传感器原理及应用论文

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（GB7665－87）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MCU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，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。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2Mbit/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。