Bob Scannell, Analog Devices
להתפתחויות האחרונות בחיישנים היכולת להקנות שיפורים מהפכניים בתכנון מערכות תעשייתיות. יישומים בהם חיישנים אינרציאליים עשויים להיות שימושיים כוללים ייצוב פלטפורמות, בקרת תנועה עבור מכונות תעשייתיות, התקני אבטחה, ייצוב אנטנות, רובוטיקה, ניווט, איזון מכני ורבים אחרים. מידע התנועה המסופק על-ידי חיישנים כאלה יכול להיות יקר-ערך לשיפור הביצועים, האמינות, האבטחה ועלות-הבעלות.
קיימים מכשולים שיש לעבור כדי ליהנות מיתרונות אלה, במיוחד בסביבה הפיזית הקשה (לדוגמה טמפרטורה, רעידות, ריווח צמוד) של הרבה יישומים תעשייתיים.
הפקת נתונים עקביים מהחיישן, תרגומם למידע שימושי ונקיטת תגובה אליהם במסגרת התזמון ומאזן ההספק דורשים מיומנות בהרבה תחומים טכנולוגיים, כמו גם ניסיון תכנון מדויק.
טכנולוגיית MEMS
טכנולוגיית חיישנים MEMS (Micro Electro Mechanical System) מבוססת היטב, והביאה תועלת ליישומים רחבי-היקף. התקני MEMS מבוססים על תהליך מיקרו-מכני משטחי אשר שימש את Analog Devices לייצר מעל 250 מיליון חיישנים עבור יישומים של בטיחות הרכב, מוצרי צריכה ותעשייה. מדי-תאוצה MEMS חוללו מהפיכה בתעשיית מערכות כריות-האוויר לרכב לפני 15 שנה. מאז הם אפשרו מאפיינים ויישומים יחידים במינם החל מהגנה על דיסקים קשיחים במחשבים ניידים ועד בקרי משחקים, דוגמת קונסולת ה-Nintendo Wii החדשה.
לאחרונה, אותה טכנולוגיית ליבה של חיישנים הפכה לזמינה בהתקנים משולבים במלואם, רבי-תכונות, המתאימים ליישומי תעשייה. הדבר סיפק חלופה אטרקטיבית לליבות החיישנים הבלתי-מכוילות, או לאופציות היקרות הממוטבות במקור עבור יישומי ביטחון.
לגילוי תנועות כגון רעידות, הלם, סיבוב זוויתי, תנועה קווית והטיה, מדי התאוצה והג’יירו MEMS מספקים חישה נמוכת-הספק, קומפקטית ורובוסטית. חיישנים רבים משולבים לעתים כדי לספק חישה רבת-צירים ונתונים מדויקים יותר.
תיאוריית הפעולה
חיישן קצב זוויתי מבוסס על ג’יירו MEMS פועל לפי עקרון ג’יירו-המהוד (resonator). שני מבני חישה מפולי-סיליקון מכילים “מסגרת רוטטת”, המובאת בצורה אלקטרו-סטטית לתהודה. דבר זה יוצר את התנועה הנחוצה כדי ליצור אפקט קוריוליס במהלך הסיבוב. בשניים מהקצוות החיצוניים של כל מסגרת נמצאות אצבעות נעות הניצבות לתנועת הרטט, המוצבות בין אצבעות קבועות כדי ליצור מבנה pickoff קיבולי החש את תנועת הקוריוליס.
כאשר מסובבים את חיישן הג’יירו MEMS, השינוי במצב האצבעות הנעות מזוהה באמצעות שינוי בקיבוליות, והאות הנוצר מוזן לשורה של שלבי שבח ופענוח היוצרים את מוצא קצב האות החשמלי.
בהתקן משולב דוגמת החיישן החכם iSensor ™ של Analog Devices, אות המוצא של חיישן הבסיס נדגם גם בעזרת ממיר אנלוגי לדיגיטלי, והנתונים הדיגיטליים מוזנים אל מעגל כיול דיגיטלי קנייני. מעגל זה מכיל מקדמי כיול מבית-החרושת, יחד עם אוגרי כיול מוגדרים על-ידי המשתמש שניתן להשתמש בהם לשיפורי מערכת נוספים.
יתרונות השילוב
לכל יישום צרכים משלו והוא מציב תנאים ייחודיים על החיישן. ניתן למלא אותם דרך תכונות כיוון משובצות במוצרי iSensor דוגמת סינון דיגיטלי, בקרת קצב הדגימה, אופציות של ניטור תנאים ושל ניהול הספק ופונקציות O/I נוספות המיוחדות ליישום.
חיישן אחד איננו מספיק לרוב. חיישני טמפרטורה הם תוספת שימושית הן עבור שיפור יציבות מוצא החיישן בטמפרטורה, והן כדי לספק נתונים נוספים ביישומים כגון ניטור מצב המוצרים דרך שרשרת האספקה. לחיישנים מסוימים רגישויות הצלבה (דוגמת חיישני קצב זוויתיים הרגישים לתנועה הקווית). על-ידי שילוב של חיישנים ושיבוץ רוטינות קיזוז, נוצר אות יציב יותר. יתר על כן, בשעה שחיישן אחד ניתן למיטוב עבור זמן התגובה, אחר עשוי לספק דיוק יתר.
פתרונות תואמי יישומים, המשלבים את החיישנים המתאימים עם עיבוד האותות והממשקים הדרושים, הפכו לאחרונה לזמינים. אם בונים אותם יעילים-לעלות ועם ממשקים תקניים מוכנים למערכת, הם יכולים להסיר את מחסומי המימוש והייצור אשר לקוחות תעשייתיים רבים עמדו בפניהם בעבר. בעזרת מערך תכונות נכון שיאפשר כיוון בתוך המערכת, המשתמשים יכולים גם לצבור יתרונות משמעותיים בזמן לשיווק.
יישומים של חיישני MEMS
יישומים דוגמת ניתוח רעידות, יישור פלטפורמות ובקרת תנועה כללית דורשים פתרונות משולבים ביותר ואמינים כאשר רצוי לשבץ את אלמנט החישה ישירות בתוך הציוד הקיים, ומספקים בקרים, כיולים ותכונות תכנות מספיקים כדי להפוך את ההתקן לעצמאי באמת.
רובוטיקה היא אחד היישומים בהם חישת התנועה היא בעלת ערך לא-יתואר. לדוגמה, על-ידי יצירת קריאה מדויקת של המצב והתנועה של זרוע רובוטית, ניתן לפקח עליה ביתר דיוק, וגם להאיץ את פעולות הזרוע. דבר זה משפר את האוטומציה ומאפשר תגובה יותר הדירה.
דוגמה אחרת היא ייצוב תמונה. משוב מחיישני התנועה מאפשר למצלמה או לפלטפורמה של מצלמות להיות מיוצבת, ואפשר גם להשתמש בה בתוכנה כדי לשפר את התמונות הנלכדות. דבר זה מסייע לשיפור התמונה אצל צופי ה-IMAX, וכובש צופי אירועים וצלמי אויר ופעולה נלהבים אחרים.
לגבי תקשורת לוויינים ניידת בכלי רכב ימיים או קרקעיים, הייצוב עלול להוות בעיה. מיצוב האנטנה צריך להתבצע בדרגה גבוהה מאוד של דיוק כדי להקים ולשמור על ערוץ התקשורת, ולאפשר קליטה ושידור מדויק של נתונים. קיזוז של תנועת הים או תנועת כלי-הרכב בשטח קשה הוא קריטי. השילוב של חיישני MEMS רבים והשיפור של דיוק החיישנים דרך כיול משובץ מספק פתרונות המשופרים משמעותית לבעיות אלו.
אחד מסוגי היישומים הראשוניים עבור ג’יירו קטן, נמוך-עצמה הוא כעזר ניווט. השימוש הסופי המעשי יכול להשתרע מרובוטיקה תעשייתית לאיתור אישים למערכות עקיבה אחרי כלי-רכב ולמיקרו-פרובים רפואיים מופעלים מרחוק. פתרונות קיימים נעים בתחכום ממגנטומטרים בסיסיים לפתרונות וידאו/תמונה מונחים ול-Global Positioning Systems (GPS); כאשר אף לפתרונות המתוחכמים ביותר מגבלות משלהם. ג’יירוסקופים יכולים לשפר מערכות כאלה על-ידי הספקת תגובה יותר מהירה ויותר אמינה. עם מערכות GPS, ג’יירוס מספקים ‘dead reckoning’ המסייע למלא את הפערים כאשר מידע ה-GPS איננו זמין. הדבר משפר משמעותית את הדיוק הכולל של המערכת. כאן שוב, על-ידי שילוב ג’יירוס ומדי-תאוצה רבים ביחידה אחת , לא רק ניתן להשיג חישה מדויקת לאורך צירים רבים, אלא בעזרת מיזוג חיישנים ניתן לשלב מוצאי חיישנים כדי לבטל את רגישויות החישה הצולבת.
בתחום הרפואי, מתנהל מחקר המתקדם במהירות על חיישנים שניתן ללבוש, המאפשרים לרופאים לנטר תנועות של מטופלים העוברים שיקום פיזי, או לשפר את הביצועים של התקני תותבות.
על-ידי שילוב הכשרה ועיבוד חיישנים מותאמים-ליישום ישירות עם ליבת החיישן, ניתן למקם עתה חיישנים הרבה יותר קרוב אל התופעות המוחשות, דוגמת הטמעת חיישני רעידות ישירות לתוך מנועים או מכונות תעשייתיות גדולות הפועלות ברציפות. הפתרונות כיום משתרעות מ’האזנה’ מחזורית (מפעיל מאומן) לחיישנים מותקנים חיצונית המסוגלים לגלות שינויים גדולים בביצועים. עם פיתרון משולב במלואו, ניתן לגלות רעידות מאוד עדינות, הרבה יותר מוקדם; וכך להפעיל תחזוקה מונעת ואולי אף קיזוז אקטיבי.
בין אם הם מחליפים גישות חישה יותר ישנות ופחות אמינות, או מאפשרים יישומים חדשים וחדשניים במלואם, פתרונות עיבוד חיישנים משובצים חושפים את הפוטנציאל שממתינים לו מזמן לאמינות, ביצועים ואבטחה ביישומים תעשייתיים.
