Гибкие датчики деформации от Bend Labs

Какими должны быть датчики? В последнее время ответить на этот вопрос становится все сложнее, так как на рынке постоянно появляются различные уникальные решения. Некоторые из них не находят какого-либо существенного приложения, а другие наоборот оказываются востребованными. В данной статье проводится краткий обзор технологии и особенностей новых гибких датчиков деформации от Band Labs
804
В избранное

В настоящее время на рынке постоянно появляются уникальные решения и интересные идеи. Некоторые из них оказываются успешными, а некоторые нет. Сейчас одним из основных трендов в области датчиков являются МЭМС-сенсоры, которые, как правило, выпускаются в виде компактных интегральных микросхем. Впрочем, иногда производители идут по обратному пути и создают распределенные сенсоры, такие, например, как гибкие датчики деформации от Bend Labs.

Внешне гибкие датчики деформации от Band Labs имеют вид пластины или прутка прямоугольного сечения. Структура одноосевого датчика представляет собой пару распределенных дифференциальных конденсаторов, которые одновременно изменяют свою емкость при изгибе сенсора. Изменения зависят от радиуса изгиба и измеряются с помощью управляющей схемы. Таким образом, о деформации можно судить по дифференциальной емкости. Наглядную демонстрацию работы одноосевого датчика и двухосевого датчика можно увидеть в демонстрационных видеороликах.

 

Рассмотрим устройство, принцип действия и особенности гибких датчиков деформации от Bend Labs.

Устройство и принцип действия

Датчики имеют многослойную конструкцию, которая включает слои металлизации и слои кремниевого эластомера. При этом главной проблемой при разработке сенсора было согласование температурных коэффициентов расширения материалов, что особенно важно с учетом большой длины датчика. Но, судя по заверениям компании Bend Labs, эта задача была решена.

На рис. 1 представлена упрощенная конструкция датчика. Слои кремниевого эластомера и металлизации создают пару распределенных конденсаторов с одной общей обкладкой. При деформации датчика происходит изменение этих связных емкостей. Измеряя дифференциальную емкость, можно определять угол изгиба.

Принцип действия и конструкция одноосевого гибкого датчика деформации

Рис. 1. Принцип действия и конструкция одноосевого гибкого датчика деформации

Очевидно, что дифференциальная емкостная структура дает ряд преимуществ, в том числе:

  • минимальную температурную погрешность;
  • минимальное старение;
  • низкий собственный шум и высокую повторяемость измерений;
  • отсутствие шума, создаваемого внешним давлением на датчик;
  • минимальное потребление при опросе датчика – около 200 мкА при напряжении питания 1,8 В.

Стоит сразу отметить, что у датчика есть несколько противоречивых особенностей. Дело в том, что при изгибе датчика схема измерения по сути «видит» изменение полной емкости. Другими словами, различные деформации могут давать одинаковое изменение емкости (рис. 2). Кроме того, логично предположить, что комплементарные изгибы будут компенсировать друг друга. Очевидно, что такое поведение будет плюсом для одних приложений и явным минусом для других. Стоит также отметить, что растягивание датчика в длину не оказывает влияния на изменение дифференциальной емкости. Это также необходимо иметь в виду.

Различные деформации приводят к одинаковому дифференциальному изменению емкости

Рис. 2. Различные деформации приводят к одинаковому дифференциальному изменению емкости

Частично решить указанную проблему можно с помощью сегментирования. В частности Bend Labs предлагает создавать «многопиксельные» датчики, состоящие из множества отдельных сенсоров.

Одноосевые датчики реагируют только на деформации по одной из осей. Для контроля двухмерных деформаций предлагаются двухосевые сенсоры. Конструктивно они представляют собой пару одноосевых датчиков, повернутых на 90° (рис. 3).

Двухосевой датчик имеет две пары дифференциальных емкостей, каждая из которых реагирует на деформацию по одной из осей

Рис. 3. Двухосевой датчик имеет две пары дифференциальных емкостей, каждая из которых реагирует на деформацию по одной из осей

Основные характеристики гибких датчиков деформации

В настоящий момент на сайте Bend Labs представлено два датчика: одноосевой и двухосевой (рис. 5). По сути, эти датчики играют роль демонстрационных продуктов, так как компания ориентируется на широкий спектр приложений и предлагает разработку специализированных продуктов по техническим требованиям от заказчика: одноосевые и двухосевые датчики, многоксегментные решения с различными конструктивными исполнениями. Тем не менее, рассмотрим некоторые основные характеристики стандартных датчиков.

Одно- и двухосевые датчики от Bend Labs

Рис. 4. Одно- и двухосевые датчики от Bend Labs

Для работы с датчиками предлагается использовать коммуникационный I2C-интерфейс. Программные драйверы могут быть скачаны с сайта производителя.

Чувствительность датчиков составляет 0,274 пФ/°. При этом необходимо отметить очень высокую линейность (рис. 5). Причиной таких хороших показателей является дифференциальная природа датчиков.

Линейность датчиков деформации

Рис. 5. Линейность датчиков деформации

Кроме линейности необходимо иметь ввиду и собственный шум датчика, который проявляется в разбросе показаний до ±0,18° при повторных измерениях (рис. 6).

Разброс измерений датчиков

Рис. 6. Разброс измерений датчиков

Важным показателем любого современного датчика становится потребление. В случае с датчиками от Bend Labs потребление зависит от напряжения питания (1,62…3,63 В), частоты измерений и режима работы. Потребление одноосевого датчика в активном режиме составляет 200 мкА при 3,3 В и частоте опроса 100 Гц. При напряжении питания 1,8 В потребление уменьшается до 183 мкА. При переводе сенсоров в режим сна потребление падает до 1,7 мкА.

При работе с датчиками следует ознакомиться с некоторыми особенностями эксплуатации. В частности, речь идет об ограничении продольных деформаций (растягиваний) и о минимальном допустимого радиусе изгиба, который составляет удвоенное значение толщины сенсора.

Для ознакомления с другими особенностями сенсоров предлагается использовать отладочные наборы. Самый простой набор 2-Axis Evaluation Kit стоит $179 и содержит аккумулятор, Bluetooth-модуль и двухосевой датчик (рис. 7). Еще один набор Combined Evaluation Kit стоит $229 и содержит сразу два датчика: одноосевой и двухосевой (рис. 7).

Отладочный набор 2-Axis Evaluation Kit

Рис. 7. Отладочный набор 2-Axis Evaluation Kit

Отладочный набор Combined Evaluation Kit

Рис. 8. Отладочный набор Combined Evaluation Kit

Оба набора позволяют подключать сенсоры к смартфону по Bluetooth и контролировать показания датчиков в режиме реального времени с помощью специальной утилиты (рис. 9). Скачать утилиту можно бесплатно по ссылке: https://betas.to/2gpFCDTv.

Утилита для работы с гибкими датчиками деформации

Рис. 9. Утилита для работы с гибкими датчиками деформации

В качестве заключения можно еще раз отметить, что перспективы новой технологии сенсоров достаточно сложно предсказать. Однако уже сейчас датчики используются в различных манипуляторах, например, игровых геймпадах; в ноутбуках для определения положения экрана; в медицинских ортопедических приложениях для контроля положения пациента. Кроме того, можно увидеть перспективу новых сенсоров в робототехнике.

Характеристики датчика 1-Axis Soft Flex Sensor:

  • Чувствительность: 0,274 пФ/°;
  • Коммуникационный интерфейс: I2C;
  • Собственный шум: 0,18°;
  • Напряжение питания: 1,62…3,63 В;
  • Потребление в активном режиме: 200 мкА при 3,3 В и частоте опроса 100 Гц, 183 мкА при 1,8 В и частоте опроса 100 Гц;
  • Минимальное потребление в режиме сна:1,7 мкА;
  • Срок службы: более 1 миллионов циклов;
  • Габаритные размеры: 100 x 7,62 x 1,27 мм.
Производитель: Bend Labs, Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
1-Axis Soft Flex Sensor
1-Axis Soft Flex Sensor
Bend Labs, Inc.
Арт.: 3411135 ИНФО PDF
6419,42
Поиск
предложений
Одноосевой датчик; I2C; Чувствительность: 0,274 пФ/°; Напряжение питания: 1,62…3,63 В; размеры: 100 x 7,62 x 1,27 мм.
1-Axis Soft Flex Sensor 6419,42
-
Поиск
предложений
2-Axis Soft Flex Sensor
2-Axis Soft Flex Sensor
Bend Labs, Inc.
Арт.: 3411136 ИНФО PDF
16900,11
Поиск
предложений
Двухосевой датчик имеет две пары дифференциальных емкостей, каждая из которых реагирует на деформацию по одной из осей
2-Axis Soft Flex Sensor 16900,11
-
Поиск
предложений
2-Axis Evaluation Kit
2-Axis Evaluation Kit
Bend Labs, Inc.
Арт.: 3411137 ИНФО PDF
23450,54
Поиск
предложений
Простой набор содержит аккумулятор, Bluetooth-модуль и двухосевой датчик.
2-Axis Evaluation Kit 23450,54
-
Поиск
предложений
Combined Evaluation Kit
Combined Evaluation Kit
Bend Labs, Inc.
Арт.: 3411138 ИНФО PDF
30000,97
Поиск
предложений
Отладочный набор содержит два датчика: одноосевой и двухосевой. Позволяет подключать сенсоры к смартфону по Bluetooth и контролировать показания датчиков в режиме реального времени с помощью специальной утилиты.
Combined Evaluation Kit 30000,97
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()