Современные МЭМС-продукты
В каталоге Analog Devices 2015 года МЭМС-продукты представлены в следующих категориях:
- акселерометры серии ADXLxxx (более 25 типов приборов);
- гироскопы серии ADXRSxxx (13 типов);
- подсистемы МЭМС акселерометров iSensor серии ADIS16xx (12 типов);
- подсистемы МЭМС гироскопов iSensor серии ADIS16xx (9 типов);
- МЭМС инерциальные измерительные модули iSensor серии ADIS16xx (13 типов) [5].
Классификационные параметры акселерометров, гироскопов и подсистем iSensor компании на основе данных технических описаний (спецификаций) конкретных приборов приведены в таблице (в сводных таблицах на сайте ADI имеются неточности и пробелы).
У таблицы есть ряд важных особенностей:
- Диапазон ускорений акселерометров измеряется в единицах g (g = 9,80665 м/с2), в подсистемах акселерометров, предназначенных для измерения углов наклона (инклинометрах) – в градусах. Диапазон угловых скоростей гироскопов и подсистем измеряется в градусах на секунду (°/с), знак ускорения, угла наклона и угловой скорости определяет направление соответствующих векторов. Значения ускорений или угловых скоростей, приведённые в таблице через дробь, обычно означают, что они могут выбираться пользователями, однако для некоторых микросхем разные значения параметров определяются их исполнением.
- Шумовые параметры акселерометров компании обычно выражены в единицах спектральной плотности шума – мкg/Гц или мg/Гц , одно значение плотности шума соответствует типовому, два значения плотности шума, приведённые в таблице через дефис, обычно означают типовые параметры для различных осей измерения (X, Y, Z). Для некоторых приборов шум выражается в значениях долей младшего разряда выходного цифрового кода – n LSB rms, бо¢льшим значениям n соответствует и бо¢льший уровень шума. Значения шумовых параметров, выраженные двумя числами через дефис, соответствуют типовым значениям при различных режимах работы прибора или различных осях измерения. Шумовые параметры гироскопов выражены в соответствующих единицах спектральной плотности шума – градус/секунда/Гц (°/с/Гц ).
- Тип выхода. Выходные сигналы аналоговых акселерометров и гироскопов обычно представлены в виде напряжения, зависящего от соответствующих измеряемых параметров. Выходные сигналы ШИМ акселерометров представляют собой последовательность импульсов, коэффициент заполнения которых зависит от величины измеряемого ускорения. Выходные сигналы цифровых приборов представляются обычно в виде вариантов (3 или 4 шины) интерфейса SPI с различной разрядностью. Некоторые приборы одновременно с SPI имеют интерфейсы I2C, а подсистемы акселерометров ADIS16000/16229 оснащены трансиверами для радиосвязи в диапазоне 902,5–927,5 МГц, приборы предназначены для организации беспроводных сетей датчиков ускорения.
- Чувствительность аналоговых акселерометров, представленных в таблице, имеет размерность мВ/g (некоторых приборов – %/g), аналоговых гироскопов – мВ/°/с. Чувствительность цифровых акселерометров в основном выражена в единицах LSB/g, однако она может определяться и параметром, называемым масштабным коэффициентом (Scale Factor), измеряемым в единицах мg/LSB, где LSB – единица младшего разряда выходного кода. Например, в техническом описании цифрового акселерометра ADXL363 приведены значения масштабного коэффициента и в единицах мg/LSB и LSB/g. Чувствительность цифровых гироскопов выражается в единицах LSB/°/c, цифровых инклинометров – °/LSB, цифровых подсистем гироскопов – °/c/LSB. Для ряда микросхем чувствительность выражена двумя числами (через дефис), что означает возможность её изменения в указанных пределах путём программирования.
- В графе «Примечания» указаны годы выпуска первых редакций технических описаний (спецификаций) приборов. БПФ – анализ на основе быстрого преобразования Фурье.
Рассмотрим особенности некоторых перспективных МЭМС приборов с расширенным диапазоном рабочих температур более подробно.
Акселерометры серии ADXL
ADXL313 – трёхосевой цифровой акселерометр с интерфейсами SPI (3 и 4 шины) и I2C. Прибор в миниатюрном корпусе LFCSP размерами 5 × 5 × 5 мм отличается чрезвычайно низким токопотреблением – 30 мкА в режиме измерения и 0,1 мкА в режиме ожидания. Измерение ускорений осуществляется с высоким разрешением (13 бит), выходные данные представлены в 16-разрядном двоичном дополнительном коде. Микросхемы отличаются низким уровнем шума – 150 мкg/Гц по осям Х и Y, 250 мкg/Гц по оси Z. Фиксированное разрешение 10 бит и чувствительность 1024 LSB/g для любого диапазона ускорений, а также диапазон ускорений, ширина полосы пропускания могут быть установлены пользователем. Прибор также обеспечивает измерение углов наклона с точностью 0,1°, а в режиме передискретизации по запатентованной 32-уровневой технологии FIFO (First in Firs out) – с точностью до 0,025°.
Структура и назначение выводов микросхемы приведены на рисунке 14. Основные области применения: системы автомобильной сигнализации, системы помощи водителю при трогании на подъёме (HSA – Hill Start Aid), системы электронных стояночных тормозов, рекордеры данных («чёрные ящики»). Микросхемы могут работать в диапазоне температур –40…+105°С, выдерживают удары с ускорением до 10 000 g, нечувствительны к электростатическим зарядам и коротким замыканиям любых выводов на корпус.
ADXL206 – двухосевой (Х, Y) термостойкий акселерометр с гарантированной наработкой 1000 часов при температуре +175°С, выполненный в керамическом корпусе SBDIP размерами 13 × 8 × 3 мм. Прибор предназначен для ориентации систем геологоразведки, измерения вибраций, высокотемпературных промышленных приложений и обеспечивает разрешение 1 мg (0,06°) на частоте 60 Гц. Структура микросхемы приведена на рисунке 15. МЭМС-датчик ускорения выполнен по технологии iMEMS, полосы пропускания каналов Х и Y определяются ёмкостью внешних конденсаторов Cx, Cy и могут быть установлены в пределах 0,5 Гц – 2,5 кГц. При нулевом ускорении выходное напряжение каналов составляет 2,5 В ±0,025 В (при Uпит = 5 В) и отличается высокой стабильностью, дрейф «нуля» в пересчёте на ускорение не превышает ±10 мg в диапазоне температур –40…+175°С.
ADXL001-xxx – одноосевые прецизионные аналоговые акселерометры с высокой резонансной частотой (22 кГц) МЭМС-датчика. Приборы выполнены по технологии iMEMS пятого поколения в керамических корпусах LCC/E-8-1 и выпускаются в трёх исполнениях с диапазоном ускорений ±70 g (ADXL001-70), ±250 g (ADXL001-250) и ±500 g (ADXL001-500). Структура микросхем приведена на рисунке 16. Приборы отличаются высокими эксплуатационными характеристиками и широкой полосой пропускания (от постоянного тока до 32 кГц). Отклонения от линейности переходной характеристики не превышает ±0,2% во всём диапазоне измеряемых ускорений. Полностью дифференциальная обработка сигналов обеспечивает эффективную защиту от электромагнитных излучений и радиочастотных помех. Микросхемы выдерживают ускорения до 4000 g, диапазон рабочих температур составляет –55…+125°С, что позволяет применять их в ответственных медицинских, промышленных и военных приложениях.
Гироскопы серии ADXRS
ADXRS645 – термостойкий аналоговый гироскоп, структура которого представлена на рисунке 17, имеет гарантируемую наработку 1000 часов при температуре +175°С. Вертикально ориентированный керамический корпус прибора позволяет измерять угловые скорости как в плоскости Pitch, так и Roll. Микросхемы выдерживают удары до 10 000 g и вибрации в широком диапазоне частот. Воздействие вибраций с уровнем до 25 g rms в диапазоне частот 50 Гц – 5 кГц вызывает выходной отклик не более 0,0006°/с/g, а линейные перемещения прибора по любым осям вызывают выходной отклик не более 0,1°/c/g. Основные области применения микросхемы: контроль направления при бурении отверстий в геологоразведке и промышленные измерения при экстремальных температурах. Поскольку вывод TEMP микросхемы подключён к внутреннему терморезистору (25 кОм при Т = 25°С), его можно использовать для недопущения перегрева прибора, например при бурении скважин на большой глубине.
ADXRS646 – этот высокостабильный гироскоп выполнен по такой же схеме, как и предыдущий (см. рис. 17), однако корпус CBGA размерами 7 × 7 мм ориентирован горизонтально, что позволяет измерять угловые скорости в плоскости Yaw. Прибор обеспечивает подавление откликов, вызванных вибрацией (не более 0,0001°/g) и линейными перемещениями (0,015°/c) с уровнем до 25 g в диапазоне 50 Гц – 5 кГц. За исключением диапазона температур (–55…+125°С), показатели стойкости к воздействиям внешней среды такие же, как и у предыдущего прибора.
ADXRS649 – структура и назначение выводов микросхемы соответствуют показанным на рисунке 17, однако она также, как и предыдущая, выполнена в горизонтально ориентированном керамическом корпусе CBGA габаритами 7 × 7 мм, что обеспечивает измерение угловых скоростей в плоскости Yaw в диапазоне до ±50 000°/с. Прибор отличается быстрым запуском (не более 3 мс) и высокой стойкостью к вибрациям (параметры как у ADXRS645), показатели стойкости к воздействию внешней среды аналогичны показателям ADXRS646. Небольшой потребляемый ток микросхемы (3 мА) в сочетании с быстрым запуском обеспечивает длительную работу микросхемы при питании от батарей, например, при питании от двух элементов CR2032 микросхема может работать три месяца.
Во всех рассмотренных выше гироскопах используются встроенные источники питания с поддержкой «виртуального нуля», равного половине напряжения питания. То есть при изменении напряжения питания пропорционально изменяется выходное напряжение, соответствующее нулевому ускорению. Внутренний стабилизатор напряжения выполнен по схеме с подкачкой заряда внешних конденсаторов, подключаемых к выводам CP1-CP5.
Подсистемы акселерометров серии ADIS
В подсистемы акселерометров кроме МЭМС-датчиков ускорения и аналоговых схем обработки сигналов включены дополнительные цифровые устройства: АЦП, схемы интерфейсов, тактирующие схемы, память, цифровые сигнальные процессоры, микропроцессоры и другие цифровые устройства.
ADIS16228 – трёхосевой анализатор вибраций с обработкой в частотной области на основе БПФ (быстрое преобразование Фурье) и возможностью записи нескольких выборок. Структура прибора представлена на рисунке 18, внешний вид на плате – на рисунке 19 (габариты 24 × 15 × 15 мм без шлейфа).
Прибор может с успехом использоваться в портативной виброизмерительной аппаратуре, предназначенной, например, для диагностики и мониторинга подшипников качения, зубчатых передач, гидроагрегатов ГЭС, систем конвейеров на горных разработках и на многих других объектах, подвергающихся воздействию вибраций. На рисунке 20 приведена блок-схема системы непрерывного мониторинга круто-наклонного конвейера КНК-270, установленного на карьере Мурунтау (Узбекистан), состоящая из аппаратно-программного комплекса для ЭВМ, который обрабатывает, создаёт и хранит базу данных сигналов от датчиков. В качестве датчиков в системе мониторинга использованы микросхемы ADIS16228, ADIS16229 и ADIS16000 [5].
Основные особенности и параметры прибора ADIS16228, не приведённые в таблице:
- равномерная частотная характеристика в диапазоне до 5 кГц;
- возможность записи выборок при заданных пользователем настройках;
- цифровая регулировка диапазона измерений;
- режим ручного захвата для сбора данных во временно¢й области;
- режим внешнего запуска, управление по интерфейсу SPI, таймеру и запуск от внешнего сигнала;
- программируемый децимирующий фильтр с одиннадцатью настройками коэффициента децимации;
- потоковый режим реального времени со скоростью 20,48 kSPS по одной оси;
- режим захвата данных со скоростью 20,48 kSPS по всем осям;
- вещественный алгоритм БПФ, 512 точек по трём осям;
- различные варианты окна: прямоугольное, окно Ханнинга, с плоской вершиной;
- программируемое усреднение БПФ (до 256 усреднений);
- память на 14 выборок БПФ по трём осям.
ADIS16229 (см. рис. 21а), ADIS16000 (см. рис. 21б) – беспроводные МЭМС-системы измерения вибраций для удалённого контроля промышленного оборудования.
В системы входят беспроводные узлы датчиков вибрации iSensor ADIS16229, в которые интегрированы двухосевые цифровые измерители ускорения на основе ёмкостных МЭМС, и схемы обработки сигналов в частотной и временно¢й областях. В качестве шлюза выступает беспроводной узел приёмника ADIS16000, обеспечивающий приём и обработку данных от удалённых узлов ADIS16229, которых может быть до шести единиц. Обмен данными осуществляется с помощью протокола беспроводной связи, разработанного ADI. Управление шлюзом производится через интерфейс SPI. Главным преимуществом разработанной компанией системы является непрерывность мониторинга удалённых станков, насосов, турбин, конвейеров, компрессоров, двигателей и другого промышленного оборудования. Это, в свою очередь, позволяет операторам сложных промышленных систем оперативно реагировать на нештатные ситуации и предотвращать поломки и аварийную остановку различных агрегатов и тем самым избегать связанных с ними больших затрат.
Радиообмен между датчиками и шлюзом осуществляется в нелицензируемом ISM-диапазоне 862–928 МГц (в России 864–865 МГц и 868,7–869,2 МГц). В отличие от анализатора вибраций ADIS16228, в рассматриваемом узле ADIS16229 используется двухосевой МЭМС-датчик ускорения. Остальные параметры и возможности по большей части такие же.
Подсистемы гироскопов серии ADIS
ADIS16133 – прецизионный датчик скорости по углу рыскания, выполненный в виде модуля размерами 44 × 35,6 × 13,8 мм. Прибор обеспечивает функционирование и сбор данных в автономном режиме и не требует внешних команд конфигурирования. Возможно автоматическое и ручное управление коррекцией смещения. Стабильность смещения в установившемся состоянии составляет примерно 6°/час (11°/час в диапазоне температур –40…+85°С). Время запуска не превышает 180 мс, а время восстановления из режима сна – не более 4,7 мс. Модуль производит оцифровку данных с частотой 2048 отсчётов в секунду и имеет фильтр усреднения/децимации, применение которого позволяет оптимизировать соотношение между шириной полосы пропускания и уровнем шума. Последовательный периферийный интерфейс SPI и набор внутренних регистров упрощают доступ к настройкам конфигурации и откалиброванным измерениям датчика во встраиваемых процессорных платформах. Основные области применения: прецизионные измерения, стабилизация и управление платформами, навигация промышленных транспортных средств, измерения при бурении скважин, робототехника.
Аналогичную конструкцию и присоединительные размеры имеют и цифровые датчики угловой скорости ADIS16135, ADIS16136 и ADIS16137 (см. таблицу). Чувствительность и смещение всей цепочки обработки сигнала рассматриваемых датчиков подвергаются заводской калибровке в диапазоне температур –40…+85°С. В результате каждый экземпляр модулей обладает собственными уникальными формулами коррекции, обеспечивающими высокую точность измерений после его установки в систему. Эта заводская калибровка позволяет полностью исключить процедуру системной калибровки в некоторых системах и значительно упростить её в остальных случаях.
Компания выпускает и более сложные измерительные системы на основе МЭМС-датчиков, однако особенности их устройства и функционирования требуют отдельного рассмотрения.
Литература
- www.analog.com/library/analogDialogue/archives.html#vol27.
- www.analog.com/library/analogDialogue/archives.html#vol37.
- www.bulgari-istoria-2010.com.
- 9К720 Искандер-SS-26 STONE. www.bulgari-istoria-2010.com/booksBG/9K720%20ISKANDER.pdf. С. 24.
- www.analog.com/ru/index.html.
- Холикулов Э.Х., Султанов К.С., Исмаилов Х.М., Логинов П.В. Составляющие элементы системы мониторинга вибрации и колебаний КНК-270. Горный вестник Узбекистана. 2014. № 1. С. 62. www.ngmk.uz/vestnik/vest_archive/2014/56.pdf.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
