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ag官方手机登录传感器的地位和作用

发布日期:2020-10-18 15:12

  传感器的地位和作用_物理_自然科学_专业资料。传感器的地位和作用 ———————————————————————————————— 作者: ———————————————————————————————— 日期: 本科实训设计(论文)

  传感器的地位和作用 ———————————————————————————————— 作者: ———————————————————————————————— 日期: 本科实训设计(论文) 题目:二号黑体加粗居中 学 院: 姓 名: 学 号: 专 业: 班 级: 指导教师: 职 称: 三号黑体加粗 三号黑体加粗 三号黑体加粗 三号黑体加粗 三号黑体加粗 三号黑体加粗 三号黑体加粗 二〇一六年 月 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 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。ag官方手机登录!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。ag官方手机登录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 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了。 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。

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