Digitale Sensoren, der Weg nach vorne
Seit Jahren war die Sensorproduktbranche hauptsächlich auf analoge Technologien ausgerichtet. Sensoren arbeiteten mit analogen Schaltungen und Komponenten, was teilweise auf die analogen Front-End-Schaltungen zurückzuführen ist, die in fast allen elektronischen Messgeräten zu finden sind. Analoge Sensoren waren recht einfache Geräte, die manchmal grundlegende analoge Ausgangssignale bereitstellten und in einigen Fällen Verstärkung oder Gain sowie Signalaufbereitung hinzufügten, bevor der Ausgang an ein Mess- oder Steuerungssystem gesendet wurde. Heute werden diese Systeme immer anspruchsvoller, was zusätzlichen Signalverarbeitungsaufwand erfordert, um die gewünschte Systemleistung zu erreichen.
In der Vergangenheit waren Sensor-Systemingenieure zögerlich, auf digitale Produkte umzusteigen, da die Integration der Digitalisierung in bestehende analoge Sensor-Signalwege mit erheblichen Herausforderungen verbunden war. Die F&E-Kosten für diese Änderungen waren für viele kleine Sensorunternehmen, die sich auf einzelne Produkttypen, Anwendungen und Märkte konzentrierten, nicht tragbar. In den letzten paar Jahrzehnten sind einige digitale Sensoren auf den Markt gekommen, doch der Mangel an standardisierten Schnittstellen oder Kommunikationsprotokollen machte den Umstieg teuer und riskant. Es versteht sich von selbst, dass die digitale Einführung langsam voranschritt.
Aufgrund der zunehmenden Verfügbarkeit kostengünstiger elektronischer Komponenten, die analoge Signale verarbeiten und in digitale Formate umwandeln können, ist die Migration analoger Sensoren in die digitale Welt nun ernsthaft im Gange. In den letzten Jahren haben Sensorhersteller begonnen, Sensorelemente, A/D-Wandlung, Verarbeitungskapazität, Speicher, Energiemanagement und digitale Kommunikationsfähigkeiten in nur wenigen Chips zu integrieren, die problemlos in das Sensorgehäuse passen. Darüber hinaus hat die Verbreitung standardisierter Kommunikationsprotokolle wie I2C und SPI die Integration von Sensoren mit diesen Fähigkeiten in elektronische Überwachungs- und Steuerungssysteme erleichtert.
Die Digitalisierung von Sensorprodukten bietet Vorteile, die weit über die einfache Möglichkeit hinausgehen, mit digitalen Steuerungssystemen zu kommunizieren. Ein Beispiel dafür ist, dass die meisten digitalen Sensoren eine „Schlafmodus“-Funktion enthalten, die den Sensor abschaltet, wenn er für die Systemfunktionen nicht benötigt wird. Durch die Reduzierung des benötigten Stroms verlängert sich die Batterielebensdauer für entfernte und mobile Systeme, die auf Energiegewinnung oder Batteriebetrieb angewiesen sind. Digitale Sensoren können auch von Software-Optimierungsroutinen profitieren, die im analogen Modus nicht verfügbar sind. Techniken wie Oversampling und digitale Filterung können die Sensorauflösung und Frequenzunterscheidung erheblich verbessern. Das Beste daran ist, dass diese Leistungsverbesserungen keine Kostensteigerung mit sich bringen. Es steckt alles in der Software.
Es gibt eine Reihe von subtileren Vorteilen, die mit digitalen Sensorprodukten einhergehen. Da ein digitaler Sensor über einen integrierten Speicher verfügt, können Informationen gespeichert werden. Nichtflüchtige Informationen wie die Teilenummer des Geräts, der Revisionsstand, die Seriennummer und Kalibrierungsfaktoren können gespeichert und leicht abgerufen werden. Dynamische Informationen wie Anzahl der Abfragen, Fehlerprotokolle und Betriebsstunden können in der Sensor-Software programmiert werden. Diese Daten können ein robustes Zuverlässigkeits- und Qualitätssicherungsprogramm für die Systeme unterstützen, die diese Sensoren verwenden.
Die digitale Sensortechnologie hat es Sensorherstellern ermöglicht, Produkte zu entwickeln, die den spezifischen Anforderungen eines Kundensystems gerecht werden. Viele digitale Sensorprodukte enthalten heute mehr als ein Sensorelement. Zum Beispiel kann ein digitaler Feuchtigkeitssensor auch einen Temperatursensor enthalten. Indem die Daten von beiden Sensoren abgerufen werden und etwas Mathematik im Host-Prozessor des Systems durchgeführt wird, kann der Taupunkt berechnet werden. Mit den Daten von nur zwei Sensorelementen, die sich beide in demselben kostengünstigen Sensorgehäuse befinden, werden drei Informationen erzeugt (relative Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Taupunkt).
Die heutigen komplexen Systeme werden durch die Nachfrage nach „intelligenten“ Funktionen angetrieben. Dies hat den Bedarf an zusätzlichen digitalen Sensoren in Systementwürfen erhöht. Systeme und Produkte benötigen mehr Informationen, um ihre Fähigkeiten zu erweitern. Produkte müssen sich ihres Umfelds, ihres eigenen Zustands und ihrer Betriebszeit, der erhaltenen menschlichen Eingaben sowie anderer Systeminteraktionen bewusst sein – all dies erfordert den Einsatz zusätzlicher Sensoren. Diese Sensoren senden die wichtigen Daten über nahtlose Schnittstellen an die Mikrocontroller, wodurch diese basierend auf den von den Sensoren empfangenen Daten Entscheidungen treffen können. Je mehr Daten bereitgestellt werden, desto intelligenter sind die Entscheidungen. Intelligente Systeme benötigen mehr Sensoren.
Digitale Sensoren können jetzt kostengünstige Lösungen mit verbesserter Leistung und erweiterten Fähigkeiten bieten. Der Umstieg auf digitale Sensoren hat intelligentere Systeme ermöglicht, indem eine bessere Leistung bereitgestellt wird – und das alles bei sehr attraktiven Preispunkten und unter Einhaltung der Designanforderungen der Kunden.
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