Обикновен срещу интелигентен

Обикновеният сензор дава аналогов сигнал и толкова. Интелигентният (smart) събира на един чип:

• чувствителния елемент (често MEMS);
• нормализиране – усилвател и филтър;
• АЦП;
• микропроцесор;
• памет с калибровъчните коефициенти и идентификация;
• комуникация – I²C, SPI, понякога безжична.

На изхода има готово число в единици, а не миливолтове. Често има и часовник за реално време за регистриране на данните.

Какво може повече:

1. самотест, самокалибриране, самодиагностика – проверява се сам и казва, ако нещо не е наред;
2. сливане на данни – мери няколко величини и ги комбинира (барометърът мери и температура, за да се коригира; IMU слива жироскоп и акселерометър, тема 9);
3. висока прецизност – софтуерна корекция и по-малко шум;
4. надеждност и ниска цена на системата – по-малко външни части;
5. програмируем обхват и скорост; изход сериен, паралелен, честотен или импулсен.

Цената е, че е по-сложен и по-скъп, а функциите му са зададени предварително. Когато трябва пълен контрол над сигнала, пак се взима обикновен сензор.

Корекцията по температура

Суровият елемент на нашия сензор за налягане има офсет и чувствителност, които плават с температурата. Във фабриката всеки чип се мери при няколко температури, а коефициентите се записват в паметта му. После вграденият термометър казва при каква температура е и микроконтролерът изчислява обратно.

Истинското налягане е 100 kPa, а чипът е на ↔ дръпни60 °C. Суровият елемент показва 97,95 kPa (грешка −2,05), а интелигентният сензор – 99,94 kPa (грешка −0,0635).

Самокалибриране

Грешката при 100 kPa

суров елемент интелигентен сензор

температура

60 °C

Фигура 1.

Жълтото е суровият елемент: при 25 °C греши с около 2,5 kPa (офсет и наклон), а при студ и жега – още повече. Зеленото е след корекцията: почти нула навсякъде. Остава само малка част, колкото е неточно самото фабрично калибриране. Без вградения термометър корекцията нямаше да е възможна – това е най-простото сливане на данни.

Усредняване: шумът пада с √N

Всяко отделно мерене е шумно. Микроконтролерът може да вземе N отчета и да върне средното. Случайният шум се усреднява: отклонението пада √N пъти. 4 отчета дават двойно по-малко шум, 16 – четири пъти. Цената е време и енергия: 16 отчета траят 16 пъти по-дълго.

Сензорът усреднява ↔ дръпни16 отчета: шумът пада от 0,4 на 0,1 kPa.

Шумът и усредняването

Измереният шум на средното

измерено σ/√N

N

16

Фигура 2.

Точките са измерени: 400 пъти по N шумни отчета, и колко се разпръсва средното. Пунктирът е σ/√N. Всяко удвояване на N сваля шума само с √2 ≈ 1,41 пъти. Затова барометрите имат режими „ниска мощност“ (1–2 отчета) и „висока точност“ (16 отчета и повече).

Пазарът и IoT

Интелигентните сензори са основата на IoT:

• носими устройства и медицина (гъвкави сензори);
• умен дом и умни сгради (климатизация, BMS);
• умни градове, транспорт и интелигентна енергийна мрежа (smart grid);
• прецизно земеделие, мониторинг на средата и интелигентно производство (CNC, машинно зрение).

Пазарът им расте с около 18,6 % годишно (2020–2027). Колите са около една четвърт от него, а над половината сензори са MEMS. Най-бързо растат NEMS.

Самопроверка

1. Кои са частите на интелигентния сензор?

Чувствителен елемент, обработка на сигнала (усилвател, АЦП), микропроцесор, памет, комуникационен модул и захранване.

2. Защо интелигентният сензор за налягане мери и температура?

Офсетът и чувствителността на елемента зависят от температурата; с измерената температура и фабричните коефициенти микроконтролерът ги коригира.

3. С колко пада шумът, ако усредним 64 отчета?

√64 = 8 пъти.

4. Кога е по-добре обикновен сензор?

Когато трябва пълен контрол над аналоговия сигнал, много висока скорост или функция, която вграденият софтуер не дава; или когато цената на отделния сензор е решаваща.