ДАТЧИКИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОМПАНИИ OMRON

В статье представлены MEMS-компоненты японской компании Omron, а именно — датчики инфракрасного излучения. Рассказывается об их технических особенностях, принципе действия, преимуществах и возможных областях применения.
Внешний вид датчиков серии D6T
Структура датчиков серии D6T
Введение
Развитие технологий привело к созданию электронных компонентов, в состав которых входит не только электронная часть, но и достаточно сложные механические элементы или даже целые системы. Подобные компоненты называют микроэлектромеханическими системами, или сокращенно — MEMS. MEMS открывают новые возможности для разработчиков, позволяя измерять ускорение, работать с высокочастотными сигналами, определять направление движения, давление, присутствие определенных газов и многие другие параметры. Сравнительно недавно появившись на рынке, MEMS-компоненты стремительно завоевывают популярность. Области их применения и функциональные возможности постоянно расширяются, а вместе с тем снижается стоимость, уменьшаются размеры и наращиваются объемы производства.
Японская компания Omron входит в сообщество производителей MEMS Industry Group, которое объединяет ведущих мировых производителей MEMS-компонентов. MEMS-продукция Omron представлена датчиками расхода газа, датчиками давления, вибраций, наклона, высокочастотными переключателями (с полосой пропускания до 10 ГГц), датчиками температуры. Рынок датчиков и систем измерения температуры всегда отличался высокой конкуренцией, и связано это с тем, что знание температуры объектов крайне важно во многих технологических процессах, в ходе эксплуатации оборудования, а также в работе систем автоматизации. Бесконтактные методы измерения температуры позволяют получать данные о температуре объектов на расстоянии: при непродолжительном времени измерений обеспечивается их высокая точность. Есть, конечно, и проблемы — в области высоких температур нельзя не сказать о влиянии излучательной способности поверхности объекта, появлении спектральных линий газов, влиянии разделяющей среды и т.д. В области измерения низких температур часто приходится иметь дело с необходимостью охлаждения сенсора и очень малыми потоками излучения, которые необходимо зафиксировать (плюс максимум спектральной плотности излучения уходит в инфракрасный диапазон). Из неохлаждаемых приемников наиболее популярны в настоящее время резистивные (микроболометрические датчики на основе аморфного кремния), пироэлектрические и термопарные датчики.

Инфракрасные датчики D6T
Инфракрасные микротермопарные датчики — новинки ассортимента MEMS-продуктов Omron. На данный момент в семейство MEMS-датчиков температуры Omron входят две модели датчиков инфракрасного излучения серии D6T: – D6T-44L-06 — матрица датчиков 4×4; – D6T-8L-06 — линейка датчиков 1×8. Датчики ориентированы на применение в системах: – домашней автоматики (управление освещением, холодильные установки, микроволновые печи, кондици- онеры); – автоматизации зданий (оптимизация энергопотребления); – охранной и пожарной сигнализации; – учета посетителей; – формирования медицинских изображений. Основным объектом измерения или детектирования практически во всех названных областях является человек. Соответственно, характеристики датчиков оптимизированы на измерение температуры в достаточно узком, но наиболее актуальном диапазоне температур: 5...50°С. Рабочий температурный диапазон датчиков D6T составляет 0…50°С; напряжение питания: 4,5…5 В; потребляемый ток — до 5 мА; точность измерений — 1,5°; интерфейс — I2C.

Структура D6T
Датчики D6T поставляются в виде небольших печатных плат размерами 14×18 мм, на которых установлен герметичный корпус с самим датчиком, интерфейсный контроллер и разъемы для подключения. Сам датчик состоит из кремниевой линзы, фокусирующей тепловое излучение на массив чувствительных термопарных ячеек, специализированной схемы, осуществляющей обработку сигналов чувствительных ячеек, внешнего интерфейсного контроллера, обеспечивающего общее управление датчиком и связь с внешними устройствами. Чувствительные ячейки в модели датчика D6T-44L-06 организованы в виде матрицы 4×4, в модели D6T-8L-06 присутствует линейка из восьми таких ячеек. Сама чувствительная ячейка имеет размер 0,8×0,8 мм и состоит из набора микротермопар, соединенных последовательно между собой. Микротермопары образованы алюминиевыми проводниками, кремнием с n-легированием, p-легированием и поликремнием. Так называемый горячий спай термопар расположен над полостью в подложке ячейки и защищен материалом с малой теплопроводностью. холодный спай имеет хороший тепловой контакт с подложкой ячейки и корпусом датчика. Холодный спай имеет температуру окружающей среды, а температура горячего спая зависит от интенсивности потока теплового излучения, сфокусированного линзой на ячейку. Данное конструктивное решение позволяет достичь весьма быстрого отклика ячейки на резкое изменение потока теплового излучения. В отличие от конструкции многих термопарных датчиков, конструкция подложки ячейки выполнена таким образом, что полость под горячим спаем образует подобие линзы, фокусирующей прошедшее излучение обратно на чувствительную область. Это позволяет повысить долю излучения, улавливаемую датчиком, и в конечном счете — повысить уровень полезного сигнала. Сигнал с ячеек поступает на специализированную схему, производящую его усиление, обработку и передачу на интерфейсный контроллер. Благодаря взаимному расположению ячеек и наличию фокусирующей линзы перекрытие полей зрения ячеек мало, и в ряде случаев им можно пренебречь или учесть путем последующей обработки данных (см. рис. 4, 5). Матрица ячеек позволяет получать информацию о распределении температуры по площади, охватываемой полем зрения датчика. Это позволяет, к примеру, определить положение человека (или нескольких людей) в контролируемом помещении, тепловые ано- малии оборудования, места локальных перегревов. Высокая скорость реакции датчика позволяет также отслеживать перемещение объектов или изменение их температуры. D6T, в отличие от многих инфракрасных датчиков, имеет цифровой выход, что избавляет разработчика от необходимости оцифровки и предварительной обработки сигнала. Как уже отмечалось, D6T имеет I2C-интерфейс, что позволяет подключать его практически к любому контроллеру как с имеющимся аппаратным I2C-интерфейсом, так и с эмулируемым программно. Так, для подключения к контроллерам, имеющим 5-В питание, достаточно подтягивающих резисторов на линии SDA, SCL, подключенных к питающей шине. Аналогичная ситуация возникает и в случае, если контроллер питается от напряжения 3…3,6 В, но его порты допускают работу с сигналами до 5 В (так называемые 5-В толерантные порты). В общем случае между контроллером с низковольтным питанием (1,8-В или 3-В эшелон) и D6T необходима микросхема сдвига уровней. При программной реализации I2C-интерфейса на контроллере достаточно хотя бы одной линии с режимами работы на вход, выход и с Z-состоянием (линия данных) и одной выходной линии (для тактового сигнала). Обмен по шине идет по стандартному I2C-протоколу со скоростью до 100 Кбит/с. Датчик является подчиненным устройством I2C-шины (slave) имеет 7-разрядный адрес 0b0001010x (адрес при обращении на запись 0х14, на чтение 0х15). Данные выдаются побайтно, старшим битом вперед. Вот какова последовательность транзакций на I2C для получения данных: – ведущее устройство генерирует условие старта I2C; – датчику передается команда на чтение данных (передаются адрес 0х14, ожидается подтверждение приема от датчика (ACK), передается код команды — 0х4С); – повторяется условие старта; – передается адрес 0х15; – считываются два байта, соответствующие собственной температуре датчика; – побайтно считываются данные ячеек — на каждую ячейку по 2 байта, младший байт передается первым (16 последовательных чтений для модели D6T-8L, и 32 для D6T-44L); – передается байт контрольной суммы (PEC); – генерируется условие останова на I2C. Двухбайтное значение, полученное от ячейки, соответствует температуре (в градусах цельсия), умноженной на 10. Например, с ячейки считано значение 362, значит температура поверхности, попавшей в ее поле зрения, эквивалентна 36,2°С. Важно помнить, что полученное значение температуры будет точно соответствовать температуре объекта только в том случае, если объект полностью занимает поле зрения ячейки (равен или больше его). В противном случае в поле зрения ячейки попадет и объект, и фон, и преобразование даст некоторый усреднен- ный результат, который зависит от соотношения площадей поверхности объекта и фона. Следует также учитывать особенности излучательной способности поверхностей детектируемых объектов в ИК-области спектра (для длин волн более 1,5…2 мкм). Так, тепловое излучение кожи человека в этом диапазоне с хорошей точностью соответствует модели абсолютно черного тела.
Пример кода функций для считывания показаний с датчика модели D6T-8L:
// I2C communication functions
extern void I2C_start(); // Send Start condition
extern void I2C_repeatstart(); // Send Repeat Start condition
extern void I2C_stop(); // Send Stop condition
extern void I2C_send1( char addr8 , char cmd ); // Send 1 byte
extern void I2C_getx( char addr8 , char buff[] , int length ); // Get n bytes
extern int D6T_checkPEC( char buf , int pPEC );
// Global var.
extern char readbuff[35];
extern int tPTAT;
extern int tP[16];
extern int tPEC;
int D6T_getvalue()
{
I2C_start();
I2C_send1( 0x14 , 0x4C ); // 14h = { 0Ah(Addr7) :
Write(0b) }
I2C_repeatstart();
I2C_getx( 0x15 , readbuff , 19 ); // 15h = { 0Ah(Addr7) :
Read(1b) } , 19 = 2*(1+8)+1
I2C_stop();
If(!D6T_checkPEC(readbuff,18)){
return -1; // error
}
tPTAT = readbuff[1]<<8 + readbuff[0]; // получаем собственную температуру
tP[0] = readbuff[3]<<8 + readbuff[2]; // температура первой ячейки
tP[1] = readbuff[5]<<8 + readbuff[4]; // температура второй ячейки
tP[2] = readbuff[7]<<8 + readbuff[6]; // ....
tP[3] = readbuff[9]<<8 + readbuff[8];
tP[4] = readbuff[11]<<8 + readbuff[10];
tP[5] = readbuff[13]<<8 + readbuff[12];
tP[6] = readbuff[15]<<8 + readbuff[14];
tP[7] = readbuff[17]<<8 + readbuff[16]; // температура восьмой ячейки
tPEC = readbuff[18]; // контрольная сумма
return 1;
}
Вычисление контрольной суммы соответствует алгоритму в спецификации шины SMBus. При помощи простой отладочной платы UM232H преобразователя интерфейсов от Future Technology Devices International Ltd можно подключить датчик D6T напрямую к персональному компьютеру.

Заключение
Датчики серии D6T являются достаточно простыми в эксплуатации. цифровой выход датчиков позволяет легко интегрировать системы управления, автоматизации или мониторинга. Предусмотрена и возможность применения данных датчиков в составе самостоятельных приборов. Большим преимуществом микротермопарных датчиков D6T перед их пирометрическими аналогами является возможность детектирования сигналов от неподвижных объектов. Пирометрические датчики реагируют только на изменение сигнала (движение объекта через поле зрения), или им необходима дополнительная модуляция (например, периодическое механическое перекрывание поля зрения датчика).
Возможные области применения датчиков:
тестирование оборудования, выявление и отслеживание температуры узлов печатных плат или модулей; в системах управления энергопотреблением — для выявления работающих, но неиспользуемых в данное время приборов; в системах управления освещением и климатом домашних, производственных и коммерческих помещений; в системах охраны и пожарообнаружения — для выявления присутствия и перемещения людей в помещении, локализации мест с аномально высокой температурой; мониторинг состояния и перемещения пациентов.