№11 / 2018 / статья 3

Высокоточные интегральные датчики TE Connectivity

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Невозможно представить современную электронику без интегральных датчиков, которые позволяют определять температуру, влажность, давление, ускорение, положение в пространстве и многие другие параметры. В статье приводится краткий обзор интегральных датчиков температуры, влажности, давления, а также магниторезистивных сенсоров от компании TE Connectivity – одного из лидеров по разнообразию производимой номенклатуры этих изделий.

В рейтинге крупнейших поставщиков интегральных датчиков уверенно лидируют такие гиганты как Bosch, STMicroelectronics, Infineon, ams, Invensense (TDK) и др. В то же время, если выйти за пределы коммерческой электроники, окажется, что именно компания TE Connectivity обладает наиболее развитой номенклатурой производимых датчиков для самых различных областей. При этом речь идет как о простых «монофункциональных» интегральных и механических датчиках, так и о различных комбинациях сенсоров в специализированных корпусных и модульных исполнениях [1]:

  • датчики потока;
  • датчики качества жидкости;
  • тензодатчики;
  • датчики влажности;
  • датчики уровня;
  • оптические датчики;
  • пьезоэлектрические датчики;
  • датчики положения;
  • датчики давления;
  • инерционные датчики;
  • сканеры;
  • датчики температуры;
  • датчики усилия;
  • ультразвуковые датчики;
  • датчики вибрации;
  • датчики уровня воды.

У TE Connectivity нет узкой специализации. В данном случае речь идет о том, что сенсоры, выпускаемые компанией, перекрывают практически весь существующий спектр приложений от авиакосмического и военного оборудования до бытовой техники и измерительных приборов (таблица 1).

Таблица 1. Типы датчиков от TE Connectivity и области их применения [2]

Тип датчика Области применения
Аэро-
косми-
ческие и военные прило-
жения
Бытовая техника Авто-
мати-
зация  и управ-
ление
Авто-
мобильные прило-
жения
Коммер-
ческая электро-
ника
Про-
мыш-
лен-
ность
Транс-
порт
Автома-
тизация зданий
Меди-
цина
Нефте-
газовая отрасль
Измери-
тельная техника
Датчики потока + + + + +
Датчики качества жидкости + + + +
Тензодатчики + + + + + + + +
Датчики влажности + + + + + + + + +
Датчики уровня + + + + + +
Оптические датчики +
Пьезоэлектрические датчики + + + +
Датчики положения + + + + + + + + + + +
Датчики давления + + + + + + + + + + +
Инерционные датчики + + +
Сканеры +
Датчики температуры + + + + + + + + + + +
Датчики усилия + + +
Ультразвуковые датчики + + +
Датчики вибрации + + +
Датчики уровня воды + + +

В настоящее время на сайте TE Connectivity представлено 1686 различных моделей датчиков. Сделать обзор всего модельного ряда в рамках одной публикации представляется затруднительным. По этой причине в статье будут рассмотрены наиболее интересные интегральные продукты от TE Connectivity: прецизионные датчики температуры, датчики влажности, датчики давления, а также магниторезистивные сенсоры.

Прецизионные датчики температуры

Датчики температуры являются наиболее популярным типом сенсоров. Их можно встретить в самых разных приложениях, начиная от смартфонов и заканчивая мощными IGBT-модулями электроприводов. Естественно, что требования к датчикам сильно зависят от особенностей конкретного приложения. Для высокотемпературных приложений применяют термопары, для точных измерений в широком диапазоне температур используют платиновые термисторы, для портативных устройств единственным доступным решением становятся интегральные сенсоры.

В настоящий момент интегральные цифровые датчики набирают популярность из-за малых габаритов, низкой стоимости и простоты использования. В отличие от аналоговых сенсоров, например, термисторов, цифровые датчики скрывают от пользователя аналоговую часть схемы и значительно упрощают жизнь разработчикам. К сожалению, у них есть и недостатки, к которым можно, отнести невысокую точность и ограниченный температурный диапазон. Однако производители не стоят на месте и предлагают все более продвинутые решения. Например, семейства прецизионных температурных датчиков TSYS01 и TSYS02 от TE Connectivity способны обеспечивать точность ±0,1/0,2°С.

Здесь следует сделать краткое отступление, и сказать об особенностях именования продукции TE Connectivity. У большей части продуктов данного производителя имеется как минимум по два наименования, что сильно путает потребителей. Отчасти такое рассогласование объясняется историей развития компании [3]. Дело в том, что при поглощении очередного производителя TE Connectivity (ранее Tyco) оставляла старые наименования и выполняла ребрендинг с новыми названиями. По этой причине, чтобы избежать путаницы, в статье будут указываться по два наименования для каждого датчика, например, G-NICO-018 и TSYS01 – это один и тот же сенсор.

В настоящий момент TE Connectivity предлагает девять моделей датчиков температуры, которые отличаются точностью, разрешением, корпусным исполнением и диапазоном рабочих температур (рисунок 1, таблица 2).

Рис. 1. Внешний вид датчиков TSYS01 и TSYS02

Рис. 1. Внешний вид датчиков TSYS01 и TSYS02

Таблица 2. Характеристики прецизионных датчиков температуры TSYS01 и TSYS02 [2]

Параметры Модель
Наимено-
вание TE
G-NICO-018 G-NIMO-003 G-NIMO-004 G-NIMO-005 G-NIMO-012 G-NIMO-014 G-NIMO-015 G-NIMO-017 G-NICO-023
Наимено-
вание
TSYS01 TSYS02D TSYS02P TSYS02S TSYS02-08D TSYS02-04D TSYS02-12D TSYS02-05-1D TSYS01-1
Тип датчика Цифровой
Диапазон напряжений питания, В 2,2…3,6 2,2…3,6 2,2…3,6 2,2…3,6 2,2…3,6 2,2…3,6 2,2…3,6 1,5…3,6 2,2…3,6
Ток потребления, макс., мкА 12,5 18 18 18 18 18 18 420 12,5
Тип монтажа SMD
Диапазон рабочих темпера-
тур, °C
-40…125 -40…125 -40…125 -40…125 -40…125 -40…125 -40…125 -40…125 -40…125
Целевой диапазон темпера-
тур*, °C
-5…50 -5…50 -5…50 -5…50 -5…50 -5…50 -5…50 -20…70
Разрешение, бит 16/24 16 16 16 16 16 16 16 16/24
Точность, °C ±0,1 ±0,2 ±0,2 ±0,2 ±0,8 ±0,4 ±1,3 ±0,5 ±0,1
Интерфейс I2C, SPI I2C PWM SDM I2C I2C I2C I2C I2C, SPI
Корпус QFN16 TDFN8 TDFN8 TDFN8 TDFN8 TDFN8 TDFN8 TDFN8 QFN16
Габариты, мм 4х4х0,85 2,5х2,5х0,75 2,5х2,5х0,75 2,5х2,5х0,75 2,5х2,5х0,75 2,5х2,5х0,75 2,5х2,5х0,75 2,5х2,5х0,75 4х4х0,85
* – диапазон, в котором обеспечивается заявленная точность.

TSYS01 – цифровые прецизионные датчики температуры, обеспечивающие точность измерения ±0,1°С в диапазоне -5…50°C. Полный рабочий диапазон TSYS01 составляет -40…125°C, но точность измерений падает при повышенных и пониженных температурах.

Модификация TSYS01-01 обеспечивает точность ±0,1°С в расширенном диапазоне температур -20…70°C.

Датчики TSYS01 объединяют аналоговые и цифровые блоки, что максимально упрощает подключение этих сенсоров. Для взаимодействия с TSYS01 может использоваться один из популярных интерфейсов I2C или SPI. Выбор между ними производится с помощью подключения вывода PS. Если PS = 0, то активизируется SPI. Если же PS = 1, то активизируется I2C.

Достижение высокой точности измерений при работе с TSYS01 возможно благодаря двум факторам: наличию высокоразрядного ΔΣ-АЦП с разрешением 24 бита и заводской калибровке. В процессе изготовления датчиков происходит запись калибровочных коэффициентов во внутреннюю энергонезависимую память микросхемы (таблица 3). В дальнейшем пользователь вычитывает их и использует в расчетах.

Таблица 3. Калибровочные данные датчиков TSYS01

Коэффициент Команда Размер, бит Минимальное значение Максимальное значение Пример
k4 0xA2 16 0 65535 28446
k3 0xA4 16 0 65535 24926
k2 0xA6 16 0 65535 36016
k1 0xA8 16 0 65535 32791
k0 0xAA 16 0 65535 40781

В базовой версии TSYS01 вычисление температуры производится по следующей полиномиальной  формуле:

$$T({^\circ}C)=(-2)\times k_{4}\times 10^{-21}\times ADC16^4+4\times k_{3}\times 10^{-16}\times ADC16^3+(-2)\times k_{2}\times 10^{-11}\times ADC16^2+\\+1\times k_{1}\times 10^{-6}\times ADC16+(-1.5)\times k_{0}\times 10^{-2},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где \(ADC16=\frac{ADC24}{256}\) – данные, полученные от датчика.

Например, пусть при измерении было получено \(ADC24=937878708\). \(ADC16=\frac{937878708}{256}=36636.\) Тогда по формуле (1) (с учетом калибровочных коэффициентов взятых из таблицы 3):

$$T=(-2)\times 28446\times 10^{-21}\times 366364+4\times 24926\times 10^{-16}\times 366363+(-2)\times 36016\times 10^{-11}\times 366362+\\+1\times 32791\times 10^{-6}\times 36636+(-1.5)\times 40781\times 10^{-2}=10.59^{\circ}C$$

Хотя расчетная формула (1) оказывается достаточно сложной, она вполне по силам даже 8-битным контроллерам.

Среди достоинств датчиков TSYS01 можно отметить низкое собственное потребление (менее 12,5 мкА) и компактные размеры корпуса 4х4х0,85 мм (QFN16).

Высокая точность и широкий рабочий диапазон делает TSYS01 отличной альтернативой для традиционных термисторов и аналоговых датчиков в таких приложениях как системы климат-контроля, измерительное оборудование, промышленные роботы и т.д.

Семейство термодатчиков TSYS02D объединяет четырех представителей, которые отличаются главным образом точностью:

  • TSYS02D обеспечивает точность измерений ±0,2°С в диапазоне -5…50°C;
  • TSYS02-04D обеспечивает точность измерений ±0,4°С в диапазоне -5…50°C;
  • TSYS02-08D обеспечивает точность измерений ±0,8°С в диапазоне -5…50°C;
  • TSYS02-12D обеспечивает точность измерений ±1,3°С в диапазоне -5…50°C.

Как видно, TSYS02D примерно вдвое уступают TSYS01 по уровню точности измерений.

Как и в случае с TSYS01, полный рабочий диапазон датчиков TSYS02D составляет -40…125°C, но за переделами -5…50°C точность падает (рисунок 2). Например, модель TSYS02D во всем диапазоне рабочих температур -40…125°C обеспечивает точность ±1°С.

Рис. 2. Погрешность измерений датчиков TSYS02

Рис. 2. Погрешность измерений датчиков TSYS02

Для считывания данных с TSYS02D используется традиционный I2C-интерфейс.

В TSYS02 используется 16-битный ΔΣ-АЦП, а процедура расчета температуры оказывается проще, чем для TSYS01:

$$T({^\circ}C)=\frac{ADC16}{2^{16}}\times 175.72-46.85\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Например, если получено значение ADC16 = 26682 (0x683A), то

$$T=\frac{26682}{2^{16}}\times 175.72-46.85=24.69^{\circ}C.$$

По уровню потребления TSYS02D также уступают датчикам TSYS01, 18 мкА против 12,5 мкА, но зато занимают на плате в два с половиной раза меньшую площадь. Габариты корпуса TDFN8 составляют 2,5х2,5х0,75 мм. Таким образом, датчики этого семейства будут востребованы в том же спектре приложений, что и TSYS01, но больше подойдут для портативных приборов с максимально жесткими ограничениями по габаритам.

Отдельно можно упомянуть модель TSYS02-05-1D, которая имеет расширенный диапазон рабочих напряжений 1,5…3,6 В.

Датчики TSYS02P и TSYS02S. У датчика TSYS02D есть два дополнительных исполнения TSYS02P и TSYS02S. Они обладают теми же характеристиками, но отличаются способом передачи данных.

В датчиках TSYS02S на выход напрямую подается буферизированный сигнал от 16-битного ΔΣ-АЦП (рисунок 3). То есть данные представляются в виде модулированной битовой последовательности с частотой 4…65 кГц. Этот сигнал можно пропустить через фильтр нижних частот (ФНЧ), после чего оцифровать с помощью АЦП и использовать для расчетов согласно модифицированной формуле (3):

$$T({^\circ}C)=\frac{V_{SDM}}{V_{DD}}\times 175.72-46.85,\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

где VSDM – напряжение, измеренное на выходе ФНЧ, VDD – напряжение питания.

В качестве ФНЧ может использоваться элементарная RC-цепочка, состоящая из резистора 100 кОм и конденсатора 220 нФ (рекомендованные значения из документации).

Рис. 3. Внешний вид выходного сигнала в датчиках температуры TSYS02S

Рис. 3. Внешний вид выходного сигнала в датчиках температуры TSYS02S

Датчики TSYS02P для передачи результатов измерений используют ШИМ-сигнал с периодом 8,3 мс (около 120 Гц) (рисунок 4). В данном случае для преобразования сигнала удобнее использовать встроенный таймер управляющего контроллера. В таком случае для расчетов подойдет модифицированная формула (4):

$$T({^\circ}C)=\frac{t_{PWM}}{t_{PERIOD}}\times 175.72-46.85,\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

где tPWM – измеренная длительность импульса, tPERIOD – период ШИМ (8,3 мс).

Рис. 4. Внешний вид выходного сигнала в датчиках температуры TSYS02P

Рис. 4. Внешний вид выходного сигнала в датчиках температуры TSYS02P

Для продвижения своих сенсоров TE Connectivity выпускает готовые модули для различных отладочных платформ. Например, MEAS TSYS01 XPLAINED PRO BOARD (наименование для заказа DPP201A000) для платформы XPLAINED от Microchip, или TSYS01 PERIPHERAL MODULE (наименование для заказа DPP201Z000) для платформы Pmod™ от Digilent (рисунок 5).

Рис. 5. Отладочные модули для датчиков TSYS01S

Рис. 5. Отладочные модули для датчиков TSYS01S

Совместно с отладочными модулями TE Connectivity предлагает и примеры программной реализации. Базовый пример представлен в листинге 1.

Листинг 1. Пример базовой программы при работе с TSYS01S

/**
* \file main.c*
* \Пример использования TSYS01
*
* Copyright (c) 2014 Measurement Specialties. All rights reserved.
*
*/
#include <asf.h>
float temperature;
int main (void)
{
 enum tsys01_status status;
 float last_temperature = 0;
 float variation = 0;
 system_init();
 delay_init();
 // Инициализация датчика
 tsys01_init();
 // Установка адреса
 tsys01_set_address(tsys01_i2c_address_csb_0);
 if( !tsys01_is_connected() ) return -1;
 // Сброс TSYS01
 status = tsys01_reset();
 if( status != tsys01_status_ok) return -1;
 // Измерение температуры каждые 500 мс
 while (1) 
 {
  status = tsys01_read_temperature(&temperature);
  if( status != tsys01_status_ok) return -1;
  variation += temperature - last_temperature;
  // Проверка значительного увеличения температуры
  if ( variation >= 0.5 )
  {
   // Если да – включить светодиод
   port_pin_set_output_level(LED_0_PIN, LED_0_ACTIVE);
   variation = 0;
  } 
  else if ( variation <= -0.5 ) 
  {
   // Если нет – выключить светодиод
   port_pin_set_output_level(LED_0_PIN, LED_0_INACTIVE);
   variation = 0;
  }
  delay_ms(500);
  last_temperature = temperature;
 }
}

В листинге 1 предложена достаточно абстрактная реализация без привязки к конкретному микроконтроллеру. Чтобы пример казался более полным можно предложить функцию расчета температуры (листинг 2).

Листинг 2. Пример функции расчета температуры при работе с TSYS01S

float getTemperature(adc24)
{
 float temperature = 0;
 float adc16 = adc24/256;
 //калибровочные коэффициенты C[1]…C[5]
 temperature = (-2) * float(C[1]) / 1000000000000000000000.0f * pow(adc16,4) +
 4 * float(C[2]) / 10000000000000000.0f * pow(adc16,3) +
 (-2) * float(C[3]) / 100000000000.0f * pow(adc16,2) +
 1 * float(C[4]) / 1000000.0f * adc16 +
 (-1.5) * float(C[5]) / 100 ;
 return temperature;
}

В листинге 2 используется стандартная функция pow(x,y), объявленная в библиотеке math.h. Эта функция возвращает значение числа x в степени y:

$$pow(x,y)=x^y.$$

Датчики влажности

Уровень влажности является такой же важной характеристикой окружающей среды, как и температура [4]. Слишком высокая и слишком низкая влажность является негативным фактором с точки зрения здоровья человека. Поддержание адекватного уровня влажности необходимо при хранении промышленных и строительных материалов (цемент, сухие смеси и т.д.), пищевых продуктов (мука, хлеб, и т.д.), приборов и оборудования. Технологические процессы, такие как пайка, химические реакции и многие другие, также должны выполняться при определенной влажности. Таким образом, датчики влажности становятся незаменимым элементом в медицинском оборудовании, системах климат-контроля, промышленных установках, метеостанциях и т.д. Современные технологии позволяют создавать интегральные датчики влажности, которые благодаря низкой стоимости, компактным размерам и малому потреблению легко могут быть использованы даже в портативной электронике, например, в смартфонах, планшетах, игрушках, портативных медицинских приборах и т.д. Примером таких датчиков являются сенсоры HTU20 и HTU21 от TE Connectivity (рисунок 6).

Рис. 6. Датчики HTU20 и HTU21 выпускаются в корпусном исполнении DFN с габаритными размерами 3x3x0,9 мм

Рис. 6. Датчики HTU20 и HTU21 выпускаются в корпусном исполнении DFN с габаритными размерами 3x3x0,9 мм

TE Connectivity выпускает четыре модели интегральных датчиков влажности для поверхностного монтажа на печатную плату. Они отличаются максимальной погрешностью и типом выхода. Как и в случае с другими датчиками от TE Connectivity, все сенсоры имеют по два именования. Например, HTU21D и CAT-HSC0004  – это один и тот же сенсор (таблица 4).

Таблица 4. Характеристики прецизионных датчиков влажности HTU20 и HTU21 [2]

Параметры Модель
Наименование TE HTU21D HTU21P HTU20P HTU20D
Наименование CAT-HSC0004 CAT-HSC0005 CAT-HSC0003 CAT-HSC0002
Тип выхода/интерфейс I2C ШИМ ШИМ I2C
Тип монтажа SMD
Разрешение (влажность), бит 8/10/11/12 10 10 8/10/11/12
Разрешение (температура), бит 11/12/13/14 10 10 11/12/13/14
Диапазон измерений, %RH 0…100
Максимальная погрешность (при 55% RH) ±3 ±3 ±5 ±5
Диапазон напряжений питания, В 1,5…3,6
Ток потребления, макс., мА 0,014
Диапазон рабочих температур, °C -40…125
Габариты, мм 3x3x0,9
Корпус DFN

HTU20D (другое именование CAT-HSC0002) – датчики влажности, обеспечивающие максимальную начальную погрешность ±5% и использующие I2C-интерфейс.

HTU20P (другое именование CAT-HSC0003) – датчики влажности, обеспечивающие максимальную начальную погрешность ±5% и использующие ШИМ-выход для кодирования результатов измерения.

HTU21D (другое именование CAT-HSC0004) – датчики влажности, обеспечивающие максимальную начальную погрешность ±3% и использующие I2C-интерфейс.

HTU21P (другое именование CAT-HSC0005) – датчики влажности, обеспечивающие максимальную начальную погрешность ±3% и использующие ШИМ-выход для кодирования результатов измерения.

Все представленные модели сенсоров имеют встроенный датчик температуры и выпускаются в корпусном исполнении DFN с габаритными размерами 3x3x0,9 мм. Это обеспечивает попарную совместимость между HTU20D и HTU21D, а также между HTU20P и HTU21P.

Все датчики могут напрямую взаимодействовать с управляющим контроллером. В случае если используются HTU20D и HTU21D, потребуется всего пара подтягивающих резисторов для I2C.

После считывания данных с датчика можно определить влажность по формуле:

$$RH=6+125\times \frac{ADC16}{2^{16}},\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

где ADC16 – результат, полученный от датчика.

Например, пусть ADC16 = 0x7C80 (31872), тогда влажность составит 54,8%RH.

При измерении температуры необходимо использовать следующую формулу:

$$T({^\circ}C)=-46.85+175.72\times \frac{ADC16}{2^{16}}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Измерение датчиками с ШИМ-выходом (HTU20P и HTU21P) оказывается не намного сложнее. ШИМ-сигналы, пропорциональные температуре и влажности, мультиплексируются внутри датчика на один вывод SDO. Выбор между измерением температуры и влажности выполняется с помощью управляющего входа SCK. Интересно, что параметры ШИМ идентичны вышерассмотренным датчикам TSYS02P: 10-битный ШИМ с частотой около 120 Гц. ШИМ-сигнал может быть оцифрован с помощью таймера или счетчика, а может быть преобразован с помощью фильтра нижних частот и оцифрован с помощью встроенного АЦП микроконтроллера.

Для вычисления влажности и температуры используются формулы 7 и 8:

$$RH=6+125\times \frac{t_{PWM}}{t_{PERIOD}};\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

$$T({^\circ}C)=-46.85+175.72\times \frac{t_{PWM}}{t_{PERIOD}},\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

где tPWM – измеренная длительность импульса, tPERIOD – период сигнала (8,3 мс).

В таблице 4 указаны значения максимальной начальной погрешности для всех сенсоров. Стоит понимать, что погрешность может увеличиваться при изменении влажности и температуры. В частности для датчиков HTU21D реальный диапазон измерений составляет 5…95%, вне этого диапазона максимальная погрешность достигает 5% (рисунок 7).

Рис. 7. Погрешность датчиков влажности HTU21 и HTU21P

Рис. 7. Погрешность датчиков влажности HTU21 и HTU21P

Благодаря встроенному датчику температуры пользователь может самостоятельно делать коррекцию температурной погрешности в соответствии с формулой 9:

$$RH_{комп}=RH_{изм}-0.15\times (25-T_{изм})\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

При этом стоит помнить, о том, что встроенный датчик температуры также имеет свою погрешность, хотя и незначительную (рисунок 8).

Рис. 8. Погрешность встроенных датчиков температуры для HTU21 и HTU21P

Рис. 8. Погрешность встроенных датчиков температуры для HTU21 и HTU21P

Магниторезистивные датчики

Магниторезистивный эффект заключается в способности материала изменять свое электрическое сопротивление под действием магнитного поля. Данный эффект был обнаружен еще в XIX веке. В настоящее время магниторезистивные датчики используются в качестве датчиков приближения, скорости и положения (рисунок 9).

Рис. 9. Использование магниторезистивных сенсоров в качестве датчиков приближения и скорости вращения

Рис. 9. Использование магниторезистивных сенсоров в качестве датчиков приближения и скорости вращения

В отличие от обычных энкодеров магниторезистивные сенсоры не имеют подвижных механических частей, что гарантирует их длительную и надежную работу. Они нечувствительны к внешним засветам и не боятся пыли, что является их главным преимуществом перед оптическими сенсорами. В настоящее время магниторезистивные сенсоры применяются в промышленных роботах, станках, медицинском оборудовании и в других приложениях.

TE Connectivity предлагает два вида интегральных датчиков для поверхностного монтажа: KMT32B и KMT36H (рисунок 10, таблица 5).

Рис. 10. Внешний вид магниторезистивных датчиков KMT32B

Рис. 10. Внешний вид магниторезистивных датчиков KMT32B

Таблица 5. Характеристики магниторезистивных датчиков KMT32B и KMT36H [2]

Параметры Модель
Наименование TE KMT32B KMT36H
Наименование CAT-MRS0003 CAT-MRS0004
Тип датчика Аналоговый
Диапазон измерений, ° 0…180 0…360
Диапазон рабочих температур, °C -40…150
Корпус SO8, TDFN TDFN

Датчики KMT32B объединяют два магниторезистивных моста, сопротивление которых меняется при приложении изменяющегося магнитного поля. В результате вращения магнитного поля на выходах датчика формируются синусоидальные сигналы, сдвинутые на 45 градусов друг относительно друга. По смещению этих сигналов можно определить скорость вращения и положение магнита в диапазоне 0…180°.

Датчик KMT36H имеет три измерительных моста и встроенную катушку (рисунок 11). Благодаря катушке удается вычислить абсолютное положение магнита в диапазоне 0…360°. Для этого вначале проводятся измерения при прямом смещении катушки, а потом при обратном (рисунок 12).

Рис. 11. Внутренняя структура датчика KMT36H

Рис. 11. Внутренняя структура датчика KMT36H

Таким образом, работа магниторезистивных сенсоров напоминает работу энкодеров. При этом благодаря интегральному исполнению датчики KMT36H и KMT32B позволяют получать надежные, компактные и недорогие решения.

Рис. 12. Схема включения KMT36H и выходные сигналы при наличии вращающегося магнитного поля

Рис. 12. Схема включения KMT36H и выходные сигналы при наличии вращающегося магнитного поля

Датчики давления

Датчики давления используются в метеоприборах, медицинской технике, в дронах и т.д.. В каждом из этих приложений все большую популярность приобретают именно интегральные МЭМС-сенсоры.

TE Connectivity предлагает три интегральных датчика давления (таблица 6):

  • MS5607 – интегральный датчик с максимальным разрешением до 0,024 мбар и встроенным датчиком температуры;
  • MS5611 – интегральный датчик с максимальным разрешением до 0,012 мбар и встроенным датчиком температуры;
  • MS8607 – интегральный датчик с максимальным разрешением до 0,016 мбар, и встроенными датчиками температуры и влажности.

Все сенсоры выпускаются в компактном корпусном исполнении размером 5x3x1 мм (рисунок 13).

Рис. 13. Внешний вид датчиков MS5607, MS5611 и MS8607

Рис. 13. Внешний вид датчиков MS5607, MS5611 и MS8607

Таблица 6. Характеристики датчиков MS5607, MS5611 и MS8607 [2]

Параметры Модель
Наименование MS5607-02BA03 MS5611-01BA03 MS8607-02BA01
Наименование TE CAT-BLPS0035 CAT-BLPS0036 CAT-BLPS0018
Максимальное разрешение, мбар 0,024 0,012 0,016
Разрядность АЦП, бит 24 24 24
Начальная точность, мбар ±1,5 ±1,5 ±4
Диапазон измерений, мбар 10…1200 10…1200 10…2000
Предельное давление, бар 6 6 6
Интерфейс I²C и SPI I²C и SPI I²C
Минимальное потребление, мкА 0,9 0,9 0,63
Пиковое потребление, мА 1,4 1,4 1,25
Диапазон напряжений питания, В 1,8…3,6 1,8…3,6 1,5…3,6
Диапазон рабочих температур, °C -40…85
Габариты, мм 5x3x1

MS5607 и MS5611 построены на базе 24-битного АЦП и, помимо датчика давления, имеют встроенный датчик температуры (рисунок 14). С помощью датчика температуры пользователь может самостоятельно выполнять температурную компенсацию без каких-либо дополнительных сенсоров.

Рис. 14. Внутренняя структура датчиков MS5607 и MS5611

Рис. 14. Внутренняя структура датчиков MS5607 и MS5611

В процессе изготовления MS5607 и MS5611 проходят калибровку. Полученные калибровочные данные хранятся в ПЗУ (таблица 7).

Таблица 7. Калибровочные данные для датчиков MS5607 и MS5611 [2]

Калибровочный коэффициент Описание Тип данных Разрядность Минимальное значение Максимальное значение
C1 Чувствительность датчика давления SENST1 unsigned int 16 16 0 65535
C2 Смещение датчика давления OFFT1 unsigned int 16 16 0 65535
C3 Температурный коэффициент чувствительности датчика давления TCS unsigned int 16 16 0 65535
C4 Температурный коэффициент смещения датчика давления TCO unsigned int 16 16 0 65535
C5 Опорная температура TREF unsigned int 16 16 0 65535
C6 Температурный коэффициент  датчика температуры  TEMPSENS unsigned int 16 16 0 65535

Полный алгоритм измерения при использовании MS5607 и MS5611 состоит из девяти основных шагов:

  1. Сбросить датчик с помощью команды Reset.
  2. Вычитать калибровочные коэффициенты из ПЗУ (см. таблицу 6).
  3. Выполнить измерение давления D
  4. Выполнить измерение температуры D2.
  5. Вычислить отклонение температуры по формуле: \(dT=D_{2}-TREF=D_{2}-C_{5}\times 2\).
  6. Вычислить реальную температуру по формуле: \(TEMP=20^{\circ}C+dT\times TEMPSENS=2000+dT\times \frac{C_{6}}{2^{23}}.\)
  7. Вычислить смещение датчика давления по формуле: \(OFF=OFFT1+TCO\times dT=C_{2}\times 2^{17}+\frac{C_{4}\times dT}{2^6}.\)
  8. Вычислить чувствительность датчика давления по формуле: \(SENS=SENST1+TCS\times dT=C_{1}\times 2^{16}+\frac{C_{3}\times dT}{2^7}.\)
  9. Вычислить актуальное давление по формуле: \(P=D_{1}\times SENS-OFF=\frac{\left(\frac{D_{1}\times SENS}{2^{21}}-OFF \right)}{2^{15}}.\)

Точность измерений можно дополнительно повысить, если учесть нелинейность датчика температуры при низких температурах. Подробнее этот процесс описан в документации.

При работе с датчиком MS8607 алгоритм измерения давления и температуры остается таким же, как и у датчиков MS5607 и MS5611. Однако MS8607 позволяет дополнительно определять уровень влажности. При этом порядок измерения влажности оказывается таким же, как и у сенсоров HTU21D, рассмотренных выше.

Благодаря компактным размерам, датчики MS5607, MS5611 и MS8607 находят применение в портативных приборах, GPS-навигаторах, дронах, метеостанциях и т.д.

Заключение

Интегральные сенсоры позволяют создавать компактные, надежные и недорогие решения. При этом, благодаря развитию технологий, их метрологические характеристики постоянно улучшаются. Доказательством этого являются интегральные датчики от компании TE Connectivity:

  • Прецизионные датчики температуры TSYS01 и TSYS02 с начальной точностью ±0,1°С и ±0,2°С;
  • Датчики влажности HTU20 и HTU21 с начальной погрешностью ±3% и ±5%.
  • Магниторезистивные датчики KMT32B и KMT36H;
  • Датчики давления MS5607, MS5611 и MS8607 с разрешением до 0,014/ 0,012/ 0,016 мбар.

Литература

  1. TE SENSOR SOLUTIONS. Catalog SS-TS-TE100. 09/2016 – TE Connectivity;
  2. te.com;
  3. Георгий Келл. Куда уходят бренды?
  4. Shavinder Singla.Thermal and Humidity Effects on Electronic Equipment.

Наши информационные каналы

О компании TE Connectivity

Продукция TE Connectivity, широко известная на российском рынке под брендом Tyco Electronics, насчитывает более полумиллиона наименований, включающих не только электрические соединители и терминалы, но также реле, изделия для ВОЛС, устройства защиты электрических и сигнальных цепей, сенсорные экраны. Изделия компании используются в производстве потребительской электроники, в электроэнергетике, в медицинской, автомобильной и аэрокосмической электронике, в телекоммуникационной индустрии. На сег ...читать далее