eng
Выпуск #1/2011
А.Тузов
Датчики для измерения параметров движения на основе MEMС-технологии ЧАСТЬ 1. Инерциальные датчики средней точности
Датчики для измерения параметров движения на основе MEMС-технологии ЧАСТЬ 1. Инерциальные датчики средней точности
Просмотры: 6153
Активно развивающиеся технологии микроэлектромеханических систем (MЭМС) сделали доступными для применения в недорогих массовых устройствах датчики и системы измерения параметров, которые ранее использовались лишь в дорогой авиационной, космической и военной технике. Особенно это относится к датчикам для измерения параметров движения – инерциальным датчикам (гироскопам, акселерометрам), датчикам вибрации, давления, наклона и т.д. Рассмотрим датчики и инерциальные измерительные модули, уже доступные российским разработчикам. Причем основное внимание уделим моделям с высокими точностными характеристиками и хорошей стабильностью показаний.
Теги: гироскопы мэмс системы навигации
Мы не рассматриваем дешевые модели гироскопов и акселерометров производства таких компаний, как Analog Devices и ST Microelectronics и аналогичные им, ориентированные в первую очередь на массовый рынок бытовых устройств, таких как игровые приставки, персональные навигаторы, мобильные телефоны и т. д. Многие отечественные разработчики хорошо знакомы с этой продукцией и успели убедиться, что основное преимущество этих продуктов – низкая цена (при больших объемах закупок), при этом точностные характеристики приборов довольно скромные, чего собственно и достаточно для бытовых приложений.
Для более ответственных приложений, в которых не требуются точности лазерных или волоконно-оптических гироскопов, интересны модели следующих производителей:
Silicon Sensing Systems (Англия) – одноосевые гироскопы и трехосевые инерциальные измерительные модули;
Sensonor Technologies AS (Норвегия) – одноосевые гироскопы;
Colibrys (Швейцария) – одноосевые акселерометры;
Silicon Designs (США) – одноосевые и трехосевые акселерометры.
Продукция Silicon Sensing Systems
Гироскопы компании Silicon Sensing в качестве чувствительного элемента используют вибрирующее кремниевое кольцо. Одноосевой гироскоп CRG20 выполнен в виде микросхемы в корпусе LCC с 36 выводами (рис.1). Гироскоп имеет как аналоговый (ратиометрический), так и цифровой (SPI) выходы для измеренной угловой скорости и выпускается в модификациях с различными пределами измерения угловой скорости (табл.1).
Для удобства и ускорения разработки датчик CRG20 поставляется небольшими партиями, уже смонтированным на миниатюрную плату со всеми необходимыми элементами «обвязки» (емкостями и резисторами) и миниатюрными разъемами (рис.2).
Основные характеристики CRG20 приведены в табл.2. Цифровой выходной сигнал датчика имеет 14 разрядов и, соответственно точность младшего бита равна 0,03125 ⁰/с.
Еще один интересный и эффективный по стоимости прибор этой компании – шестикомпонентный инерциальный измерительный модуль DMU02 (рис.3). В его компактном корпусе (25×25×25 мм) содержатся три датчика угловой скорости и три акселерометра, позволяющие измерять все составляющие инерциального движения по трем взаимно ортогональным осям. Легкий пластиковый корпус прибора оснащен крепежными отверстиями под винты и направляющими. Интерфейс прибора - SPI. При таких малых размерах модуль DMU02 обладает неплохими характеристиками (табл.3), что уже привлекло к нему внимание ряда российских разработчиков.
В середине 2010 года компания Silicon Sensing Systems начала производство новой модели гироскопов, ориентированных на массовый рынок, предлагая, с одной стороны, недорогое устройство, а с другой, – достаточно стабильный в реальных условиях эксплуатации гироскоп.
Этот прибор PinPoint производится в двух модификациях – CRM100 и CRM200 – с абсолютно одинаковыми характеристиками (табл.4), но разными способами монтажа на печатную плату (рис.4). Корпус модели CRM100 предназначен для пайки параллельно плоскости печатной платы, а модель CRM200 паяется перпендикулярно плоскости платы. Это сделано для того, чтобы комбинируя гироскопы CRM100 и CRM200 на одной печатной плате, можно было разрабатывать двух- и трехосевые гироскопические измерительные модули с очень малыми габаритами. У гироскопов PinPoint можно использовать либо аналоговый выход, либо цифровой (задается программно). Также сам пользователь может устанавливать предел измерения угловой скорости и ширину полосы пропускания. Доступные пределы измерения: ±75 , ±150, ±300 и ±900 °/с.
Компания Silicon Sensing Systems производит малыми партиями ознакомительные платы с установленными гироскопами CRM100 и CRM200 и всеми необходимыми для их работы дополнительными компонентами как в одноосевом, так и в трехосевом исполнении (рис.5). Чертежи этих печатных плат и примеры программ обращения к гироскопам подробно представлены на сайте поддержки фирмы-производителя, что являются хорошим подспорьем разработчикам. По отзывам тех, кто уже протестировал образцы CRM100 и CRM200, у этих приборов чувствительность лучше, чем у CRG20, но несколько больший временной уход.
Гироскопы Sensonor Technologies AS
В основе чувствительных элементов гироскопов компании Sensonor Technologies AS лежит измерение параметров движения асимметричной инерциальной массы (двух миниатюрных кремниевых пластин по форме похожих на кремниевых пластин – крылья бабочки), на которой принудительно поддерживается вибрация.
Весьма интересны для отечественных разработчиков две новые модели гироскопов производства норвежской компании Sensonor Technolo-gies AS — SAR100 и SAR150 (табл.5). Различные по точностным характеристикам и по цене, эти модели выполнены в одинаковых герметичных керамических корпусах оригинальной конструкции (рис.6). Корпус этих датчиков может паяться на плату как параллельно ее плоскости, так и перпендикулярно, что позволяет на миниатюрной печатной плате собрать двух- и трехосевую гироскопические системы. Выход микросхем SAR100 и SAR150 — SPI, 12 разрядов.
Акселерометры Colibrys
Швейцарская компания Colibrys — известный в мире производитель высокоточных MEMS-акселерометров для применения в сейсмических измерениях, для измерения параметров буровых скважин в нефтегазовой промышленности, для авиационных, космических и военных изделий. Компания производит как акселерометры общего назначения, так и модели, устойчивые к сильным ударам (серия HS) (табл.6). Кроме акселерометров для измерения линейного ускорения Colibrys изготавливает на их основе датчики вибрации, наклона и сейсмические акселерометры.
Все приборы Colibrys представляют собой законченное устройство с емкостным чувствительным элементом (две емкости, включенные по полумостовой схеме с общей средней обкладкой). При возникновении ускорения вдоль оси, перпендикулярной обкладкам, средняя обкладка отклоняется в сторону, противоположную движению, в результате чего емкость одного из конденсаторов системы увеличивается, а другого – уменьшается (рис.7). В конструкцию датчика, кроме первичного чувствительного элемента, входит также чип для сигнальной обработки и датчик температуры для внешней температурной стабилизации. Все приборы Colibrys имеют аналоговый выход (напряжение выходного сигнала линейно зависит от величины ускорения).
На основе той же технологии Colibrys производит датчики наклона (рис.8), которые с высокой точностью измеряют в статике угол наклона относительно местной вертикали. Это модели MS9001 D (диапазон измерения ±1g, угол ±30° с точностью 0,003°) и MS900.5.D (диапазон 0,5g, угол измерения ±15°с точностью 0,0015°).
Акселерометры Silicon Designs
Американская компания Silicon Designs производит датчики линейного ускорения, по характеристикам близкие к продукции Colibrys. У них общий принцип действия – емкостной полумостовой чувствительный элемент со встроенной схемой обработки сигнала. Отличие состоит в том, что у Silicon Designs есть модели не только с аналоговым ратиометрическим выходом, но и с цифровым ШИМ-сигналом, длительность заполнения которого линейно зависит от величины ускорения.
Кроме того, компания Silicon Designs производит на базе своих акселерометров трехосевые модули. Корпус модулей залит компаундом, в корпус вмонтирован кабель для подключения датчика к плате обработки (рис.9).
Навигационные системы на основе датчиков средней точности
Описанные датчики средней степени точности широко используются во всем мире. Надежность этих приборов и стабильная работа в реальных условиях позволяют их применять в жизненно важных узлах автомобилей, отвечающих за безопасность или жизнь людей. В авиационных моделях инерциальные датчики позволяют сглаживать ошибки пилотов и сохраняют модели стоимостью в несколько тысяч евро.
Основные потребители описанных инерциальных датчиков:
производители автоэлектроники: в системах активной подвески автомобиля, в системах предотвращения заноса;
производители систем радиоуправления моделями вертолетов и самолетов. Известная японская фирма Futaba уже много лет применяет датчики угловых скоростей компании Silicon Sensing Systems в своих гироскопах для стабилизации полетов моделей вертолетов;
производители компактных навигационных систем;
производители спутниковых антенн, устанавливаемых на подвижных объектах (катерах, яхтах и т. д.);
разработчики робототехнических устройств.
В России среди разработчиков систем управления беспилотных устройств также растет интерес к данной продукции. Устав от отказов систем, построенных на основе дешевых бытовых гироскопов и акселерометров, многие компании с интересом тестируют и уже начинают применять описанную выше продукцию в своих новых разработках.
Так, новая ультракомпактная интегрированная навигационная система "Компанав-3" (рис.10) российской компании "ТеКнол" разработана на основе модуля DMU02 компании Silicon Sensing Systems. По отзывам разработчиков "ТеКнол", этот модуль позволяет в разы улучшить параметры нового устройства (табл.7) и сократить как время на разработку, так и габариты конечного устройства. Предыдущая версия интегрированной навигационной системы "Компанав-2" была основана на датчиках Analog Devices.
Голландская компания Xsens производит компактные измерительные приборы и наборы для их объединения в сеть. Базовая модель MTI (рис.11) представляет собой бесплатформенную инерциальную навигационную систему среднего класса точности. Она содержит три гироскопа, три акселерометра и три магнитометра.
В состав прибора также входит микроконтроллер, способный решать задачи ориентации, навигации или стабилизации положения. Прибор настраивается, программируется и управляется через интерфейс RS-232.
В базовой модификации установлены акселерометры с диапазоном измерения 5g и датчики угловой скорости с диапазоном измерения 300°/с. В заказных вариантах возможно расширение этих диапазонов до 18g и от 150 до 1200°/с.
Прибор выпускается в ряде модификаций, в том числе производится бескорпусная ОЕМ-версия прибора MTI-OEM для интеграции в изделия сторонних разработчиков в виде дочерней платы навигационного модуля, а также версия MTI-G – вариант прибора, комплексированного с приемником системы спутниковой навигации GPS.
В набор разработчика входит множество заготовок программ управления для разных условий применения (навигация, стабилизация, ориентация объектов).
Приборы Xsens активно применяются в системах биомеханических измерений, в беспилотных летательных аппаратах, в робототехнике, на малых судах и в других областях.
* * *
В следующей публикации мы рассмотрим наиболее точные на сегодня MEMS-гироскопы и инерциальные измерительные модули, применяемые в авиакосмической и военной технике.
Продолжение следует
Для более ответственных приложений, в которых не требуются точности лазерных или волоконно-оптических гироскопов, интересны модели следующих производителей:
Silicon Sensing Systems (Англия) – одноосевые гироскопы и трехосевые инерциальные измерительные модули;
Sensonor Technologies AS (Норвегия) – одноосевые гироскопы;
Colibrys (Швейцария) – одноосевые акселерометры;
Silicon Designs (США) – одноосевые и трехосевые акселерометры.
Продукция Silicon Sensing Systems
Гироскопы компании Silicon Sensing в качестве чувствительного элемента используют вибрирующее кремниевое кольцо. Одноосевой гироскоп CRG20 выполнен в виде микросхемы в корпусе LCC с 36 выводами (рис.1). Гироскоп имеет как аналоговый (ратиометрический), так и цифровой (SPI) выходы для измеренной угловой скорости и выпускается в модификациях с различными пределами измерения угловой скорости (табл.1).
Для удобства и ускорения разработки датчик CRG20 поставляется небольшими партиями, уже смонтированным на миниатюрную плату со всеми необходимыми элементами «обвязки» (емкостями и резисторами) и миниатюрными разъемами (рис.2).
Основные характеристики CRG20 приведены в табл.2. Цифровой выходной сигнал датчика имеет 14 разрядов и, соответственно точность младшего бита равна 0,03125 ⁰/с.
Еще один интересный и эффективный по стоимости прибор этой компании – шестикомпонентный инерциальный измерительный модуль DMU02 (рис.3). В его компактном корпусе (25×25×25 мм) содержатся три датчика угловой скорости и три акселерометра, позволяющие измерять все составляющие инерциального движения по трем взаимно ортогональным осям. Легкий пластиковый корпус прибора оснащен крепежными отверстиями под винты и направляющими. Интерфейс прибора - SPI. При таких малых размерах модуль DMU02 обладает неплохими характеристиками (табл.3), что уже привлекло к нему внимание ряда российских разработчиков.
В середине 2010 года компания Silicon Sensing Systems начала производство новой модели гироскопов, ориентированных на массовый рынок, предлагая, с одной стороны, недорогое устройство, а с другой, – достаточно стабильный в реальных условиях эксплуатации гироскоп.
Этот прибор PinPoint производится в двух модификациях – CRM100 и CRM200 – с абсолютно одинаковыми характеристиками (табл.4), но разными способами монтажа на печатную плату (рис.4). Корпус модели CRM100 предназначен для пайки параллельно плоскости печатной платы, а модель CRM200 паяется перпендикулярно плоскости платы. Это сделано для того, чтобы комбинируя гироскопы CRM100 и CRM200 на одной печатной плате, можно было разрабатывать двух- и трехосевые гироскопические измерительные модули с очень малыми габаритами. У гироскопов PinPoint можно использовать либо аналоговый выход, либо цифровой (задается программно). Также сам пользователь может устанавливать предел измерения угловой скорости и ширину полосы пропускания. Доступные пределы измерения: ±75 , ±150, ±300 и ±900 °/с.
Компания Silicon Sensing Systems производит малыми партиями ознакомительные платы с установленными гироскопами CRM100 и CRM200 и всеми необходимыми для их работы дополнительными компонентами как в одноосевом, так и в трехосевом исполнении (рис.5). Чертежи этих печатных плат и примеры программ обращения к гироскопам подробно представлены на сайте поддержки фирмы-производителя, что являются хорошим подспорьем разработчикам. По отзывам тех, кто уже протестировал образцы CRM100 и CRM200, у этих приборов чувствительность лучше, чем у CRG20, но несколько больший временной уход.
Гироскопы Sensonor Technologies AS
В основе чувствительных элементов гироскопов компании Sensonor Technologies AS лежит измерение параметров движения асимметричной инерциальной массы (двух миниатюрных кремниевых пластин по форме похожих на кремниевых пластин – крылья бабочки), на которой принудительно поддерживается вибрация.
Весьма интересны для отечественных разработчиков две новые модели гироскопов производства норвежской компании Sensonor Technolo-gies AS — SAR100 и SAR150 (табл.5). Различные по точностным характеристикам и по цене, эти модели выполнены в одинаковых герметичных керамических корпусах оригинальной конструкции (рис.6). Корпус этих датчиков может паяться на плату как параллельно ее плоскости, так и перпендикулярно, что позволяет на миниатюрной печатной плате собрать двух- и трехосевую гироскопические системы. Выход микросхем SAR100 и SAR150 — SPI, 12 разрядов.
Акселерометры Colibrys
Швейцарская компания Colibrys — известный в мире производитель высокоточных MEMS-акселерометров для применения в сейсмических измерениях, для измерения параметров буровых скважин в нефтегазовой промышленности, для авиационных, космических и военных изделий. Компания производит как акселерометры общего назначения, так и модели, устойчивые к сильным ударам (серия HS) (табл.6). Кроме акселерометров для измерения линейного ускорения Colibrys изготавливает на их основе датчики вибрации, наклона и сейсмические акселерометры.
Все приборы Colibrys представляют собой законченное устройство с емкостным чувствительным элементом (две емкости, включенные по полумостовой схеме с общей средней обкладкой). При возникновении ускорения вдоль оси, перпендикулярной обкладкам, средняя обкладка отклоняется в сторону, противоположную движению, в результате чего емкость одного из конденсаторов системы увеличивается, а другого – уменьшается (рис.7). В конструкцию датчика, кроме первичного чувствительного элемента, входит также чип для сигнальной обработки и датчик температуры для внешней температурной стабилизации. Все приборы Colibrys имеют аналоговый выход (напряжение выходного сигнала линейно зависит от величины ускорения).
На основе той же технологии Colibrys производит датчики наклона (рис.8), которые с высокой точностью измеряют в статике угол наклона относительно местной вертикали. Это модели MS9001 D (диапазон измерения ±1g, угол ±30° с точностью 0,003°) и MS900.5.D (диапазон 0,5g, угол измерения ±15°с точностью 0,0015°).
Акселерометры Silicon Designs
Американская компания Silicon Designs производит датчики линейного ускорения, по характеристикам близкие к продукции Colibrys. У них общий принцип действия – емкостной полумостовой чувствительный элемент со встроенной схемой обработки сигнала. Отличие состоит в том, что у Silicon Designs есть модели не только с аналоговым ратиометрическим выходом, но и с цифровым ШИМ-сигналом, длительность заполнения которого линейно зависит от величины ускорения.
Кроме того, компания Silicon Designs производит на базе своих акселерометров трехосевые модули. Корпус модулей залит компаундом, в корпус вмонтирован кабель для подключения датчика к плате обработки (рис.9).
Навигационные системы на основе датчиков средней точности
Описанные датчики средней степени точности широко используются во всем мире. Надежность этих приборов и стабильная работа в реальных условиях позволяют их применять в жизненно важных узлах автомобилей, отвечающих за безопасность или жизнь людей. В авиационных моделях инерциальные датчики позволяют сглаживать ошибки пилотов и сохраняют модели стоимостью в несколько тысяч евро.
Основные потребители описанных инерциальных датчиков:
производители автоэлектроники: в системах активной подвески автомобиля, в системах предотвращения заноса;
производители систем радиоуправления моделями вертолетов и самолетов. Известная японская фирма Futaba уже много лет применяет датчики угловых скоростей компании Silicon Sensing Systems в своих гироскопах для стабилизации полетов моделей вертолетов;
производители компактных навигационных систем;
производители спутниковых антенн, устанавливаемых на подвижных объектах (катерах, яхтах и т. д.);
разработчики робототехнических устройств.
В России среди разработчиков систем управления беспилотных устройств также растет интерес к данной продукции. Устав от отказов систем, построенных на основе дешевых бытовых гироскопов и акселерометров, многие компании с интересом тестируют и уже начинают применять описанную выше продукцию в своих новых разработках.
Так, новая ультракомпактная интегрированная навигационная система "Компанав-3" (рис.10) российской компании "ТеКнол" разработана на основе модуля DMU02 компании Silicon Sensing Systems. По отзывам разработчиков "ТеКнол", этот модуль позволяет в разы улучшить параметры нового устройства (табл.7) и сократить как время на разработку, так и габариты конечного устройства. Предыдущая версия интегрированной навигационной системы "Компанав-2" была основана на датчиках Analog Devices.
Голландская компания Xsens производит компактные измерительные приборы и наборы для их объединения в сеть. Базовая модель MTI (рис.11) представляет собой бесплатформенную инерциальную навигационную систему среднего класса точности. Она содержит три гироскопа, три акселерометра и три магнитометра.
В состав прибора также входит микроконтроллер, способный решать задачи ориентации, навигации или стабилизации положения. Прибор настраивается, программируется и управляется через интерфейс RS-232.
В базовой модификации установлены акселерометры с диапазоном измерения 5g и датчики угловой скорости с диапазоном измерения 300°/с. В заказных вариантах возможно расширение этих диапазонов до 18g и от 150 до 1200°/с.
Прибор выпускается в ряде модификаций, в том числе производится бескорпусная ОЕМ-версия прибора MTI-OEM для интеграции в изделия сторонних разработчиков в виде дочерней платы навигационного модуля, а также версия MTI-G – вариант прибора, комплексированного с приемником системы спутниковой навигации GPS.
В набор разработчика входит множество заготовок программ управления для разных условий применения (навигация, стабилизация, ориентация объектов).
Приборы Xsens активно применяются в системах биомеханических измерений, в беспилотных летательных аппаратах, в робототехнике, на малых судах и в других областях.
* * *
В следующей публикации мы рассмотрим наиболее точные на сегодня MEMS-гироскопы и инерциальные измерительные модули, применяемые в авиакосмической и военной технике.
Продолжение следует
Отзывы читателей
