1、传 感 器 原 理 及 应 用 论 文学 号 ： 1308020113 姓 名 ： 闵 安 强 班 级 ： 电 子 一 班 日 期 ： 2016.5.2 传感器的地 位 和 作 用我国国家标准（GB766587）中定 义 传 感 器 ： “能 感 受 规 定 的 被 测 量 并按 照 一 定 的 规 律 转 换 成 可 用 信 号 的 器 件 或 装 置 ， 通 常 由 敏 感 元 件 和 转 换 元 件组 成 ”。 传 感 器 是 一 种 检 测 装 置 ， 能 感 受 到 被 测 量 的 信 息 ， 并 能 将 检 测 感 受 到的 信 息 ， 按 一 定 规 律 变 换 成 为 电 信
2、号 或 其 他 所 需 形 式 的 信 息 输 出 ， 以 满 足 信息 的 传 输 、 处 理 、 存 储 、 显 示 、 记 录 和 控 制 等 要 求 。 它 是 实 现 自 动 检 测 和 自动 控 制 的 首 要 环 节 。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图见图 1。 人 们 为 了 从 外 界 获 取 信 息 ， 必 须 借 助 于 感 觉 器 官 。 而 单 靠 人 们 自 身 的 感觉 器 官 ， 在 研 究 自 然 现 象 和 规 律 以 及 生 产 活 动 中 它 们 的 功 能 就 远 远 不 够 了 。为 适 应 这 种 情 况 ， 就 需
3、 要 传 感 器 。 因 此 可 以 说 ， 传 感 器 是 人 类 五 官 的 延 长 ，又 称 之 为 电 五 官 。 新 技 术 革 命 的 到 来 ， 世 界 开 始 进 入 信 息 时 代 。 在 利 用 信 息 的 过 程 中 ，首 先 要 解 决 的 就 是 要 获 取 准 确 可 靠 的 信 息 ， 而 传 感 器 是 获 取 自 然 和 生 产 领 域中 信 息 的 主 要 途 径 与 手 段 。 在 现 代 工 业 生 产 尤 其 是 自 动 化 生 产 过 程 中 ， 要 用 各 种 传 感 器 来 监 视 和控 制 生 产 过 程 中 的 各 个 参 数 ， 使 设 备
4、 工 作 在 正 常 状 态 或 最 佳 状 态 ， 并 使 产 品达 到 最 好 的 质 量 。 因 此 可 以 说 ， 没 有 众 多 的 优 良 的 传 感 器 ， 现 代 化 生 产 也 就失 去 了 基 础 。 在 基 础 学 科 研 究 中 ， 传 感 器 更 具 有 突 出 的 地 位 。 现 代 科 学 技 术 的 发 展， 进 入 了 许 多 新 领 域 ： 例 如 在 宏 观 上 要 观 察 上 千 光 年 的 茫 茫 宇 宙 ， 微 观 上 要观 察 小 到 cm 的 粒 子 世 界 ， 纵 向 上 要 观 察 长 达 数 十 万 年 的 天 体 演 化 ， 短 到 s
5、的 瞬 间 反 应 。 此 外 ， 还 出 现 了 对 深 化 物 质 认 识 、 开 拓 新 能 源 、 新 材 料 等 具有 重 要 作 用 的 各 种 极 端 技 术 研 究 ， 如 超 高 温 、 超 低 温 、 超 高 压 、 超 高 真 空 、超 强 磁 场 、 超 弱 磁 砀 等 等 。 显 然 ， 要 获 取 大 量 人 类 感 官 无 法 直 接 获 取 的 信 息， 没 有 相 适 应 的 传 感 器 是 不 可 能 的 。 许 多 基 础 科 学 研 究 的 障 碍 ， 首 先 就 在 于对 象 信 息 的 获 取 存 在 困 难 ， 而 一 些 新 机 理 和 高 灵
6、敏 度 的 检 测 传 感 器 的 出 现 ，往 往 会 导 致 该 领 域 内 的 突 破 。 一 些 传 感 器 的 发 展 ， 往 往 是 一 些 边 缘 学 科 开 发的 先 驱 。 传 感 器 早 已 渗 透 到 诸 如 工 业 生 产 、 宇 宙 开 发 、 海 洋 探 测 、 环 境 保 护 、资 源 调 查 、 医 学 诊 断 、 生 物 工 程 、 甚 至 文 物 保 护 等 等 极 其 之 泛 的 领 域 。 可 以毫 不 夸 张 地 说 ， 从 茫 茫 的 太 空 ， 到 浩 瀚 的 海 洋 ， 以 至 各 种 复 杂 的 工 程 系 统 ，几 乎 每 一 个 现 代 化
7、 项 目 ， 都 离 不 开 各 种 各 样 的 传 感 器 。 由 此 可 见 ， 传 感 器 技 术 在 发 展 经 济 、 推 动 社 会 进 步 方 面 的 重 要 作 用 ，是 十 分 明 显 的 。 世 界 各 国 都 十 分 重 视 这 一 领 域 的 发 展 。 相 信 不 久 的 将 来 ， 传感 器 技 术 将 会 出 现 一 个 飞 跃 ， 达 到 与 其 重 要 地 位 相 称 的 新 水 平 。 以 应变式传感器为例应变片可分为体型应变片、金属箔式应变片、扩散型应变片和薄膜应变片，而薄膜应变片则是今后的发展趋势，这主要是由于近年来薄膜工艺发展迅速，除采用真空淀积、高频
8、溅射外，还发展了磁控溅射、等离子体增强化学汽相淀积、金属有机化合物化学汽相淀积、分子束外延、光 CVD 技术，这些对传感器的发展起了很大推动作用。如目前常见的溅射型应变计，是采用溅射技术直接在应变体即产生应变的柱梁、振动片等弹性体上形成的。这种应变计厚度很薄，大约为传统的箔式应变计的十分之一以下，故又称薄膜应变计。溅射型应变计的主要优点是：可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变计，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，以其成膜温度低、可靠性好、系统简单等优点而发展很快，在制备多晶硅微晶硅传感器方面有许多报道。硅杯是力敏元件中非常重要的结构。目前已极少采用
9、机械方法加工硅杯，而改为可控的化学腐蚀方法，如各向异性腐蚀、凸角补偿和 etch-step 法等，化学腐蚀方法，可做到工艺稳定，硅杯尺寸很小，膜片均匀度很高，结构从 C 形、E 形、双岛发展到梁膜式，性能和生产率都有很大提高。反射式红外阵列传感器长轴线上有多个红外对管，呈线阵分布，可以检测出轨迹线与其它背景区域的反光率差别，并以此确定阵列传感器长轴线与轨迹线轴线的偏移；再结合一定的传感器安装方法（如前面所介绍的“二”字形安装方法）自动机器人的控制器是可以依据阵列传感器的数据分析出当前机器人相对轨迹线的姿态（轴偏量、角偏量）。而阵列传感器的检测精度和范围将直接影响系统控制性能；起决定性作用的就是
10、阵列上有多少个传感单元、传感单元之间的距离，以及传感单元的性能（调制频率、灵敏度等）。反射式红外阵列传感器反射式红外阵列传感器模块上的十六个反射式的红外对管，在传感器模块长轴线上呈线状分布；模块中使用运算能力较强，并且抗干扰能力强的单片机作为主控核心 MCU，MCU 对十六个传感器进行扫描，并对每个对管检测到反射回来的信号进行调理后，送至 ADC 模块（MCU 内部自带）进行 AD 转换；这样可得到每个对管对应范围的 256 个级别的灰度值。只要轨迹线与背景存在颜色、反光度的差别，就可以从每个对管的 AD 转换值当中分析到当前该对管所检测点为轨迹线还是背景。下图为模块的较果图：模块的核心 MC
11、U 采用 Philips 公司的 P89LPC932 单片机；LPC932 为增强型的 51 内核的单片机，在同等 CPU 工作频率的情况下，速度为传统 51 的六倍，这点对于本设计的数据处理要求来说，是非常重要的。应用中采用了芯片内部的振荡器(7.374MHz)作为 MCU 的时钟源；主要是因为在单片机运行的在机器人的载体上，机械上的振动比较大，而当晶振受到震动时，就有可能进入莫名的异常状况（如死机、复位等），而采用单片机内部的振荡器就不会存在上述的情况了模块中的红外对管，选用了进口的 RP220 型红外对管。该对管的有效作用距离为 4cm，接收管灵敏度高；在测试中， 2.5cm 的距离上，
12、对黑色与白色普通反射面，接收反射回来的红外线强度能有 5 倍以上的差值；但其调制频率较低，仅有 800Hz。为了降低 MCU 扫描传感器的速度对传感器调制频率的要求，在电路设计中，用一个 NPN 的三极管同时驱动四个红外对管，四个三极管即可驱动全部的十六个对管（如下图，为部分传感器驱动电路）；而 MCU 控制两片 4051，按一定的顺序对红外对管的接收管进行选通。这样可以把调制频率的要来降低了四倍在 PCB 板设计时，十六个传感器呈线阵分布，在每个传感器间的距离为13.75mm；鉴于红外对管的散射，为保证一定的测量精度，在传感器模块装上机器人时，要求对管的底面与地面的距离不能大于 2.5cm。
13、而由于红外对管距离反射面越近，其黑、白反射面的接收强度差别越小；所以还得要求对管底面与地面距离不能小于 1cm。通过 4051 选通回来的信号，要通过一个射随、放大电路后才能送入ADC，将每个接收管接收到的反射回来的红外线强度模拟信号进行模数转换后，再由 MCU 读取。而机器人上仅有单一的正电源；所以为了系统电源的统一，在设计中选用了单电源供电的双运放 LF358 及单电源供电的 ADC 芯片：TLC1549 。如下图所示：图中 A_in1 和 A_in2 分别是来自两片 4051 的八选一输出。TCL1549是 10 位的 ADC，其数据输出接口为三线的 SPI 通讯接口，最高的通讯速率为2
14、Mbit/s。而在设计中，对单个数值的精度要求不是太高，所以为了数据处理及软件设计的方便，在设计中用三个 IO 口模拟 SPI 通讯来读取 TLC1549 中的数据，且仅取其十位精度中的高八位。在传感器模块中，MCU 的主要工作是扫描十六个红外对管，并根据每个读回来的 AD 值进行分析（主要是进行软件补偿），得到每个管子对应反射面的 256 个灰度等级的数值，然后与比较域值进行比较，可分析出每个对管对应的反射面为不反光区域（背景）还是白色窄条线（轨迹线）。反射式红外阵列传感器的应用阵列传感器主要用于机器人的自身相对姿态的感知，并不包括机器人相对位置的定位（当然，也是可以通过一些上层的算法来判断
15、解算根据阵列传感器的数据特征，并以此获取相对位置信息）；所以在介绍反射式红外阵列传感器前，需要假设一些前提的条件：场地平面参照物（即平面的相对轨迹标记）。在一些自动伺服的机器人应用系统当中，通常需要感知机器人在平面（地面）上的相对姿态；比如一些自动竞技机器人（使用在各种机器人竞技比寒当中的），以及一些应用在有相对轨迹标记的固定场所当中的工业机器人等。一般，在这些机器人工作的环境当中，会有平面的相对轨迹标记，如场地上平面的网格线（轨迹线）；机器人可以通过检测这些标记来获取自身的姿态数据，以便于自动伺服调整机器人的姿态保证任务的执行 反射式红外阵列传感器模块就是用于这样的检测平面相对位置的 在很多
16、竞技机器人的比赛项目当中，比赛的场地往往都会有类似于网格线（轨迹线）的平面参照物，自动伺服的机器人（自动机器人）可以检测相对这些参照物的姿态来调整自身的平面姿态，再加上其它的定位系统，自动机器人就可以在场地的任意位置感知自身的相对姿态和相对位置了，这就是自动机器人的基本工作条件。自动机器人检测轨迹线最常见的应用是寻线行走，这样的应用需要获取自动机器人与轨迹线的中心偏移数据、偏角数据（机器人底盘轴线与轨迹线的夹角）；而一般会采用“二”字形的探测器，如下图所示：“二”字形的探测器实际上是可以由两个阵列传感器模块一前一后的组合而成；而每条传感器模块呈长条状，并沿长轴线上分别排列有多个传感单元，每个传感器单元可以分辩出呈白色窄条状的轨迹线与背景（与轨迹线颜色区分开的）。由于比赛场地与平时机器人训练的场地的反射率会有差别，以及机器人所工作的场地条件的环境因素也会时常有变化；所以传感器模块必需有一个初始化的功能，以适应不同的场地，也就是所说的拥有学习能力的智能传感器概念。此外每个红外对管的参数不一致，在程序中加入了对每个接收管返回 AD值的数据补偿。以上两点也就是传感器模块程序设计的重点。传感器扫描程序和初始化程序都在一个的定时中断服务程序里，下图为该中断子程序的流程图。而进行正常的传感器扫描时，定时中断为 5ms 定时中断，进行初始化扫描时，为20ms 的定时中断。
