Intelligenta sensorer minskar trafiken av mätvärden i styr- och reglersystem

Intelligenta sensorer ger lägre kostnader i styr- och reglersystemen.

Men för att kallas intelligent måste givaren innehålla signalkonditionering, logik och ett bussgränssnitt, förutom själva sensorelementet.

Elektronikindustrin strävar ständigt efter att krympa konstruktionerna så att de får plats i en enda integrerad krets. Samma förhållande gäller för sensortillverkarna, även om förutsättningarna är lite annorlunda.

En integrerad sensor ska förutom ett eller flera sensorelement också innehålla delar för kompensering av exempelvis temperaturdrift, självkalibrering, signalkonditionering, lokal intelligens och ett dubbelriktat gränssnitt mot omvärlden på samma kiselbricka. Och detta till ett så lågt pris som möjligt.

Men den kapslade sensorn ska inte nödvändigtvis vara så liten som möjligt. Orsaken är att sensorer ofta används i industrimiljö. En allt för liten komponent blir svår att hantera och besvärlig att ansluta kablar till.

Precis som nätverk av persondatorer i de flesta fall slagit ut stordatorerna kan givare med inbyggd intelligens förändra styr- och reglersystemen.

Paradigmskifte

Genom att ha intelligens i varje nod kan en smart sensor direkt fatta beslut om vilken åtgärd som behövs. Behovet av att skicka alla mätdata till en central minskar liksom behovet av att sända tillbaka styrsignaler. Dessutom blir systemen driftsäkrare med decentraliserad intelligens.

Men distribuerad intelligens passar inte för alla typer av system. I fordon används mycket sensorer men här dominerar enkla, analoga sensorer kopplade till en central processor.

Däremot kan intelligenta givare bidra till att öka effektiviteten inom industrin och på kontor. Det kan ske genom att systemkostnaderna minskar när intelligensen sprids ut i nätet.

Driftskostnaderna blir lägre när givaren är självkalibrerande, kan konfigureras via programvara och kan övervakas via nätet den är ansluten till.

Dessutom går det snabbare att konstruera ett styr- och reglersystem när givarna kan betraktas som ett digitalt byggblock med tvåvägskommunikation.

Tre typer

Det finns tre typer av sensorer idag: analoga, digitala och intelligenta. De analoga sensorerna omvandlar mätstorheten till en analog utsignal. Kalibreringen görs manuellt med exempelvis kondensatorer eller resistanser och sensorn är inte stabil över tiden.

De digitala sensorerna omvandlar mätstorheten till en digital utsignal. Kalibreringen är i digital form men måste oftast göras manuellt. En del sensorer kan också innehålla elektronik för signalkonditionering.

En smart sensor är en kombination av ett eller flera sensorelement och olika logiska funktioner. För att bli billig måste alla funktioner integreras på samma chips. Ett lämpligt material är kisel, som är ett av det mest utforskade grundämnena. Dessutom är processtekniken för kisel väl beprövad och har högt utbyte.

Genom att kombinera olika processtekniker som bipolärt, CMOS, tunnfilmsteknik, mikromekanik och bondning kan de olika delarna i en intelligent sensor integreras på samma kiselbricka.

För att lyckas som tillverkare behövs således kunskap om sensorer, kapsling, analog- och digitalkonstruktion.

Per Henricsson

Artikeln bygger på ett föredrag av Dean Walters från Motorola.