элементами, образующими структуру мостика Уитстона. Под действием давления мембрана изгибается и сопротивление элементов изменяется. Элементы могут быть сжаты или растянуты – в зависимости от того, в каком направлении мембрана изогнута. Когда элемент сжат, его сопротивление уменьшено, а когда растянут – увеличено. При этом мостик будет разбалансирован в положительную или отрицательную сторону соответственно.

 

 

Рис. 4.  Элементы конструкции датчика SPD

 

Разнообразие выпускаемых датчиков SPD очень велико. Оно определяется параметрами:

– вид измеряемого давления (абсолютное, избыточное, дифференциальное);
– диапазон измерения (указываемый в единицах "PSI" (фунтах силы на квадратный дюйм) или в миллиметрах водяного столба);
– тип электрического выхода (или сам по себе резистивный мостик, или специальная схема с усилителем, формирующая пропорциональное давлению постоянное напряжение);
– тип корпуса (TO-05, SIP, DIP – для монтажа в отверстия печатной платы (см. рис. 5); SOC – для поверхностного монтажа).

 

Рис. 5. Внешний вид датчиков SPD абсолютного (а), избыточного (б) и дифференциального (в) давления

 

В качестве примера покажем характеристики двух датчиков – абсолютного и избыточного давления (см. таблицу 1).

характеристика тип датчика

SPD030AATO05N

SPD100GBsilN
Тип давления

абсолютное

избыточное

Измеряемое давление, кПа (PSI)

0 – 207 (0 – 30)

0 – 689 (0 – 100)

Предельно допустимое давление, кПа (PSI)

310 (45)

1030 (150)

Напряжение питания, В

5,0

5,0

Ток потребления, мА

2,5

1,5

Выходное напряжение, В

0,5 – 4,5

0 – 0,1

Основная погрешность, %

2

-

Нелинейность характеристики, %

не более ± 0,5

не более ± 0,1

Температурная составляющая погрешности, %

0,2

-

Диапазон температуры, в котором скомпенсирована погрешность, °C

15 – 70

-

Длительность переходного процесса, мс

2

-

Диапазон рабочей температуры, °C

 –20 – 100  –40 – 85

Таблица 1. 

 

Следует отметить, что датчик SPD030AATO05N предназначен специально для измерения давления в резервуаре со сжиженным газом. С целью повышения безопасности рекомендуется применять датчик абсолютного давления, а не избыточного, поскольку при повреждении мембраны (например, из-за случайного превышения допустимого давления) – газ не будет выходить наружу резервуара. В составе этого датчика имеется схема усиления и температурной коррекции выходного сигнала. Внешний вид датчика показан на рис. 5 а.


Датчик SPD100GBsilN предназначен для широкого применения. Он содержит только резистивные элементы, соединённые в мостик, поэтому усиливать и термокомпенсировать выходной сигнал – необходимо дополнительно. Внешний вид этого датчика показан на рис. 5 б. В соответствии с рекомендациями компании Smartec датчики давления SPD, содержащие только мостик, следует подключать ко входу микросхемы УПИ.

 

Датчики влажности

 

Измерить влажность воздуха – не совсем просто. Относительную влажность определяют как долю максимального количества воды, которое может содержаться в воздухе при определённой температуре. При данной температуре эта доля может варьироваться от 0 (когда воздух абсолютно сухой, и влаги в нём нет) до 100 % (когда в воздухе находится такое количество влаги, при котором начинается конденсация). Относительную влажность обозначают сокращением RH (от англ. "relative humidity").


Измерение влажности известными методами – такими, которые применяются в механических устройствах и сенсорах резистивного типа, – зависит от температуры и давления воздуха. Датчики относительной влажности воздуха компании Smartec лишены этого недостатка. Они представляют собой конденсатор, ёмкость которого увеличивается по мере того, как молекулы воды проникают в активный диэлектрик из полимерного материала. Обкладки конденсатора состоят из опорной нижней пластины и влагопроницаемой верхней пластины. Защитный корпус датчика сделан из стекла. Внешний вид датчика SMTHS07 показан на рис. 6.

 

Рис. 6.  Внешний вид датчика SMTHS07

 

В таблице 2 приведём характеристики двух датчиков влажности.

Характеристика Тип датчика

SMTHS07

SMTHS08A

Диапазон измерения влажности RH, %

0 – 100

0 – 100

Ёмкость, пФ, при RH = 55 %

330

180

Чувствительность, пФ/%, при RH от 20 до 95 %

0,6

0,34

Гистерезис характеристики, %, при RH от 20 до 95 %

не более 2

не более 2

Нелинейность характеристики, %, при RH от 20 до 95 %

не более ± 2

не более ± 2

Температурный коэффициент характеристики, пФ/°C, при температуре от 5 до 70 °C

0,16

не более 0,07

Коэффициент долговременной нестабильности характеристики, %/год

не более 0,2

не более 0,5

Длительность переходного процесса, с

15

15

Диапазон частоты возбуждения, кГц

1 – 100

1 – 100

Диапазон рабочей температуры, °C

–40 – 120

–40 – 120

Таблица 2.

П р и м е ч а н и я :
1. Приведённые в табл. 2 параметры соответствуют температуре 25 °C и напряжению возбуждения 1 В частотой 20 кГц.
2. В связи с тем, что в процессе производства неизбежен небольшой случайный разброс значений ёмкости датчика, следует калибровать каждый датчик (всего в одной точке характеристики).

 

Универсальный преобразователь интерфейса

 

Микросхема УПИ (UTI – в обозначении компании Smartec) предназначена для преобразования сигналов датчиков в длительность периода выходного сигнала. Предусмотрена возможность подключения датчиков, содержащих следующие элементы и их сочетания:


– конденсаторы ёмкостью 0 – 2 пФ, 0 – 12 пФ и 0 – 300 пФ;
– платиновые резисторы с характеристиками Pt–100 и Pt–1000;
– термосопротивления от 1 до 25 кОм;
– мосты сопротивления 0,25 – 10 кОм;
– потенциометры 1 – 50 кОм.


Внешний вид и функциональная схема преобразователя показаны на рис. 7 и 8. Датчики можно непосредственно подключить ко входам УПИ, а его выход соединить с микроконтроллером любого типа. Работа УПИ основана на применении самокалибруемого генератора переменной частоты (на рис. 8 – voltage to period converter). Преобразователь может работать в 16 различных режимах, в зависимости от типов подключённых датчиков. Для получения точных результатов измерения в преобразователе использован "принцип трёх сигналов".

 

Рис. 7. Внешний вид микросхемы УПИ

 

Рис. 8. Функциональная схема УПИ

 

 

Рис. 9.  Выходной сигнал УПИ

В выходном сигнале УПИ без перерыва повторяются циклы – один такой цикл показан на рис. 9. Каждый цикл содержит от трёх до пяти так называемых "фаз", представляющих собой короткие отрезки сигнала типа "меандр". В первой фазе (обозначенной на рисунке Toff) передаются два периода удвоенной частоты, пропорциональной уровню Uoff начального смещения сигнала на входе УПИ. Во второй фазе (обозначенной Tref) передаётся один период с частотой, пропорциональной опорному сигналу Uref. В третьей и последующих фазах (Tx) передаётся по одному периоду с частотами, пропорциональными измеряемым уровням Ux сигналов датчиков. Выходной сигнал УПИ поступает в микроконтроллер, где за счёт соответствующей обработки производится автоматическая калибровка измерителя.


Напряжение питания УПИ однополярное от 2,9 до 5,5 В. Ток потребления в рабочем режиме не более 3 мА, а в режиме отключения не более 2 мкА. Разрешающая способность преобразования не превышает 6·10–5 от величины диапазона; отклонение характеристики от линейной не более ±1·10–4. Длительность цикла преобразования 10 или 100 мс. Диапазон рабочей температуры от –40 до 85 °C (в пластиковом корпусе DIL или SO) и от –40 до 180 °C на подложке.


Компания Smartec производит микросхему мультиплексор MUXC01 – специально для использования вместе с УПИ. Это даёт возможность измерить несколько ёмкостей с высокой точностью. Путём каскадирования мультиплексоров легко обеспечить подключение необходимого количества измеряемых конденсаторов.


Для удобства потребителей компанией создана отладочная плата УПИ. В сочетании с доступным для копирования бесплатным программным обеспечением её использование способствует сокращению времени разработки.

 

Заключение

 

Компания Smartec BV производит электронные компоненты для высокоточных измерительных систем. В современных условиях это направление измерительной техники востребовано и перспективно, поскольку оно отвечает запросам многих сфер применения.

 

 

Новости

 

Компания HID Global объявила о выпуске новой линейки RFID меток на металл для NFC и  RAIN® UHF применений

 

 

Компания Murata Manufacturing Co., Ltd. представила новую серию водоотталкивающих конденсаторов GXT для автомобильных информационно-развлекательных систем и оборудования для комфорта

Компания STMicroelectronics объявила о выпуске нового восьмибитного микроконтроллера отличающегося высокой производительностью и низкой стоимостью 

 

Все новости

Публикации

Все публикации