датчики температуры серии D6T

Использование миниатюрных высокочувствительных термодатчиков D6T 44L/D6T 8L компании Omron

PDF версия
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 [1]. 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 [2] плюс один [7] и выпускаются в виде некорпусированных модулей, реализованных на печатной плате (рис. 1).

Миниатюрные бесконтактные температурные МЭМС-датчики серии D6T компании Omron: а) D6T-1A-01/02; б) D6T-8L-06; в) D6T-44L-06

Рис. 1. Миниатюрные бесконтактные температурные МЭМС-датчики серии D6T компании Omron:
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 [2].

Подключение миниатюрных бесконтактных температурных МЭМС-датчиков серии D6T компании Omron: VCC — шина питания; SDA — шина данных I2C; SCL — синхронизация; GND — общий

Рис. 2. Подключение миниатюрных бесконтактных температурных МЭМС-датчиков серии D6T компании Omron: VCC — шина питания; SDA — шина данных I2C; SCL — синхронизация; GND — общий

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) [3].

Разница между пироэлектрическим и бесконтактным датчиком температуры: а) выход пироэлектрического датчика; б) выход бесконтактного датчика температуры D6T

Рис. 3. Разница между пироэлектрическим и бесконтактным датчиком температуры:
а) выход пироэлектрического датчика;
б) выход бесконтактного датчика температуры D6T

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.

Влияние условий измерения на полученный результа

Рис. 4. Влияние условий измерения на полученный результат

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 [3].

Влияние расстояния на результаты измерения

Рис. 5. Влияние расстояния на результаты измерения

При необходимости визуально оценить рассматриваемые решения можно обратиться к видеоматериалам компании [4, 5], которые демонстрируют возможности датчиков с достаточной для этого детализацией.

Однако возникает законный вопрос, который, хотя и был освещен в [1], 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».

Поперечное сечение ячейки измерения температуры МЭМС-датчиков серии D6T компании Omron

Рис. 6. Поперечное сечение ячейки измерения температуры МЭМС-датчиков серии D6T компании Omron

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 [2]. В общем виде вариант датчика D6T в исполнении 1х8 приведен на рис. 7.

Основные компоненты датчика серии D6T компании Omron и их назначение Примечание. *ASIC (application-specific integrated circuit) — интегральная схема специального назначения.

Рис. 7. Основные компоненты датчика серии D6T компании Omron и их назначение
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 [2].

Диапазон температур, измеряемых датчиком при различных температурах окружающей среды, и точки контроля погрешности

Рис. 8. Диапазон температур, измеряемых датчиком при различных температурах окружающей среды, и точки контроля погрешности

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 [3]. На рис. 9 показано прямое подключение датчика к исполнительному модулю.

Прямое подключение микроконтроллера к порту I2C Примечание. *Номинал резисторов подтяжки R выбирают в пределах 3–10 кОм.

Рис. 9. Прямое подключение микроконтроллера к порту I2C
Примечание. *Номинал резисторов подтяжки R выбирают в пределах 3–10 кОм.

Примеры практического применения приведены на рис. 10 и 11.

Обнаружение человека через различие между температурой тела человека и температурой окружающей среды

Рис. 10. Обнаружение человека через различие между температурой тела человека и температурой окружающей среды

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.

Пример использования одноэлементного датчика D6T-1A-02 (FOV = 26,5°) для бесконтактного измерения температуры в системе кондиционирования воздуха в помещении

Рис. 11. Пример использования одноэлементного датчика D6T-1A-02 (FOV = 26,5°)
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 [1, 7].

Таблица. Основные технические характеристики температурных датчиков серии D6T компании Omron

Наименование параметра

D6T-44L-06

D6T-8L-09 (D6T-8L-06)

D6T-1A-01

D6T-1A-02

Организация

4×4

1×8

1×1

Напряжение питания

(5 ±0,5) В

Ток потребления

5 мА (тип.)

3,5 мА (тип.)

Коммуникационный интерфейс

Цифровой, I2C

Выводимые данные

Цифровые значения, соответствующие температуре объекта (Tx) и температуре окружающей среды (Ta) в двоичном коде, десять отсчетов на 1 °C

Температурное разрешение (NETD)1

0,06 °C

0,03 (0,05) °C

0,02 °C

0,06 °C

Диапазон рабочих температур

0…+50 °C

0…+60 (0…+50) °C

0…+60 °C

–40…+80 °C

Диапазон температур объекта

+5…+50 °C

+5…+50 °C

+5…+50 °C

–40…+80 °C

Углы обзора

По X

44,2°

54,5°

58°

26,5°

По Y

45,7°

5,5°

58°

26,5°

Зона обнаружения/
расстояние от датчика до объекта

1 м

X = 80 см

Y = 85 см

X = 105 см

Y = 10 см

X = 105 см

Y = 105 см

X = 47 см

Y = 47 см

2 м

X = 160 см

Y = 170 см

X = 205 см

Y = 20 см

X = 210 см

Y = 210 см

X = 95 см

Y = 95 см

3 м

X = 245 см

Y = 255 см

X = 310 см

Y = 30 см

X = 310 см

Y = 310 см

X = 140 см

Y = 140 см

Погрешность
измерения
температуры2

Точность 1

±1,5 °C (max)

Точка 1: Tx = +25 °C, Ta = +25 °C

Точка 2: Tx = +45 °C, Ta = +25 °C

Точка 3: Tx = +45 °C, Ta = +45 °C

Точность 2

±3 °C (max)

Точка 4: Tx = +25°C, Ta = +45°C

Габаритные размеры (Д×Ш×В), мм

18×14×9,15

12×11,6×9,72 (18×14×10,71)

12×11,6×9,19

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 [2].

Плата сопряжения UM232H компании FTDI

Рис. 12. Плата сопряжения UM232H компании FTDI

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.

Перспективный датчик серии D6T с матрицей 16×16, выполненной методом вакуумного корпусирования

Рис. 13. Перспективный датчик серии D6T с матрицей 16×16, выполненной методом вакуумного корпусирования

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 [8]. 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.

Литература
  1. Сысоева  С. Технологии тепловых датчиков Omron: новый вклад МЭМС в энергосбережение и автоматизацию // Компоненты и технологии. 2013. № 1.
  2. MEMS Thermal Sensors D6T, OMRON Corporation. 
  3. Application Note 01. Usage of D6T-44L/-8L/-1A Thermal sensor, OMRON Corporation. Rev 3.0, 21 July, 2015. 
  4. Презентация. 
  5. Как датчик движения. 
  6. Future Technology Devices International Ltd UM232H Single Channel USB Hi-Speed FT232H Development Module. Datasheet, Version 1.4, 2017-11-08. 
  7. 4х4 Thermal Sensor Demonstration Kit D6T-DK02. User’s Manual, OMRON Corporation
  8. www.components.omron.eu/Products-BySubCategory/MEMS—Sensors/Thermal—Sensors
  9. www.omron.com/media/press/2013/05/e0529.html

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

?>