《现代传感技术与系统》课件第三章.ppt

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1、第三章(4),智能传感与信息系统,1,3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统,3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用3.4.2 触觉传感的特点及相关研究3.4.3 智能触觉传感器3.4.4 具有视觉信号的触觉图像3.4.5 有源传感3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,第三章(4),智能传感与信息系统,2,3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统,触觉:接触、滑动、压觉等机械刺激的总称,与皮肤功能相类似的智能机制。人依靠表皮的游离神经末梢能感受温度、痛觉、触觉等多种感觉，除视觉以外，触觉接受外界的信息量最多。人类触觉的产生:皮肤内的触觉细胞，感知:触觉、压感、痛觉、温度等。功能延

2、伸实现：温度传感器、压力传感器、磁传感器触觉、压感的外部激励来自皮肤的力学性变形，与空间压力梯度、变形大小、速度及激励面积有关。,第三章(4),智能传感与信息系统,3,3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统,灵敏的生物触觉：超过身体长度2.53倍的蟋蟀与虾的触须，确认远处物体所在的位置，判别其大小。眼镜蛇对温度可达0.001的分辨力：高灵敏度并不能保证判断的准确性。给人的启示：不仅要注重信息的获取，而且要注重信息获取后的分析、处理。,第三章(4),智能传感与信息系统,4,3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统,今天的多功能集成化传感器和智能化传感器：兼顾了信息获取与处理两种功能。多功能传感

3、器依靠敏感材料的多种功能，依靠器件内部构造或外部信号处理系统，同时检测多种参量。智能化传感器具有对环境的自适应能力（即具有学习、识别、判断和逻辑处理功能）。实例：医学上利用红外温度传感器和光学系统组合在一起的红外摄像机，可以根据体温分布、根据身体体温下降的部分，准确地发现乳腺癌。对磁场的感受，某些候鸟以此实现牵徙定位。工程霍尔元件的利用,第三章(4),智能传感与信息系统,5,3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用,机器人技术对触觉传感的需求：目的：检测机器人的某些部位（如手或足）与外界物体是否接触，识别物体的形状和在空间的位置，保证机器人的手能牢固地抓住物体，或保证其足能稳稳地踩在地面上。与应

4、用视觉传感器的比较，系统造价更低，控制更简单，尤适用与暗处或障碍物存在于视觉传感器和对象物之间无法获得视觉信息的地方。,第三章(4),智能传感与信息系统,6,3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用,机器人主要用手指来接触物体。故要求在手指表面大范围地分布相同的触觉传感器；用类似人的皮肤那样柔软而富有弹性的材料制作机器人的手，藉以增大与物体的接触面，牢固地握住物体。此外，还希望触觉传感器形体小、重量轻、灵敏度高、集成度高、可靠性高。,第三章(4),智能传感与信息系统,7,3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用,当今压力、温度两种传感器在工程界的广泛应用：约占整个传感器市场的5060，近年来朝集成

5、化、小型化、实现特殊检测等方面的发展趋势：可达8000温度上限、用于核聚变研究的激光温度传感器；80年代已推出的ST3000系列传感器：在同一敏感芯片上具有压力、差压、温度三个量检测功能的集成传感器；美国库利特（kulite）公司生产的CQ030微型压力传感器：小到0.76毫米、可穿过普通缝衣针的针眼，测量范围为100500PSi，本征频率为1500KHz，适用于风洞测量；前苏联研制的高可靠性热电阻：连续工作率在2000小时内不小于99，使用期长至10年。,第三章(4),智能传感与信息系统,8,3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用,磁敏传感器的广阔应用市场：国内每年用于数控车床的高精度磁敏开

6、关，需要10万支以上；用于汽车点火系统，每年40万套以上。（在低转速时也能稳定点火的霍尔元件）存在问题：元件国产化程度太低造成整支传感器的成本过高。发展还相对较慢，人们迫切希望与其相关的装置和处理技术都能够获得尽快的发展以满足日益增长的需求。,第三章(4),智能传感与信息系统,9,3.4.2 触觉传感的特点及相关研究,触觉传感的特点：大敏感区域，柔性传感材料和高密度的检测。当务之急：研制新型传感材料和新型结构。有源激励传感技术：（触觉传感器不可能与机器人执行器的运动分开考虑）机器人的运动要通过触觉传感器探测信息，而感官反馈技术则用于控制。触觉传感与视觉传感信息的合成：确保实现准确测量的一个重要

7、途径。总起来说，与触觉传感相关的研究方向包括：有源感知、传感器融合、智能传感器、触觉图像，接触感的柔韧性、分辨率和大面积触感等方面。,第三章(4),智能传感与信息系统,10,3.4.3 智能触觉传感器,1、触觉传感器的中心点探测 压力感应橡胶实现的触压分布区中心位置的测定：如图3.4.1所示，rp：S层电阻，反映分布压力p在单位面积上沿厚度方向的变化。在A层和B层上，由表面电阻r分别产生分布电压vA（x，y）和vB（x，y）。由于随压力而变的电阻rp的存在，从A层到B层产生了分布电流i（x，y）。根据该传感器的基本原理，可以用泊松方程来描述分布电流：,第三章(4),智能传感与信息系统,11,第

8、三章(4),智能传感与信息系统,12,3.4.3 智能触觉传感器,（366）在传感区域D建立起直角坐标（u，v），四条边分别为S1，S2，S3和S4，边长为2a，原点位于中心。以坐标u表征的从A层到B的一阶瞬时电流密度i（x，y）为：（367）用方程（367）减方程（366），根据格林定理有：（368）其中n为边界的法线方向，m为切线方向。,第三章(4),智能传感与信息系统,13,3.4.3 智能触觉传感器,因为方程（367）右端是沿边界的线积分，经边界条件的替换，该方程可以仅用电极电压 和 表述：（369）这里k是常数。从A层流到B的总电流i可通过流经电阻R计算出来，再把这一数据与方程（36

9、9）结合起来，就可以获得以坐标u描述的电流密度的中心位置。利用一个简单电路，可从电极电压 和 推导出这个值。应用同样的处理方式于B层，电流密度i可以由压感橡胶的特征函数f（p）表述，从而检测到中点以及f（p）的总和。,第三章(4),智能传感与信息系统,14,3.4.3 智能触觉传感器,2、第n个瞬时的检测采用蝶式快速富里叶变换电路实现富里叶变换的特征提取,这是一种多层并行处理系统。将先前由部分微分方程描述的分布系统转换为由差分方程描述的离散系统，利用多层并行处理电路检测模型瞬时特性。,第三章(4),智能传感与信息系统,15,3.4.3 智能触觉传感器,第三章(4),智能传感与信息系统,16,3

10、.4.3 智能触觉传感器,3、VLSI并行处理触觉传感器示例：图3.4.3。整个处理过程采用局部模式的并行处理 来自传感器的信息直接输入到每个处理元，仅有四个相邻的处理元相互连接（受集成度限制），各种处理可通过ALU实现，包括三个八位寄存器和一个四位乘法器。通过为数不多的门电路（每个处理元337个门）使用位串行操作实现所需功能。,第三章(4),智能传感与信息系统,17,第三章(4),智能传感与信息系统,18,3.4.3 智能触觉传感器,指令由固定程序存储器或者上位计算机的I/O口提供。传感器由8乘8矩阵形式的测压点设置于两层基片下面的基座上。通过在行方向的检测点扫描，来自行的信号被单一处理元处

11、理。当边缘信息通过来自1位模式的逻辑操作被提取出来，检测、处理和输出就在8.3微秒内全部完成。,第三章(4),智能传感与信息系统,19,3.4.4 具有视觉信号的触觉图像,例1：利用图像处理系统作为模式处理系统。来自传感器的输出转换处理为视觉信号作为传感处理机制的一部分，感应信息是压力分布信息。因为这些传感器基本上可通过TV监视器观察压力信息，所以有时也称为触觉图像。如图3.4.4所示。系统中压力感应橡胶作为压力敏感材料，电阻的变化被扫描并且由电极测定。关键问题：探测电阻和电容变化的高可靠性扫描电路，在防止通过其它测试点的信号通道产生串线干扰的同时，及时处理高速视觉信号。,第三章(4),智能传

12、感与信息系统,20,3.4.4 具有视觉信号的触觉图像,第三章(4),智能传感与信息系统,21,3.4.4 具有视觉信号的触觉图像,例2：应用基于FFT开关设计的完全无关性电路。从原理上说，这种方法可实现高速扫描而不产生串线干扰，但因为包括了大量接触点，因此要求较高的集成化。这是一种真值表配置型的传感器，以64乘64矩阵检测压力分布，输出通过图像处理器进行处理，这样压力分布的边缘和轮廓信息可以提取出来并进行显示。,第三章(4),智能传感与信息系统,22,3.4.4 具有视觉信号的触觉图像,例3：一种测量身体压力的触觉图像传感器。每一探测点都使用了一支二极管以防止串线干扰，扫描电路能在很大的触觉

13、图像范围内以较高精度与之配合。如果作为一种用于实际视觉系统的输入装置，这类传感器也是非常有用的。,第三章(4),智能传感与信息系统,23,3.4.5 有源传感,1、有源传感的基本结构 传感信息的处理方案并不严格地局限于传入形式，有时也利用传感器的运动处理作为感知系统的一部分。这种方法叫做有源传感器并用来处理传感器的定位问题或不定性问题。如果把传感仅仅看作一简单的检测装置，那么要实现所有期望的传感功能是很困难的，特别是对于安装了执行器的触觉传感器来说更是如此。所以有必要把传感问题看作包括了执行器系统在内的有源处理过程。,第三章(4),智能传感与信息系统,24,3.4.5 有源传感,对有源传感来说

14、，主要有三种传感构造。第一种结构是产生运动测量，传感器在测量范围内捕捉目标。如果经常性处理的是单一传感信息，这种操作功能的实现是困难的。第二种结构是防止传感信息的局域性，观察可及目标的整个图像范围。当测量目标大于传感器的测量范围时，要么传感器、要么目标必须实施运动观察以保证对整个目标的全方位监测。第三种结构是提取目标的微观结构，特别是比传感器分辨率更细的结构。在这种情况下，空间模式经过传感器的移动被转换为时空模式，从而使空间分辨率得到了改进。,第三章(4),智能传感与信息系统,25,3.4.5 有源传感,2、边缘寻踪系统有源传感第二种结构的一个例子：利用局部传感器辨识静止物体轮廓线的传感系统。

15、图3.4.5是这种系统的结构。系统模拟这样一种运动：先前通过指尖移动实现对目标轮廓的识别，称为触觉运动。以此实现未知目标的有源操作和整个目标图像的自动识别。,第三章(4),智能传感与信息系统,26,3.4.5 有源传感,系统使用了X-Y记录仪作为执行器，两维目标的边缘被局部传感器搜索和寻踪。测量操作完全自动进行。图中折线表示的未来的轨迹（即测量目标）完全是未知的，传出的信息被输入到内部模型，然后使用过去的数据，通过内部模型作出预测，根据预测结果激发有源运动，传感信息也被校正。在传感信息的处理过程中，前面讨论过的并行处理方式被用来从目标提取局域边缘。,第三章(4),智能传感与信息系统,27,3.

16、4.5 有源传感,第三章(4),智能传感与信息系统,28,3.4.5 有源传感,有两种方式实现二维边缘探测并通过模型激励实现寻踪。第一种方式是从“边缘检测”到“边缘位置控制与切线方向预测”，再到“传感器运动”；第二种方式是“边缘位置控制”和“持续运动”一并实现。在这种情况下，对应于前者的垂直分解和对应于后者的水平分解是完全等效的。,第三章(4),智能传感与信息系统,29,3.4.5 有源传感,3、空间滤波器的使用 有源传感第三种结构的一个例子：使用空间滤波器辨别目标表面的触觉组织。在这种传感器中，来自呈阵列设置的触觉传感器组的输出被输入到空间滤波器中，其响应可进行电气调整。通过激发传感器的运动

17、和调节滤波器响应，目标表面的粗糙程度被识别出来，这样就通过空间滤波器实现了一个并行处理过程。,第三章(4),智能传感与信息系统,30,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,集成磁传感器即一个或更多磁性传感器与外围电路在一硅片中有效地结合，由于传感器和电路的处理兼容性,这些传感器能很容易地与放大器、开关电路和运算电路等外围电路集成。一些集成传感器,例如包括霍尔单元和放大器在一块芯片上的霍尔IC,亦早已投入商业应用。,第三章(4),智能传感与信息系统,31,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,1、差动放大磁传感器 图3.4.6所示，从左到右依次为DAMS的结构、等效电路和

18、磁特性。DAMS芯片里有一块带有差动放大器的霍尔单元。霍尔单元形成在差动晶体管对的基底区域中，与晶体管不可分离。在这个传感器中，集电极C1和C2间的电流差值是霍尔电压的放大信号，经外部电阻RL转换为电压信号。因而绝对敏感性可能很大，在100K负载电阻下，可达120V/T。由于电源电压的限制，图中可观察到输出饱和特性，减小负荷电阻能避免这种饱和，当然，这也同时导致绝对敏感性的降低。该传感器的弱点是与标准IC过程的不兼容性。,第三章(4),智能传感与信息系统,32,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,第三章(4),智能传感与信息系统,33,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感

19、技术,2、具有具有双沟道的互补型MOS磁晶体管 具有晶体管结构的磁传感器叫做磁晶体管。例如，具有两个沟道的MOS磁性晶体管，随着磁场的引入，其中两个沟道电流产生不同变化。使用这样的磁晶体管，能实现一个复合传感器。图3.4.7展示了使用n型和p型MOS磁晶体管的互补MOS配置的结构、等效电路和磁特性。n型MOS磁晶体管作为p型MOS磁晶体管的有源负载。由于这种配置，当施加磁场于两个磁晶体管时,p型磁晶体管的一个沟道电流 ID1增加，n型磁晶体管的ID2减少。同时，相反的情形也出现在ID2和ID1中。因而，当两个晶体管运行在饱和情况下，沟道中电流的微弱变化会导致大的电压变化，可获得与偏置电流无关的

20、1.2V/T 的绝对敏感性。,第三章(4),智能传感与信息系统,34,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,第三章(4),智能传感与信息系统,35,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,3、多维磁传感器 垂直霍尔单元(VHC)可以检测平行于芯片表面的磁场，而使用两个相互垂直的VHC则可以实现二维磁性测量。此外，当探测垂直于芯片表面磁场的侧向霍尔单元LHC引入两维磁场传感器后，即可形成三维磁传感。因为VHC 和LHC均使用标准双极IC过程制造，所以实现包括双极信号处理电路在内的三维集成磁传感会很容易。这类多维磁传感器有相当大的空间分辨率(可达100m)和极好的轴向测量独立

21、性。由于VHC和LHC结构的不同造成它们不同的敏感性(VHC大约50V/AT，LHC大约300V/AT),所以在实际的三维应用中必须对其进行调整。三维磁传感器包括交叉偶合的双LHC对和两片VHC以产生偏置电压和驱动电流。通过调节单个霍尔单元的供应电流，可获得相同的轴向敏感性。,第三章(4),智能传感与信息系统,36,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,4、霍尔单元与放大器或开关电路的集成 几乎市场上所有霍尔IC 都能归入这个类别。因为双极技术适合设计如放大器和开关电路一类的外围电路，所以具有标准双极结构的霍尔单元，特别是LHC，常用来作为探测器。然而，磁阻元件和MOS霍尔单元也适

22、合几种霍尔IC。集成有霍尔单元的电路是一个带阻抗转换并且/或者是一个有滞后特征开关电路的差动放大器。在某些情况下，霍尔单元与具有温度补偿的恒流驱动类电路结合在一起。图是这类电路的两个例子，上图是带有控制电极的开关霍尔IC。控制电极起正反馈作用，实现滞后作用以及应用磁场的开关特性。下图是另一种类型的开关霍尔IC。为适应键盘的关键矩阵网络，这种霍尔IC 具有射极跟随器的两个输出电极。连接到霍尔单元的两个二极管用于保证温度补偿的敏感性。,第三章(4),智能传感与信息系统,37,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,第三章(4),智能传感与信息系统,38,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集

23、成化磁传感技术,5、霍尔单元与外部驱动电路的集成 对一个无刷电机的控制来说,磁传感器可用作电机转动的检测。如图所示的简单霍尔单元或霍尔IC即为这样的应用。同时，用作电机实际控制和驱动的还有包括运算放大器和功放晶体管外部电路在内的霍尔IC。即另一种集成功率霍尔IC，它包含了霍尔单元、各种电机控制电路和双极功率晶体管。因为在霍尔IC中耗能很大，所以我们必须仔细设计补偿电路用于高温造成的敏感度变化和零点漂移。,第三章(4),智能传感与信息系统,39,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,6、CDM与温度补偿电路的集成 一些磁传感器,如载域磁力仪CDM和侧壁注入抑制式磁性晶体管SSIMT，

24、就其敏感性等指标而言，有相对大的温度依赖性。所以这类传感器经常结合温度补偿电路作为集成磁传感器的一部分。因为温度补偿元与温度感应元会紧密地设置在同一芯片上，它们能够精确地匹配并实现快速准确的温度补偿。这是集成传感器的主要优点之一。,第三章(4),智能传感与信息系统,40,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,7、两维霍尔单元与运算电路的集成 前面提及的两维磁传感器与运算电路的结合能在x-y芯片平面用于确定所施加磁场的方向。施加磁场的方向通过正切方程=arctan(By/Bx)计算，这里Bx和By分别是磁场在x和y方向的分量。相关电路的设计则基于线性转换电路技术。它有许多优点，譬如以

25、电流为输出/输入、具有更高精度、更宽的动态范围和对温度变化的不敏感性等等。在相关实验装置中，系统分为两片IC芯片，一片包括两维磁性传感器和放大器，另一片包括运算电路。它们被固定在玻璃环氧树脂材料的印刷电路板上，以外加磁场方向（角度）和毫伏电压表征的输入输出特性呈现出良好的线性度。在外加磁力线密度为0.1T 的条件下，最大误差为2%/FS。这种类型的集成磁传感器可用作磁性指南针、磁带驱动的张力臂控制器、高精度电机控制 等等。此外，还能扩展到使用三维磁传感器实现的三维测量。,第三章(4),智能传感与信息系统,41,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,8、三维霍尔单元与运算电路的集成

26、运用霍尔单元的常规测量是一种单向性测量，要检测到未知方向和方向随时间变化的磁场是很困难的。然而，通过三维磁传感器和运算电路的集成能够实现全方位的测量。在这种集成传感器中，三维传感提供了磁场的三个分量Bx,By和Bz，而运算电路实现以下运算操作：,第三章(4),智能传感与信息系统,42,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,8、三维霍尔单元与运算电路的集成 全方位测量集成磁传感器以三维磁传感器为探测器,采用双极型模拟电路进行运算。整个电路由差动放大器、由乘法器实现的平方电路和基于线性电路变换技术的开方电路组成。芯片规格约为4.8毫米见方。在100mT磁强下，在不同的角度可获得不同的输

27、出电压，其中以传感器的倾斜角参量作为磁场角度，在34dB动态范围内，误差不超过4%。,第三章(4),智能传感与信息系统,43,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,9、霍尔单元/磁晶体管与调制式运算放大器的集成 以磁运算放大器MOP（Magneto Operational amplifier）命名的通用型磁传感器是另一种应用十分广泛的磁传感器。由两组差动输入放大单元构成了调制式运算放大电路。一组单元与正常用于电信号的运算放大器相似，另一组则用于磁信号。磁信号施加于电信号中并采用高增益放大器进行放大，电输入用于负反馈或正反馈，各种磁运算功能可通过改变反馈特性达到。与正常运算放大器相似

28、，可根据使用的反馈元件实现许多有关的磁操作(如简单的磁放大、带有滞后作用的磁开关、磁性合成与区分、磁控振荡器、对数和反对数变换、电流输出等等)。,第三章(4),智能传感与信息系统,44,3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,图是使用MOP构成的磁控振荡器电路及输出特性示意。其振荡频率由施加的磁场强度控制，其灵敏度大约为10 kHz/T 或250%/T。总起来说，截止目前关于集成磁传感器，人们围绕着放大开关、功率放大、温度补偿、计算、多维测量和通用化实现诸方面都做了不少研究和尝试，然而，除了霍尔IC已投入商业应用之外，实现其他各种功能的集成磁传感器大多仍处于研究之中而不具有商业价值。未来还有大量工作期待人们去完成。,第三章(4),智能传感与信息系统,45,