Тенденции развития ис
В настоящее время основная погрешность средств контроля и диагностирования по любому параметру мехатронных и робототехнических систем определяется погрешностью работы датчиков, так как современные средства передачи и обработки информации имеют существенно более высокую точность, чем датчики. Поэтому дальнейшее развитие ИС в значительной мере определяется направлениями совершенствования именно датчиков.
Современными тенденциями развития датчиков являются повышение точности, расширение динамического диапазона измеряемых величин и диапазона рабочих температур, увеличение помехоустойчивости, надежности, быстродействия, увеличение дистанционности измерений, надежности и ресурса работы, снижение энергопотребления, массы и габаритов, расширение унификации и стандартизации по посадочным размерам, выходным сигналам, схемам внешних соединений, снижение затрат на обслуживание и эксплуатацию. Особенно перспективными по метрологическим и эксплуатационным характеристикам считаются датчики, создаваемые на базе технологии микросистем с активным использованием третьего измерения с учетом интеграции электрических и оптических связей с механическими.
Успехи в совершенствовании датчиков за последние 20 лет достигнуты в основном за счет использования специальных материалов, технологий их получения и обработки. К настоящему времени принято подразделять материалы для датчиков на конструкционные, функциональные и интеллектуальные. Последние характеризуются способностью адаптивно изменять свои свойства под действием различных факторов окружающей среды и управляющих воздействий и восстанавливать свойства после прекращения их действия. По сути дела – это композиты, составляющими которых могут быть сплавы с памятью формы, магнитострикционные сплавы, магнитные и вязкие жидкости, электролюминесцентные материалы, пьезоэлектрики, бифункциональные сополимеры, электропроводящие полимеры. На основе интеллектуальных материалов уже реализуются изделия, состоящие из слоев в один или несколько атомов, выполняющие функции датчика, процессора и исполнительного органа.
Перспективные разработки датчиков для различных видов техники особенно космического и военного назначения базируются на критических технологиях. Это:
• системы искусственного интеллекта и виртуальной реальности;
• системы математического моделирования;
• микросистемная технология;
• лазерные технологии;
• прецизионные технологии;
• электронно-ионно-плазменные технологии;
• создание материалов со специальными свойствами.
Одной из важных тенденций развития ИС сложных технических устройств является децентрализация управления, т. е. передача части функций центральной системы управления локальным блокам и модулям. В соответствии с этим и ИС таких устройств также будут децентрализованными. Например, силовой интеллектуальный модуль движения мехатронной системы может иметь в своем составе датчики скорости вращения, угла поворота вала двигателя, момента на валу, температуры, значений токов и напряжений в отдельных цепях, усилители и преобразователи измерительных сигналов датчиков, локальный процессор и т. п.
Такая локальная ИС обеспечивает функционирование своего модуля и обменивается с центральной информационной системой лишь необходимой информацией (в большинстве случаев это получение задания, сообщение о его выполнении или о непредвиденных ситуациях, с которыми локальная система управления самостоятельно справиться не может). По сравнению с полностью централизованными системами распределенные управляющие и информационные системы обладают большей гибкостью, более высокой надежностью (отказ отдельного блока может не оказать влияния на работу всей системы в целом), более высоким быстродействием (особенно при наличии протяженных каналов связи). Кстати, и в разработках интеллектуальных мобильных роботов все шире прослеживается тенденция к всё более широкому использованию иерархических структур ИС и систем управления
МЭМС-датчики.
С середины 90-х годов прошлого века
началось развитие средств измерения
на основе микроэлектромеханических
систем (МЭМС) [17]. МЭМС - технологии и
устройства, объединяющие в себе
микроэлектронные и микромеханические
компоненты. МЭМС-устройства обычно
изготавливают на кремниевой подложке
с помощью технологий, аналогичных
технологиям изготовления однокристальных
микросхем.
Типичные размеры микромеханических
элементов лежат в диапазоне от 1 до
100 мкм, а размеры самого кристалла
МЭМС-микросхемы - от 20 мкм до одного
миллиметра. Обычно МЭМС делят на два
типа: сенсоры – измерительные устройства,
которые переводят те или иные физические
воздействия в электрический сигнал, и
актюаторы - исполнительные устройства. Среди
МЭМС-сенсоров наибольшее распространение
получили датчики движения - акселерометры
и гироскопы. Под действием измеряемого
ускорения подпружиненный грузик в
МЭМС-акселерометре перемещается и
изменяет емкость миниатюрных конденсаторов
(в емкостных акселерометрах) или давит
на миниатюрные пьезокристаллы (в
пьезоэлектрических конструкция) (рис.
4.25, 4.26). С некоторыми параметрами
МЭМС-датчиков можно ознакомиться на
примере акселерометра типа ADXL193: диапазон
измерения ускорений ±250 g,
чувствительность 8 мВ/g,
частотный диапазон – до 400 Гц, погрешность
5%, выход аналоговый, напряжение питания
4,75-5,25 В, потребляемый ток 1,5 мА, рабочий
диапазон температур -40...+125ОС, цена
$6,7.
Гироскопические
МЭМС-датчики изготавливаются как
однокоординатные, так и трехкоординатные,
причем отдельные элементы таких датчиков
имеют размеры около 3 мкм (рис. 4.27).
Способность гироскопов измерять
угловые скорости поворота вокруг одной
или нескольких осей представляет собой
естественное дополнение к МЕМС-акселерометрам.
Благодаря комбинации акселерометров
и гироскопов появляется возможность
отследить движение объекта в трехмерном
пространстве. Это позволяет разработчикам
аппаратуры создавать более совершенные
пользовательские интерфейсы, высокоточные
навигационные системы и многое другое.
Достоинствами МЭМС-датчиков являются: миниатюрные размеры, низкое энергопотребление, невысокая стоимость, технологическая совместимость с электронными компонентами, осуществляющими обработку измерительной информации, высокая надежность. Монокристаллический кремний, используемый для изготовления МЭМС, является почти идеальным упругим материалом: у него отсутствует пластическая деформация, он выдерживает огромное количество циклов нагружение-разгружение при предельных нагрузках.
Область применения МЭМС-датчиков в настоящее время чрезвычайно широка. Первым рынком, на котором оказались востребованными такие датчики, стал рынок автомобильной электроники. Размер датчиков играл для него второстепенную роль, гораздо важнее были надежность и устойчивость к неблагоприятным воздействиям. Сегодня производится несколько сотен видов МЭМС-датчиков специально для транспортных средств. Они делают автомобили экологичнее, безопаснее, экономичнее и комфортнее. В современном автомобиле установлено до 100 подобных датчиков, и их число постоянно растет.
В бытовой мобильной электронике MEMS-датчики обеспечивают надежное и удобное использование таких устройств как смартфоны и ноутбуки. Здесь основные требования – миниатюрность и минимум потребляемой энергии. Но, что важнее всего, они должны быть рентабельными при серийном изготовлении миллионов единиц. Сегодня размеры самых миниатюрных MEMS-датчиков, например, фирмы Bosch, составляют всего 2 мм в длину и менее 1 мм в высоту, а их энергопотребление в режиме ожидания даже ниже саморазряда батареи. MEMS-датчики ускорения позволяют управлять устройствами с помощью движений рук, менять ориентацию экрана, предотвращают потерю данных на жестких дисках при падении ноутбука и т. п.
Одним из важнейших направлений использования МЭМС-технологий является медицина. Например, миниатюрные МЭМС-датчики давления могут встраиваться непосредственно внутрь кровеносных сосудов и непрерывно передавать значения кровяного давления больного.
MEMS-датчики, устанавливаемые на современных летательных аппаратах, обеспечивают надежное и точное измерение таких величин как давление, ускорение, значения углов крена, рысканья, тангажа, скорости воздушного потока, направления магнитного поля Земли. МЭМС-гироскопы надежно измеряют угловую скорость поворота объектов даже в условиях воздействия сильных ударов и вибраций в широком динамическом диапазоне.