Чувствительные термодатчики широко используются в системах измерения температуры и в целом ряде не менее важных приложений. Как правило, в этих областях применяются инфракрасные и пироэлектрические датчики, но есть и другие решения. Одно из них — отличающиеся малой инерционностью миниатюрные сверхчувствительные бесконтактные датчики температуры серии D6T, серийно выпускаемые компанией Omron по запатентованной МЭМС-технологии. Непосредственно после ее анонсирования журнал «Компоненты и технологии» уже писал о перспективности этой технологии в энергосбережении и автоматизации . Однако время не стоит на месте, линейка датчиков расширилась новыми изделиями, а потому было принято решение еще раз обратиться к данной теме, уделив внимание не столько перспективам, сколько прикладным аспектам применения этой интересной технологии — ведь эти вопросы еще не были освещены на страницах русскоязычных технических журналов.
Датчики серии D6T предназначены для использования в охранных системах как приборы обнаружения присутствия человека или теплокровного животного в зоне контроля и как датчики движения в том числе неживых, излучающих инфракрасные (тепловые) волны объектов, как часть систем противоаварийной и прогнозной противопожарной безопасности, что немаловажно в свете последних событий, а также в системах климат-контроля. Сегодня датчики представлены матричными и одиночными системами, состоящими из фотоприемника (матричные с кремниевыми микролинзами). Непосредственно сами датчики на основе термоэлектрических преобразователей выполнены по МЭМС-технологии, сигнал термоэлектрических преобразователей усиливается малошумящей специализированной аналоговой микросхемой, после чего происходит преобразование измеренной температуры в ее цифровое значение с передачей по стандартному двухпроводному совместимому I2C-интерфейсу. В настоящее время датчики D6T доступны в четырех вариантах плюс один и выпускаются в виде некорпусированных модулей, реализованных на печатной плате (рис. 1).
а) D6T-1A-01/02;
б) D6T-8L-06;
в) D6T-44L-06
Плата содержит все необходимые составляющие части — сам датчик, микросхему первичной обработки сигнала термо-ЭДС и контроллер для формирования данных в цифровой форме в виде стандартного бинарного кода. Плата подключается с помощью одного миниатюрного разъема, через который подается напряжение питания и организовано подключение интерфейса (рис. 2). При необходимости вместе с датчиком можно заказать кабель подключения D6T-HARNESS‑02
Главное отличие приборов серии D6T от обычных пироэлектрических датчиков в том, что они (в матричном варианте исполнения) позволяют определить направление движения, грубую геометрическую форму и температуру объекта с приемлемой точностью и высокой скоростью реакции. Еще одно выгодное отличие рассматриваемых датчиков от пироэлектрических сенсоров, сигнал в которых формируется только при движении объекта, заключается в том, что объект может быть полностью статичен и даже не шевелиться, но все равно будет обнаружен (рис. 3)
а) выход пироэлектрического датчика;
б) выход бесконтактного датчика температуры D6
Это крайне важное преимущество, поскольку применение датчиков серии D6T позволяет распознавать нежелательные изменения среды. Как только какой-либо компонент, например двигатель или привод технологической установки, нагревается выше критического уровня, датчик сразу фиксирует это событие еще до возникновения необратимой ситуации, а программируемый логический контроллер, отвечающий за работу данного оборудования, посылает диспетчеру сигнал аварийного предупреждения о координатах зоны недопустимого, а не общего нагрева или останавливает процесс.
Несмотря на то, что пироэлектрические датчики дешевле, а дальность их действия больше, они в отличие от датчиков серии D6T не могут определить количество и координаты объектов в зоне контроля, а перспективная матрица D6T исполнения 8х8 [9] (к ней мы далее вернемся) способна точно определить, скажем, число людей, находящихся под датчиком, и то, где именно они расположены в поле его «зрения». Для этой цели можно также объединять датчики D6T‑44L‑06 структуры 4х4. Конечно, подобное умеют делать и видеокамеры с системами обработки изображений. Но, во‑первых, это значительно сложнее, а во‑вторых, дорого и не всегда высокое разрешение теплового изображения необходимо, часто важен сам факт с приемлемыми координатами, а не детализация и конкретика объекта.
Сложность бесконтактного измерения температуры объекта, превышающей общий температурный фон, заключается в том, что результат зависит от условий замера. Это, например, очень сильно связано с площадью объекта, и если она ниже площади чувствительности, то измеренное значение будет иметь значительную погрешность. Наиболее восприимчива пиковая точка, или, как мы сказали выше, «поле зрения», — центр области чувствительности. Для ее описания используется такой параметр, как FOV (Field of View — характеристика ограничения видимой зоны обследования для большинства лучевых диагностических методов) — область чувствительности по уровню 50%. Измеренное значение варьируется в зависимости от положения объекта в зоне FOV. Пояснение влияния условий измерения приведено на рис. 4.
Обратите внимание, что область чувствительности датчиков серии D6T более широкая, чем указанная область FOV в их специ-фикации. Как видно на рис. 5, если размеры измеряемого объекта меньше области чувствительности, то на измерения влияет температура фона. Это естественно — занимаемая область относительно FOV уменьшается с увеличением расстояния, и тогда преобладает фоновая температура. Хотя датчик D6T Omron корректирует значение измерения температуры с помощью эталонного источника тепла (черное тело), на величину измерения влияет излучательная способность конкретного материала измеряемого объекта и даже форма поверхности относительно области чувствительности. Что же касается реакции на движения объекта, здесь оценивается его переход между областями FOV в пределах матрицы. Подробно вопросы обнаружения, особенности процесса и сопутствующие ему алгоритмы, связанные с использованием датчиков серии D6T компании Omron, приведены в .
При необходимости визуально оценить рассматриваемые решения можно обратиться к видеоматериалам компании которые демонстрируют возможности датчиков с достаточной для этого детализацией.
Однако возникает законный вопрос, который, хотя и был освещен в , требует более детального рассмотрения. Итак, почему мы говорим про эти датчики, что они выполнены по технологии МЭМС? Как вообще сюда вписываются МЭМС — микроэлектромеханические системы, то есть устройства, по определению объединяющие микроэлектронные и микромеханические компоненты и выходящие за границы обычных микросхем? Дело в том, что температурные сенсоры серии D6T не обычные устройства, в них используют эффект Зеебека, открытый немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 году. Суть эффекта — возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Данный эффект часто называют термоэлектрическим эффектом, а его результат — термо-ЭДС. Термоэлемент создается последовательно соединенными термопарами, состоящими из N+ поликремния, P+ поликремния и алюминия (рис. 6). Можно сказать, что это обратный вариант элементов Пельтье, хорошо знакомых нам по полупроводниковым термоэлектрическим охладителям. Создавая горячие спаи на диэлектрических мембранах с высоким тепловым сопротивлением и имея холодные спаи на кремнии с его высокой теплопроводностью, можно достичь малой инерционности измерительной системы, которая будет достаточно быстро реагировать на изменения температуры, в сочетании с высокой эффективностью преобразования энергии в системе «инфракрасные лучи – температура (нагрев) – термо-ЭДС».
Как уже было сказано, датчики D6T выпускаются в виде матриц двух видов, отличающихся числом и расположением МЭМС-элементов: один ряд из восьми элементов (по факту доступны два варианта исполнения, отличающиеся габаритами печатной платы) или четыре ряда по четыре элемента в каждом, а также два варианта исполнения с одним МЭМС-элементом . В общем виде вариант датчика D6T в исполнении 1х8 приведен на рис. 7.
Примечание. *ASIC (application-specific integrated circuit) — интегральная схема специального назначения
Что касается возможности измерения температур в зависимости от температуры окружающей среды, тут мы имеем картину, представленную на рис. 8 .
У датчиков серии D6T компании Omron подключение стандартное, как и у большинства устройств с интерфейсом I2C. Однако необходимо учитывать, что датчики выводят только измеренное значение. Для практического использования, например для обнаружения и подсчета людей в зоне контроля, необходимо иметь определенное программное обеспечение, которое находится в модуле сопряжения. Модуль имеет микроконтроллер и блоки памяти — постоянной и оперативной. Алгоритм определения должен содержать целевые характеристики и системные ограничения, подробно эти вопросы описаны в . На рис. 9 показано прямое подключение датчика к исполнительному модулю
Примечание. *Номинал резисторов подтяжки R выбирают в пределах 3–10 кОм.
Примеры практического применения приведены на рис. 10 и 11.
Так, на рис. 10 показана система обнаружения неподвижного человека путем оценки температурного различия между его телом и окружающей средой, выполненная на базе датчика D6T‑44L‑06 в виде матрицы 4х4. На рис. 11 — вариант использования датчика D6T‑1A‑02 (одноэлементный, с FOV = 26,5°) в системе кондиционирования воздуха в помещении, здесь узкий угол обзора позволяет отслеживать только температуру целевого объекта, в данном случае поверхности пола. Такая организация контроля температуры во многих сферах применения более прогрессивна, чем оценка лишь температуры воздуха. Она, в частности, чрезвычайно полезна в рефрижераторных установках, где важно быстро достичь заданной величины и контролировать температуру объекта, а не воздуха, который его охлаждает.
для бесконтактного измерения температуры в системе кондиционирования воздуха в помещении
Как уже было сказано, датчики серии D6T компании Omron доступны в четырех вариантах исполнения. Кратко их основные характеристики приведены в таблице.
Для быстрой оценки возможностей датчиков серии D6T в конечных приложениях доступен оценочный комплект. В состав комплекта входит модуль с датчиком и платой сопряжения, в качестве которой используется плата UM232H компании FTDI [5] (рис. 12), USB-кабель для подключения к персональному компьютеру и программное обеспечение на SD-карте, в качестве кабеля подключения к плате сопряжения предусмотрен кабель D6T-HARNESS‑02.
Системные требования к ПК и необходимое дополнительное программное обеспечение приведены в руководстве [7]. По имеющимся данным, доступны два комплекта: D6T-DK01 (для датчика D6T‑8L‑06) и D6T-DK02 (для датчика D6T‑44L‑06). Оба комплекта, в том числе и необходимая документация (в Интернете она недоступна), имеются у официальных дистрибьюторов компании Omron.
В завершение хотелось бы отметить, что еще в мае 2013 года компания Omron анонсировала выпуск датчика с матрицей 16х16 для контроля присутствия людей в зоне слежения и нужд робототехники . Отличием этой версии было широкое поле обзора, не менее 90°, широкий диапазон питающих напряжений 2,7–5,5 В, что обеспечивало совместимость без использования второго источника питания с большинством микроконтроллеров, и последовательный интерфейс SPI. Но главной особенностью стала новая вакуумная технология корпусирования МЭМС-матрицы (рис. 13), что значительно повышало производительность сенсоров. Первые образцы такого датчика были представлены на выставке Nanomicro Biz в Токио. И хотя это решение, по всей видимости, отложено, в силу своей оригинальности оно все же заслуживает упоминания.
Источник: https://sensor-e.ru/temperature/d6t/
🔗 Использование миниатюрных высокочувствительных термодатчиков D6T 44L/D6T 8L компании Omron