傳感器的地位和作用

1、 本科實(shí)訓(xùn)設(shè)計（論文） 題目:二號黑體加粗居中 學(xué) 院： 三號黑體加粗姓 名： 三號黑體加粗學(xué) 號： 三號黑體加粗專 業(yè)： 三號黑體加粗班 級： 三號黑體加粗指導(dǎo)教師： 三號黑體加粗職 稱： 三號黑體加粗 二一六年 月傳感器的地位和作用 我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB766587）中定義傳感器：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

2、 傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組成框圖見圖1。     人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。     新技術(shù)革命的到來，世界開始進(jìn)入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。   

3、  在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。     在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入了許多新領(lǐng)域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到 cm的粒子世界，縱向上要觀察長達(dá)數(shù)十萬年的天體演化，短到 s的瞬間反應(yīng)。此外，還出現(xiàn)了對深化物質(zhì)認(rèn)識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術(shù)研究，如

4、超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場、超弱磁碭等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機(jī)理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。     傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器

5、。     由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動社會進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術(shù)將會出現(xiàn)一個飛躍，達(dá)到與其重要地位相稱的新水平。   以應(yīng)變式傳感器為例 應(yīng)變片可分為體型應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片、擴(kuò)散型應(yīng)變片和薄膜應(yīng)變片，而薄膜應(yīng)變片則是今后的發(fā)展趨勢，這主要是由于近年來薄膜工藝發(fā)展迅速，除采用真空淀積、高頻濺射外，還發(fā)展了磁控濺射、等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積、金屬有機(jī)化合物化學(xué)汽相淀積、分子束外延、光CVD技術(shù)，這些對傳感器的發(fā)展起了很大推動

6、作用。如目前常見的濺射型應(yīng)變計，是采用濺射技術(shù)直接在應(yīng)變體即產(chǎn)生應(yīng)變的柱梁、振動片等彈性體上形成的。這種應(yīng)變計厚度很薄，大約為傳統(tǒng)的箔式應(yīng)變計的十分之一以下，故又稱薄膜應(yīng)變計。濺射型應(yīng)變計的主要優(yōu)點(diǎn)是：可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型應(yīng)變計，無遲滯和蠕變現(xiàn)象，具有良好的耐熱性和沖擊性能等。用化學(xué)氣相淀積法制備薄膜，以其成膜溫度低、可靠性好、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展很快，在制備多晶硅微晶硅傳感器方面有許多報道。硅杯是力敏元件中非常重要的結(jié)構(gòu)。目前已極少采用機(jī)械方法加工硅杯，而改為可控的化學(xué)腐蝕方法，如各向異性腐蝕、凸角補(bǔ)償和etch-step法等，化學(xué)腐蝕方法，可做到工藝穩(wěn)定，硅杯尺寸很小，膜

7、片均勻度很高，結(jié)構(gòu)從C形、E形、雙島發(fā)展到梁膜式，性能和生產(chǎn)率都有很大提高。 反射式紅外陣列傳感器長軸線上有多個紅外對管，呈線陣分布，可以檢測出軌跡線與其它背景區(qū)域的反光率差別，并以此確定陣列傳感器長軸線與軌跡線軸線的偏移；再結(jié)合一定的傳感器安裝方法（如前面所介紹的“二”字形安裝方法）自動機(jī)器人的控制器是可以依據(jù)陣列傳感器的數(shù)據(jù)分析出當(dāng)前機(jī)器人相對軌跡線的姿態(tài)（軸偏量、角偏量）。而陣列傳感器的檢測精度和范圍將直接影響系統(tǒng)控制性能；起決定性作用的就是陣列上有多少個傳感單元、傳感單元之間的距離，以及傳感單元的性能（調(diào)制頻率、靈敏度等）。 反射式紅外陣列傳感器 反射式紅

8、外陣列傳感器模塊上的十六個反射式的紅外對管，在傳感器模塊長軸線上呈線狀分布；模塊中使用運(yùn)算能力較強(qiáng)，并且抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)作為主控核心MCU，MCU對十六個傳感器進(jìn)行掃描，并對每個對管檢測到反射回來的信號進(jìn)行調(diào)理后，送至ADC模塊（MCU內(nèi)部自帶）進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；這樣可得到每個對管對應(yīng)范圍的256個級別的灰度值。只要軌跡線與背景存在顏色、反光度的差別，就可以從每個對管的AD轉(zhuǎn)換值當(dāng)中分析到當(dāng)前該對管所檢測點(diǎn)為軌跡線還是背景。 下圖為模塊的較果圖：  模塊的核心MCU采用Philips公司的P89LPC932單片機(jī)；LPC932為增強(qiáng)型的51內(nèi)核的單片機(jī)，在同等CP

9、U工作頻率的情況下，速度為傳統(tǒng)51的六倍，這點(diǎn)對于本設(shè)計的數(shù)據(jù)處理要求來說，是非常重要的。       應(yīng)用中采用了芯片內(nèi)部的振蕩器(7.374MHz)作為MCU的時鐘源；主要是因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)運(yùn)行的在機(jī)器人的載體上，機(jī)械上的振動比較大，而當(dāng)晶振受到震動時，就有可能進(jìn)入莫名的異常狀況（如死機(jī)、復(fù)位等），而采用單片機(jī)內(nèi)部的振蕩器就不會存在上述的情況了  模塊中的紅外對管，選用了進(jìn)口的RP220型紅外對管。該對管的有效作用距離為4cm，接收管靈敏度高；在測試中，2.5cm的距離上，對黑色與白色普通反射面，接收反射

10、回來的紅外線強(qiáng)度能有5倍以上的差值；但其調(diào)制頻率較低，僅有800Hz。       為了降低MCU掃描傳感器的速度對傳感器調(diào)制頻率的要求，在電路設(shè)計中，用一個NPN的三極管同時驅(qū)動四個紅外對管，四個三極管即可驅(qū)動全部的十六個對管（如下圖，為部分傳感器驅(qū)動電路）；而MCU控制兩片4051，按一定的順序?qū)t外對管的接收管進(jìn)行選通。這樣可以把調(diào)制頻率的要來降低了四倍 在PCB板設(shè)計時，十六個傳感器呈線陣分布，在每個傳感器間的距離為13.75mm；鑒于紅外對管的散射，為保證一定的測量精度，在傳感器模塊裝上機(jī)器人時，要求對管

11、的底面與地面的距離不能大于2.5cm。而由于紅外對管距離反射面越近，其黑、白反射面的接收強(qiáng)度差別越小；所以還得要求對管底面與地面距離不能小于1cm。       通過4051選通回來的信號，要通過一個射隨、放大電路后才能送入ADC，將每個接收管接收到的反射回來的紅外線強(qiáng)度模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再由MCU讀取。       而機(jī)器人上僅有單一的正電源；所以為了系統(tǒng)電源的統(tǒng)一，在設(shè)計中選用了單電源供電的雙運(yùn)放LF358及單電源供電的ADC芯片：TLC1549

12、。如下圖所示：       圖中A_in1和A_in2分別是來自兩片4051的八選一輸出。TCL1549是10位的ADC，其數(shù)據(jù)輸出接口為三線的SPI通訊接口，最高的通訊速率為2Mbit/s。而在設(shè)計中，對單個數(shù)值的精度要求不是太高，所以為了數(shù)據(jù)處理及軟件設(shè)計的方便，在設(shè)計中用三個IO口模擬SPI通訊來讀取TLC1549中的數(shù)據(jù)，且僅取其十位精度中的高八位。       在傳感器模塊中，MCU的主要工作是掃描十六個紅外對管，并根據(jù)每個讀回來的AD值進(jìn)行分析

13、（主要是進(jìn)行軟件補(bǔ)償），得到每個管子對應(yīng)反射面的256個灰度等級的數(shù)值，然后與比較域值進(jìn)行比較，可分析出每個對管對應(yīng)的反射面為不反光區(qū)域（背景）還是白色窄條線（軌跡線）。 反射式紅外陣列傳感器的應(yīng)用     陣列傳感器主要用于機(jī)器人的自身相對姿態(tài)的感知，并不包括機(jī)器人相對位置的定位（當(dāng)然，也是可以通過一些上層的算法來判斷解算根據(jù)陣列傳感器的數(shù)據(jù)特征，并以此獲取相對位置信息）；所以在介紹反射式紅外陣列傳感器前，需要假設(shè)一些前提的條件：場地平面參照物（即平面的相對軌跡標(biāo)記）。  在一些自動伺服的機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中，通常

14、需要感知機(jī)器人在平面（地面）上的相對姿態(tài)；比如一些自動競技機(jī)器人（使用在各種機(jī)器人競技比寒當(dāng)中的），以及一些應(yīng)用在有相對軌跡標(biāo)記的固定場所當(dāng)中的工業(yè)機(jī)器人等。一般，在這些機(jī)器人工作的環(huán)境當(dāng)中，會有平面的相對軌跡標(biāo)記，如場地上平面的網(wǎng)格線（軌跡線）；機(jī)器人可以通過檢測這些標(biāo)記來獲取自身的姿態(tài)數(shù)據(jù)，以便于自動伺服調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)保證任務(wù)的執(zhí)行 反射式紅外陣列傳感器模塊就是用于這樣的檢測平面相對位置的     在很多競技機(jī)器人的比賽項目當(dāng)中，比賽的場地往往都會有類似于網(wǎng)格線（軌跡線）的平面參照物，自動伺服的機(jī)器人（自動機(jī)器人）可以檢測相對這

15、些參照物的姿態(tài)來調(diào)整自身的平面姿態(tài)，再加上其它的定位系統(tǒng)，自動機(jī)器人就可以在場地的任意位置感知自身的相對姿態(tài)和相對位置了，這就是自動機(jī)器人的基本工作條件了。自動機(jī)器人檢測軌跡線最常見的應(yīng)用是尋線行走，這樣的應(yīng)用需要獲取自動機(jī)器人與軌跡線的中心偏移數(shù)據(jù)、偏角數(shù)據(jù)（機(jī)器人底盤軸線與軌跡線的夾角）；而一般會采用“二”字形的探測器，如下圖所示：        “二”字形的探測器實(shí)際上是可以由兩個陣列傳感器模塊一前一后的組合而成；而每條傳感器模塊呈長條狀，并沿長軸線上分別排列有多個傳感單元，每個傳感器單元可以分辯出呈白色窄條狀的軌跡線與背景（與軌跡線顏色區(qū)分開的）。     由于比賽場地與平時機(jī)器人訓(xùn)練的場地的反射率會有差別，以及機(jī)器人所工作的場地條件的環(huán)境因素也會時常有變化；所以傳感器模塊必需有一個初始化的功能，以適應(yīng)不同的場地，也就是所說的擁有學(xué)習(xí)能力的智