Основні тенденції розвитку сенсорної електроніки

наші дні розвиток сенсорної електроніки безперервно стимулюється успіхами в області фізики напівпровідників і в області технології виробництва нових напівпровідникових структур та об’єднання їх у великі інтегральні схеми (ВІС). За останні роки значно розширилась їх номенклатура та область використання, а також підвищилась точність вимірювання. Цьому сприяв розвиток елементарної бази електронної апаратури, призначення якої - обробка інформації, яка поступає з датчиків. Особливо істотні зміни зазнала техніка обробки сигналів датчиків за останні 20 років у зв’язку з розвитком мікроелектроніки. Однак номенклатура, габаритні та точні параметри датчиків розвиваються повільніше, ніж мікроелектронна апаратура обробки сигналів. Для задоволення постійно зростаючих потреб сучасної техніки потрібні високочутливі швидкодіючі багатофункційні сенсори, працездатні у складних умовах експлуатації: у розширених температурних інтервалах, зокрема при кріогенних температурах, у сильних магнітних полях, при опроміненнях, а також в умовах циклічних, ударних та вібраційних навантажень.

Серед основних вимог до сучасних сенсорних пристроїв можна відзначити: багатофункційність, високу точність перетворення, термостабільність, простоту у застосуванні, мінімальне енергоспоживання при можливості функціонування з низьковольтними джерелами живлення. Забезпечення розглянутих вимог визначається структурними та схемотехнічними рішеннями, розвиток яких за останній період набув значної актуальності. Одним з напрямків розвитку сучасної електроніки насамперед є створення вимірювальних та сенсорних пристроїв на принципах та засобах мікроелектроніки. [1].

Суттєвим досягненням в галузі сенсорної техніки був перехід від аналогових вимірювань до цифрових. Звичайно, електронний вимірювальний прилад має структуру подібну до тої, що зображена на рис. 1.1. Cенсоp, у випадку вимірювання електричної величини (електричний струм або напруга), особливої ролі не відіграє, і досить часто вихідним пристроєм такого сенсорного пристрою є індикатор. Але при використанні подібного приладу в якій-небудь вимірювальній системі часто є потреба у необхідністі обробки сигналів різними електронними схемами. В цифровій вимірювальній техніці, в ідеальному випадку, цифровий сигнал поступає безпосередньо від чутливого елемента сенсора. Але поки що це швидше рідкість, ніж правило. Частіше за все, цей сигнал має аналогову форму, і перед подачею його на аналогово-цифровий перетворювач необхідно здійснити аналогове перетворення. Цифрова техніка, в цьому випадку, використовується, головним чином, у блоці обробки і у вихідному пристрої ( індикаторі ).

Основна перевага використання цифрової техніки в процесі обробки даних – це порівняно проста реалізація операцій високого рівня, які важко здійснюються за допомогою аналогових пристроїв. До таких операцій відносяться: подавлення шумів, підсилення, цифрова фільтрація, перетворення Фур’є, нелінійна обробка, інтегральні перетворення та інші. При цьому функціональне навантаження на чутливий елемент сенсора зменшується і знижуються вимоги до характеристик елемента. Крім того, завдяки цифровій обробці, стає можливим вимірювання досить малих величин.




Важливо відмітити, що одним із етапів розвитку датчиків механічних та теплових величин було функціональне розширення операцій, що виконуються в блоці обробки даних сенсора, шляхом їх дискретування і спрощення операцій нелінійного типу. Адже у напівпровідникових сенсорах температури та деформації лінійність вихідного сигналу відносно вимірюваної фізичної величини досить часто є незадовільною, а завдяки дискретуванню ця проблема частково або повністю вирішується.

В останні роки існує тенденція розвитку інтелектуальних сенсорів, яку можна простежити по напрямках розробок провідних приладобудівних фірм, а також за новими типами приладів, упровадження яких починається на підприємствах. Перспективні розробки ведуться по реалізації в сенсорі функції прогнозування значення вимірюваної величини, поглибленню поточної самодіагностики сенсора і на її базі прогнозуванню в самому сенсорі можливої некоректної його роботи і по складанню рекомендацій з його обслуговування, а також адаптації шкали сенсора до діапазону зміни вимірюваної величини. Створення мініатюрних сенсорів на основі відомих і частково нових методів вимірювань з використанням мініатюрних по розмірах мікропроцесорів дозволяє виготовляти промислове устаткування з убудованими в нього сенсорами і створювати системи автоматичного моніторингу роботи машин і механізмів, що визначають поточне зношення окремих вузлів устаткування і, отже, підвищують надійність його роботи й удосконалюють наявну на підприємствах систему обслуговування і ремонту устаткування.

Розширення видів зв'язку сенсора з контролером. В даний час сенсор зв'язується з контролером або через самостійний провідний канал аналогових сигналів, або через загальну для сенсорів цифрову провідну мережу. У випадку значного віддалення сенсорів від основних засобів системи автоматизації сенсор за допомогою окремих спеціальних засобів телемеханіки може спілкуватися з контролером по радіоканалу. У багатьох фірмах зараз ведуться роботи зі створення безпровідних сенсорів (на основі стандарту Wireless USB), у які вбудовуються блоки короткохвильового радіозв'язку (аналогічними блоками оснащуються і контролери). Передумовами розвитку зазначених типів сенсорів служать з одного боку зниження вартості засобів короткохвильового радіозв'язку і підвищення надійності роботи цих засобів, а з іншого боку виникаюча економія витрат на провідний зв'язок, спрощення монтажу системи і розширення можливих місць установки чутливих елементів.