現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)

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1、第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)13.4.1 傳感器的觸覺(jué)仿生機(jī)理及應(yīng)用傳感器的觸覺(jué)仿生機(jī)理及應(yīng)用3.4.2 觸覺(jué)傳感的特點(diǎn)及相關(guān)研究觸覺(jué)傳感的特點(diǎn)及相關(guān)研究3.4.3 智能觸覺(jué)傳感器智能觸覺(jué)傳感器3.4.4 具有視覺(jué)信號(hào)的觸覺(jué)圖像具有視覺(jué)信號(hào)的觸覺(jué)圖像3.4.5 有源傳感有源傳感3.4.6 觸覺(jué)傳感的功能延伸觸覺(jué)傳感的功能延伸-集成化磁傳感技術(shù)集成化磁傳感技術(shù)第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)2l觸覺(jué)觸覺(jué): :接觸、滑動(dòng)、壓覺(jué)等機(jī)械刺激的總稱接觸、滑動(dòng)、壓覺(jué)等機(jī)械刺激的總稱, ,與皮膚功能相類似與皮膚功能相類似的智能機(jī)制。的智能機(jī)制。l人依靠表皮的游離神經(jīng)末梢能感受溫度、痛覺(jué)、觸覺(jué)等多種感人依靠表

2、皮的游離神經(jīng)末梢能感受溫度、痛覺(jué)、觸覺(jué)等多種感覺(jué)覺(jué) ，除視覺(jué)以外，觸覺(jué)接受外界的信息量最多。，除視覺(jué)以外，觸覺(jué)接受外界的信息量最多。l人類觸覺(jué)的產(chǎn)生人類觸覺(jué)的產(chǎn)生: :皮膚內(nèi)的觸覺(jué)細(xì)胞，感知皮膚內(nèi)的觸覺(jué)細(xì)胞，感知: :觸覺(jué)、壓感、痛覺(jué)、觸覺(jué)、壓感、痛覺(jué)、溫度等。溫度等。l功能延伸實(shí)現(xiàn)：溫度傳感器、壓力傳感器、磁傳感器功能延伸實(shí)現(xiàn)：溫度傳感器、壓力傳感器、磁傳感器l觸覺(jué)、壓感的外部激勵(lì)來(lái)自皮膚的力學(xué)性變形，與空間壓力梯觸覺(jué)、壓感的外部激勵(lì)來(lái)自皮膚的力學(xué)性變形，與空間壓力梯度、變形大小、速度及激勵(lì)面積有關(guān)。度、變形大小、速度及激勵(lì)面積有關(guān)。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)3 靈敏的靈敏的生物觸覺(jué)：生

3、物觸覺(jué)：l超過(guò)身體長(zhǎng)度超過(guò)身體長(zhǎng)度2.52.53 3倍的蟋蟀與蝦的觸須，確認(rèn)遠(yuǎn)處倍的蟋蟀與蝦的觸須，確認(rèn)遠(yuǎn)處物體所在的位置，判別其大小。物體所在的位置，判別其大小。l眼鏡蛇對(duì)溫度可達(dá)眼鏡蛇對(duì)溫度可達(dá)0.0010.001的分辨力：高靈敏度并不的分辨力：高靈敏度并不能保證判斷的準(zhǔn)確性。能保證判斷的準(zhǔn)確性。l給人的啟示：不僅要注重信息的獲取，而且要注重信給人的啟示：不僅要注重信息的獲取，而且要注重信息獲取后的分析、處理。息獲取后的分析、處理。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)4 今天的多功能集成化傳感器和智能化傳感器：兼顧了信息獲取與處理兩今天的多功能集成化傳感器和智能化傳感器：兼顧了信息獲取與處理兩種

4、功能。種功能。l多功能傳感器依靠敏感材料的多種功能，依靠器件內(nèi)部構(gòu)造或外部信號(hào)處多功能傳感器依靠敏感材料的多種功能，依靠器件內(nèi)部構(gòu)造或外部信號(hào)處理系統(tǒng)，同時(shí)檢測(cè)多種參量。理系統(tǒng)，同時(shí)檢測(cè)多種參量。l智能化傳感器具有對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力（即具有學(xué)習(xí)、識(shí)別、判斷和邏輯智能化傳感器具有對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力（即具有學(xué)習(xí)、識(shí)別、判斷和邏輯處理功能）。處理功能）。l實(shí)例：醫(yī)學(xué)上利用紅外溫度傳感器和光學(xué)系統(tǒng)組合在一起的紅外攝像機(jī)，實(shí)例：醫(yī)學(xué)上利用紅外溫度傳感器和光學(xué)系統(tǒng)組合在一起的紅外攝像機(jī)，可以根據(jù)體溫分布、根據(jù)身體體溫下降的部分，準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)乳腺癌?？梢愿鶕?jù)體溫分布、根據(jù)身體體溫下降的部分，準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)乳腺癌。

5、l對(duì)磁場(chǎng)的感受，某些候鳥以此實(shí)現(xiàn)牽徙定位。工程霍爾元件的利用對(duì)磁場(chǎng)的感受，某些候鳥以此實(shí)現(xiàn)牽徙定位。工程霍爾元件的利用第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)5 機(jī)器人技術(shù)對(duì)觸覺(jué)傳感的需求：機(jī)器人技術(shù)對(duì)觸覺(jué)傳感的需求：l目的：檢測(cè)機(jī)器人的某些部位（如手或足）與外界物體是否接目的：檢測(cè)機(jī)器人的某些部位（如手或足）與外界物體是否接觸，識(shí)別物體的形狀和在空間的位置，保證機(jī)器人的手能牢固觸，識(shí)別物體的形狀和在空間的位置，保證機(jī)器人的手能牢固地抓住物體，或保證其足能穩(wěn)穩(wěn)地踩在地面上。地抓住物體，或保證其足能穩(wěn)穩(wěn)地踩在地面上。l與應(yīng)用視覺(jué)傳感器的比較，系統(tǒng)造價(jià)更低，控制更簡(jiǎn)單，尤適與應(yīng)用視覺(jué)傳感器的比較，系統(tǒng)造價(jià)更

6、低，控制更簡(jiǎn)單，尤適用與暗處或障礙物存在于視覺(jué)傳感器和對(duì)象物之間無(wú)法獲得視用與暗處或障礙物存在于視覺(jué)傳感器和對(duì)象物之間無(wú)法獲得視覺(jué)信息的地方。覺(jué)信息的地方。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)6 機(jī)器人主要用手指來(lái)接觸物體。故要求在手指表機(jī)器人主要用手指來(lái)接觸物體。故要求在手指表面大范圍地分布相同的觸覺(jué)傳感器；用類似人的皮膚面大范圍地分布相同的觸覺(jué)傳感器；用類似人的皮膚那樣柔軟而富有彈性的材料制作機(jī)器人的手，藉以增那樣柔軟而富有彈性的材料制作機(jī)器人的手，藉以增大與物體的接觸面，牢固地握住物體。此外，還希望大與物體的接觸面，牢固地握住物體。此外，還希望觸覺(jué)傳感器形體小、重量輕、靈敏度高、集成度高、觸覺(jué)

7、傳感器形體小、重量輕、靈敏度高、集成度高、可靠性高?？煽啃愿?。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)7 當(dāng)今壓力、溫度兩種傳感器在工程界的廣泛應(yīng)用：當(dāng)今壓力、溫度兩種傳感器在工程界的廣泛應(yīng)用：l約占整個(gè)傳感器市場(chǎng)的約占整個(gè)傳感器市場(chǎng)的5060，近年來(lái)朝集成化、小型化、實(shí)現(xiàn)特殊檢測(cè)，近年來(lái)朝集成化、小型化、實(shí)現(xiàn)特殊檢測(cè)等方面的發(fā)展趨勢(shì)：等方面的發(fā)展趨勢(shì)：l可達(dá)可達(dá)8000溫度上限、用于核聚變研究的激光溫度傳感器；溫度上限、用于核聚變研究的激光溫度傳感器；l80年代已推出的年代已推出的ST3000系列傳感器：在同一敏感芯片上具有壓力、差壓、溫系列傳感器：在同一敏感芯片上具有壓力、差壓、溫度三個(gè)量檢測(cè)功能的

8、集成傳感器；度三個(gè)量檢測(cè)功能的集成傳感器；l美國(guó)庫(kù)利特（美國(guó)庫(kù)利特（kulite）公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的CQ030微型壓力傳感器：小到微型壓力傳感器：小到0.76毫米、毫米、可穿過(guò)普通縫衣針的針眼，測(cè)量范圍為可穿過(guò)普通縫衣針的針眼，測(cè)量范圍為100500PSi，本征頻率為本征頻率為1500KHz，適用于風(fēng)洞測(cè)量；適用于風(fēng)洞測(cè)量；l前蘇聯(lián)研制的高可靠性熱電阻：連續(xù)工作率在前蘇聯(lián)研制的高可靠性熱電阻：連續(xù)工作率在2000小時(shí)內(nèi)不小于小時(shí)內(nèi)不小于99，使用，使用期長(zhǎng)至期長(zhǎng)至10年。年。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)8 磁敏傳感器的廣闊應(yīng)用市場(chǎng)：磁敏傳感器的廣闊應(yīng)用市場(chǎng)：l國(guó)內(nèi)每年用于數(shù)控車床的高精度磁

9、敏開關(guān)，需要國(guó)內(nèi)每年用于數(shù)控車床的高精度磁敏開關(guān)，需要10萬(wàn)支以上；萬(wàn)支以上；l用于汽車點(diǎn)火系統(tǒng)，每年用于汽車點(diǎn)火系統(tǒng)，每年40萬(wàn)套以上。（在低轉(zhuǎn)速時(shí)也能穩(wěn)定萬(wàn)套以上。（在低轉(zhuǎn)速時(shí)也能穩(wěn)定點(diǎn)火的霍爾元件）點(diǎn)火的霍爾元件）存在問(wèn)題：存在問(wèn)題：l元件國(guó)產(chǎn)化程度太低造成整支傳感器的成本過(guò)高。元件國(guó)產(chǎn)化程度太低造成整支傳感器的成本過(guò)高。l發(fā)展還相對(duì)較慢，人們迫切希望與其相關(guān)的裝置和處理技術(shù)都發(fā)展還相對(duì)較慢，人們迫切希望與其相關(guān)的裝置和處理技術(shù)都能夠獲得盡快的發(fā)展以滿足日益增長(zhǎng)的需求。能夠獲得盡快的發(fā)展以滿足日益增長(zhǎng)的需求。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)9l觸覺(jué)傳感的特點(diǎn)觸覺(jué)傳感的特點(diǎn)：大敏感區(qū)域，柔性

10、傳感材料和高密度的檢測(cè)。：大敏感區(qū)域，柔性傳感材料和高密度的檢測(cè)。l當(dāng)務(wù)之急：研制新型傳感材料和新型結(jié)構(gòu)。當(dāng)務(wù)之急：研制新型傳感材料和新型結(jié)構(gòu)。l有源激勵(lì)傳感技術(shù)：有源激勵(lì)傳感技術(shù)：（觸覺(jué)傳感器不可能與機(jī)器人執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)分觸覺(jué)傳感器不可能與機(jī)器人執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)分開考慮）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要通過(guò)觸覺(jué)傳感器探測(cè)信息，而感官反饋技開考慮）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要通過(guò)觸覺(jué)傳感器探測(cè)信息，而感官反饋技術(shù)則用于控制。術(shù)則用于控制。l觸覺(jué)傳感與視覺(jué)傳感信息的合成：確保實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的一個(gè)重要途觸覺(jué)傳感與視覺(jué)傳感信息的合成：確保實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的一個(gè)重要途徑。徑。 總起來(lái)說(shuō)，總起來(lái)說(shuō)，與觸覺(jué)傳感相關(guān)的研究方向包括：有源感知、傳與觸覺(jué)

11、傳感相關(guān)的研究方向包括：有源感知、傳感器融合、智能傳感器、觸覺(jué)圖像，接觸感的柔韌性、分辨率和大感器融合、智能傳感器、觸覺(jué)圖像，接觸感的柔韌性、分辨率和大面積觸感等方面。面積觸感等方面。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)10 1 1、 觸覺(jué)傳感器的中心點(diǎn)探測(cè)觸覺(jué)傳感器的中心點(diǎn)探測(cè) 壓力感應(yīng)橡膠實(shí)現(xiàn)的觸壓分布區(qū)中心位置的測(cè)定：如圖壓力感應(yīng)橡膠實(shí)現(xiàn)的觸壓分布區(qū)中心位置的測(cè)定：如圖3.4.13.4.1所示，所示， r rp p：S S層電阻，反映分布?jí)毫与娮?，反映分布?jí)毫 p在單位面積上沿厚度方向的變?cè)趩挝幻娣e上沿厚度方向的變化?；?。 在在A A層和層和B B層上，由表面電阻層上，由表面電阻r r分

12、別產(chǎn)生分布電壓分別產(chǎn)生分布電壓v vA A（x x，y y）和和v vB B（x x，y y）。）。 由于隨壓力而變的電阻由于隨壓力而變的電阻r rp p的存在，從的存在，從A A層到層到B B層產(chǎn)生了分布電流層產(chǎn)生了分布電流i i（x x，y y）。）。 根據(jù)該傳感器的基本原理，可以用泊松方程來(lái)描述分布電流：根據(jù)該傳感器的基本原理，可以用泊松方程來(lái)描述分布電流：第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)11第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)12 （3 36666） 在傳感區(qū)域在傳感區(qū)域D D建立起直角坐標(biāo)（建立起直角坐標(biāo)（u u，v v），），四條邊分別為四條邊分別為S S1 1，S S2 2，S S3 3

13、和和S S4 4，邊長(zhǎng)為邊長(zhǎng)為2 2a a，原點(diǎn)位于中心。以坐標(biāo)原點(diǎn)位于中心。以坐標(biāo)u u表征的從表征的從A A層層到到B B的一階瞬時(shí)電流密度的一階瞬時(shí)電流密度i i（x x，y y）為：為： （3 36767） 用方程（用方程（3 36767）減方程（）減方程（3 36666），根據(jù)格林定理有：），根據(jù)格林定理有： （3 36868） 其中其中n n為邊界的法線方向，為邊界的法線方向，m m為切線方向。為切線方向。rivrivBA22,DudxdyyxiyxuI),(),(dmnuvnvuIDAAu第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)13 因?yàn)榉匠蹋ㄒ驗(yàn)榉匠蹋? 36767）右端是沿邊界的線積分

14、，經(jīng)邊界條件）右端是沿邊界的線積分，經(jīng)邊界條件的替換，該方程可以僅用電極電壓的替換，該方程可以僅用電極電壓 和和 表述：表述： （3 36969） 這里這里k k是常數(shù)。是常數(shù)。 從從A A層流到層流到B B的總電流的總電流i i可通過(guò)流經(jīng)電阻可通過(guò)流經(jīng)電阻R R計(jì)計(jì)算出來(lái)，再把這一數(shù)據(jù)與方程（算出來(lái)，再把這一數(shù)據(jù)與方程（3 36969）結(jié)合起來(lái)，就可以獲）結(jié)合起來(lái)，就可以獲得以坐標(biāo)得以坐標(biāo)u u描述的電流密度的中心位置。利用一個(gè)簡(jiǎn)單電路，描述的電流密度的中心位置。利用一個(gè)簡(jiǎn)單電路，可從電極電壓可從電極電壓 和和 推導(dǎo)出這個(gè)值。應(yīng)用同樣的處理推導(dǎo)出這個(gè)值。應(yīng)用同樣的處理方式于方式于B B層，電

15、流密度層，電流密度i i可以由壓感橡膠的特征函數(shù)可以由壓感橡膠的特征函數(shù)f f（p p）表述，表述，從而檢測(cè)到中點(diǎn)以及從而檢測(cè)到中點(diǎn)以及f f（p p）的總和。的總和。 31svsvkIAAu 1svA 3svA 1svA 3svA 1svA第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)142 2、第、第n n個(gè)瞬時(shí)的檢測(cè)個(gè)瞬時(shí)的檢測(cè)l采用蝶式快速富里葉變換電路實(shí)現(xiàn)富里葉變換的特征提取采用蝶式快速富里葉變換電路實(shí)現(xiàn)富里葉變換的特征提取, ,這這是一種多層并行處理系統(tǒng)。是一種多層并行處理系統(tǒng)。l將先前由部分微分方程描述的分布系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為由差分方程描述將先前由部分微分方程描述的分布系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為由差分方程描述的離散系統(tǒng)

16、，利用多層并行處理電路檢測(cè)模型瞬時(shí)特性。的離散系統(tǒng)，利用多層并行處理電路檢測(cè)模型瞬時(shí)特性。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)15第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)163 3、VLSIVLSI并行處理觸覺(jué)傳感器并行處理觸覺(jué)傳感器l示例：圖示例：圖3.4.33.4.3。 整個(gè)處理過(guò)程采用局部模式的并行處理整個(gè)處理過(guò)程采用局部模式的并行處理 來(lái)自傳感器的信息直接輸入到每個(gè)處理元，僅有四個(gè)相鄰的來(lái)自傳感器的信息直接輸入到每個(gè)處理元，僅有四個(gè)相鄰的處理元相互連接（受集成度限制），各種處理可通過(guò)處理元相互連接（受集成度限制），各種處理可通過(guò)ALUALU實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)，包括三個(gè)八位寄存器和一個(gè)四位乘法器。通過(guò)為數(shù)不多的

17、門電路包括三個(gè)八位寄存器和一個(gè)四位乘法器。通過(guò)為數(shù)不多的門電路（每個(gè)處理元（每個(gè)處理元337337個(gè)門）使用位串行操作實(shí)現(xiàn)所需功能。個(gè)門）使用位串行操作實(shí)現(xiàn)所需功能。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)17第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)18 指令由固定程序存儲(chǔ)器或者上位計(jì)算機(jī)的指令由固定程序存儲(chǔ)器或者上位計(jì)算機(jī)的I/OI/O口提口提供。傳感器由供。傳感器由8 8乘乘8 8矩陣形式的測(cè)壓點(diǎn)設(shè)置于兩層基片下矩陣形式的測(cè)壓點(diǎn)設(shè)置于兩層基片下面的基座上。通過(guò)在行方向的檢測(cè)點(diǎn)掃描，來(lái)自行的信面的基座上。通過(guò)在行方向的檢測(cè)點(diǎn)掃描，來(lái)自行的信號(hào)被單一處理元處理。當(dāng)邊緣信息通過(guò)來(lái)自號(hào)被單一處理元處理。當(dāng)邊緣信息通過(guò)

18、來(lái)自1 1位模式的位模式的邏輯操作被提取出來(lái)，檢測(cè)、處理和輸出就在邏輯操作被提取出來(lái)，檢測(cè)、處理和輸出就在8.38.3微秒微秒內(nèi)全部完成。內(nèi)全部完成。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)19l例例1 1：利用圖像處理系統(tǒng)作為模式處理系統(tǒng)。：利用圖像處理系統(tǒng)作為模式處理系統(tǒng)。 來(lái)自傳感器的輸出轉(zhuǎn)換處理為視覺(jué)信號(hào)作為傳感處理機(jī)制的一部分，感來(lái)自傳感器的輸出轉(zhuǎn)換處理為視覺(jué)信號(hào)作為傳感處理機(jī)制的一部分，感應(yīng)信息是壓力分布信息。因?yàn)檫@些傳感器基本上可通過(guò)應(yīng)信息是壓力分布信息。因?yàn)檫@些傳感器基本上可通過(guò)TVTV監(jiān)視器觀察壓力信監(jiān)視器觀察壓力信息，所以有時(shí)也稱為觸覺(jué)圖像。如圖息，所以有時(shí)也稱為觸覺(jué)圖像。如圖3.

19、4.43.4.4所示。所示。 系統(tǒng)中壓力感應(yīng)橡膠作為壓力敏感材料，電阻的變化被掃描并且由電極系統(tǒng)中壓力感應(yīng)橡膠作為壓力敏感材料，電阻的變化被掃描并且由電極測(cè)定。測(cè)定。 關(guān)鍵問(wèn)題：探測(cè)電阻和電容變化的高可靠性掃描電路，在防止通過(guò)其它關(guān)鍵問(wèn)題：探測(cè)電阻和電容變化的高可靠性掃描電路，在防止通過(guò)其它測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)通道產(chǎn)生串線干擾的同時(shí)，及時(shí)處理高速視覺(jué)信號(hào)。測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)通道產(chǎn)生串線干擾的同時(shí)，及時(shí)處理高速視覺(jué)信號(hào)。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)20第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)21例例2 2：應(yīng)用基于：應(yīng)用基于FFTFFT開關(guān)設(shè)計(jì)的完全無(wú)關(guān)性電路。開關(guān)設(shè)計(jì)的完全無(wú)關(guān)性電路。 從原理上說(shuō)，這種方法可實(shí)現(xiàn)高

20、速掃描而不產(chǎn)生串線干擾，從原理上說(shuō)，這種方法可實(shí)現(xiàn)高速掃描而不產(chǎn)生串線干擾，但因?yàn)榘舜罅拷佑|點(diǎn)，因此要求較高的集成化。這是一但因?yàn)榘舜罅拷佑|點(diǎn)，因此要求較高的集成化。這是一種真值表配置型的傳感器，以種真值表配置型的傳感器，以6464乘乘6464矩陣檢測(cè)壓力分布，輸矩陣檢測(cè)壓力分布，輸出通過(guò)圖像處理器進(jìn)行處理，這樣壓力分布的邊緣和輪廓信出通過(guò)圖像處理器進(jìn)行處理，這樣壓力分布的邊緣和輪廓信息可以提取出來(lái)并進(jìn)行顯示。息可以提取出來(lái)并進(jìn)行顯示。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)22l例例3 3：一種測(cè)量身體壓力的觸覺(jué)圖像傳感器。：一種測(cè)量身體壓力的觸覺(jué)圖像傳感器。 每一探測(cè)點(diǎn)都使用了一支二極管以防

21、止串線干擾，每一探測(cè)點(diǎn)都使用了一支二極管以防止串線干擾，掃描電路能在很大的觸覺(jué)圖像范圍內(nèi)以較高精度與之掃描電路能在很大的觸覺(jué)圖像范圍內(nèi)以較高精度與之配合。如果作為一種用于實(shí)際視覺(jué)系統(tǒng)的輸入裝置，配合。如果作為一種用于實(shí)際視覺(jué)系統(tǒng)的輸入裝置，這類傳感器也是非常有用的。這類傳感器也是非常有用的。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)231 1、有源傳感的基本結(jié)構(gòu)、有源傳感的基本結(jié)構(gòu) 傳感信息的處理方案并不嚴(yán)格地局限于傳入形式，有時(shí)也傳感信息的處理方案并不嚴(yán)格地局限于傳入形式，有時(shí)也利用傳利用傳感器的運(yùn)動(dòng)處理作為感知系統(tǒng)的一部分。這種方法叫做感器的運(yùn)動(dòng)處理作為感知系統(tǒng)的一部分。這種方法叫做有源傳感器并用來(lái)

22、處理傳感器的定位問(wèn)題或不定性問(wèn)題。有源傳感器并用來(lái)處理傳感器的定位問(wèn)題或不定性問(wèn)題。 如果把傳感僅僅看作一簡(jiǎn)單的檢測(cè)裝置，那么要實(shí)現(xiàn)所有如果把傳感僅僅看作一簡(jiǎn)單的檢測(cè)裝置，那么要實(shí)現(xiàn)所有期望的傳感功能是很困難的，特別是對(duì)于安裝了執(zhí)行器的觸覺(jué)期望的傳感功能是很困難的，特別是對(duì)于安裝了執(zhí)行器的觸覺(jué)傳感器來(lái)說(shuō)更是如此。所以有必要把傳感問(wèn)題看作包括了執(zhí)行傳感器來(lái)說(shuō)更是如此。所以有必要把傳感問(wèn)題看作包括了執(zhí)行器系統(tǒng)在內(nèi)的有源處理過(guò)程。器系統(tǒng)在內(nèi)的有源處理過(guò)程。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)24 對(duì)有源傳感來(lái)說(shuō)，主要有三種傳感構(gòu)造。對(duì)有源傳感來(lái)說(shuō)，主要有三種傳感構(gòu)造。 第一種結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)測(cè)量，傳感器在測(cè)

23、量范圍內(nèi)捕捉目標(biāo)。如第一種結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)測(cè)量，傳感器在測(cè)量范圍內(nèi)捕捉目標(biāo)。如果經(jīng)常性處理的是單一傳感信息，這種操作功能的實(shí)現(xiàn)是困難的。果經(jīng)常性處理的是單一傳感信息，這種操作功能的實(shí)現(xiàn)是困難的。 第二種結(jié)構(gòu)是防止傳感信息的局域性，觀察可及目標(biāo)的整個(gè)圖像第二種結(jié)構(gòu)是防止傳感信息的局域性，觀察可及目標(biāo)的整個(gè)圖像范圍。當(dāng)測(cè)量目標(biāo)大于傳感器的測(cè)量范圍時(shí)，要么傳感器、要么目標(biāo)范圍。當(dāng)測(cè)量目標(biāo)大于傳感器的測(cè)量范圍時(shí)，要么傳感器、要么目標(biāo)必須實(shí)施運(yùn)動(dòng)觀察以保證對(duì)整個(gè)目標(biāo)的全方位監(jiān)測(cè)。必須實(shí)施運(yùn)動(dòng)觀察以保證對(duì)整個(gè)目標(biāo)的全方位監(jiān)測(cè)。 第三種結(jié)構(gòu)是提取目標(biāo)的微觀結(jié)構(gòu)，特別是比傳感器分辨率更細(xì)第三種結(jié)構(gòu)是提取目標(biāo)的微

24、觀結(jié)構(gòu)，特別是比傳感器分辨率更細(xì)的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，空間模式經(jīng)過(guò)傳感器的移動(dòng)被轉(zhuǎn)換為時(shí)空模的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，空間模式經(jīng)過(guò)傳感器的移動(dòng)被轉(zhuǎn)換為時(shí)空模式，從而使空間分辨率得到了改進(jìn)。式，從而使空間分辨率得到了改進(jìn)。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)252 2、邊緣尋蹤系統(tǒng)、邊緣尋蹤系統(tǒng)l有源傳感第二種結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子：有源傳感第二種結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子： 利用局部傳感器辨識(shí)靜止物體輪廓線的傳感系統(tǒng)。利用局部傳感器辨識(shí)靜止物體輪廓線的傳感系統(tǒng)。圖圖3.4.53.4.5是這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。是這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)模擬這樣一種運(yùn)動(dòng)：先前通過(guò)指尖移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)模擬這樣一種運(yùn)動(dòng)：先前通過(guò)指尖移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)輪廓的識(shí)

25、別，稱為觸覺(jué)運(yùn)動(dòng)。以此實(shí)現(xiàn)未知目標(biāo)的目標(biāo)輪廓的識(shí)別，稱為觸覺(jué)運(yùn)動(dòng)。以此實(shí)現(xiàn)未知目標(biāo)的有源操作和整個(gè)目標(biāo)圖像的自動(dòng)識(shí)別。有源操作和整個(gè)目標(biāo)圖像的自動(dòng)識(shí)別。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)26 系統(tǒng)使用了系統(tǒng)使用了X-YX-Y記錄儀作為執(zhí)行器，兩維目標(biāo)的記錄儀作為執(zhí)行器，兩維目標(biāo)的邊緣被局部傳感器搜索和尋蹤。測(cè)量操作完全自動(dòng)進(jìn)邊緣被局部傳感器搜索和尋蹤。測(cè)量操作完全自動(dòng)進(jìn)行。圖中折線表示的未來(lái)的軌跡（即測(cè)量目標(biāo)）完全行。圖中折線表示的未來(lái)的軌跡（即測(cè)量目標(biāo)）完全是未知的，傳出的信息被輸入到內(nèi)部模型，然后使用是未知的，傳出的信息被輸入到內(nèi)部模型，然后使用過(guò)去的數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部模型作出預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果過(guò)

26、去的數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部模型作出預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果激發(fā)有源運(yùn)動(dòng)，傳感信息也被校正。在傳感信息的處激發(fā)有源運(yùn)動(dòng)，傳感信息也被校正。在傳感信息的處理過(guò)程中，前面討論過(guò)的并行處理方式被用來(lái)從目標(biāo)理過(guò)程中，前面討論過(guò)的并行處理方式被用來(lái)從目標(biāo)提取局域邊緣。提取局域邊緣。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)27第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)28 有兩種方式實(shí)現(xiàn)二維邊緣探測(cè)并通過(guò)模型激勵(lì)實(shí)有兩種方式實(shí)現(xiàn)二維邊緣探測(cè)并通過(guò)模型激勵(lì)實(shí)現(xiàn)尋蹤?，F(xiàn)尋蹤。 第一種方式是從第一種方式是從“邊緣檢測(cè)邊緣檢測(cè)”到到“邊緣位置控制邊緣位置控制與切線方向預(yù)測(cè)與切線方向預(yù)測(cè)”，再到，再到“傳感器運(yùn)動(dòng)傳感器運(yùn)動(dòng)”； 第二種方式是第二種方式是

27、“邊緣位置控制邊緣位置控制”和和“持續(xù)運(yùn)動(dòng)持續(xù)運(yùn)動(dòng)”一并實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，對(duì)應(yīng)于前者的垂直分解和一并實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，對(duì)應(yīng)于前者的垂直分解和對(duì)應(yīng)于后者的水平分解是完全等效的。對(duì)應(yīng)于后者的水平分解是完全等效的。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)293 3、空間濾波器的使用、空間濾波器的使用 有源傳感第三種結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子：使用空間濾波有源傳感第三種結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子：使用空間濾波器辨別目標(biāo)表面的觸覺(jué)組織。器辨別目標(biāo)表面的觸覺(jué)組織。 在這種傳感器中，來(lái)自呈陣列設(shè)置的觸覺(jué)傳感器在這種傳感器中，來(lái)自呈陣列設(shè)置的觸覺(jué)傳感器組的輸出被輸入到空間濾波器中，其響應(yīng)可進(jìn)行電氣組的輸出被輸入到空間濾波器中，其響應(yīng)可進(jìn)

28、行電氣調(diào)整。通過(guò)激發(fā)傳感器的運(yùn)動(dòng)和調(diào)節(jié)濾波器響應(yīng)，目調(diào)整。通過(guò)激發(fā)傳感器的運(yùn)動(dòng)和調(diào)節(jié)濾波器響應(yīng)，目標(biāo)表面的粗糙程度被識(shí)別出來(lái)，這樣就通過(guò)空間濾波標(biāo)表面的粗糙程度被識(shí)別出來(lái)，這樣就通過(guò)空間濾波器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)并行處理過(guò)程。器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)并行處理過(guò)程。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)30 集成磁傳感器即一個(gè)或更多磁性傳感器與外圍電集成磁傳感器即一個(gè)或更多磁性傳感器與外圍電路在一硅片中有效地結(jié)合，由于傳感器和電路的處理路在一硅片中有效地結(jié)合，由于傳感器和電路的處理兼容性兼容性, 這些傳感器能很容易地與放大器、開關(guān)電路這些傳感器能很容易地與放大器、開關(guān)電路和運(yùn)算電路等外圍電路集成。一些集成傳感器和運(yùn)算電路等

29、外圍電路集成。一些集成傳感器, 例如例如包括霍爾單元和放大器在一塊芯片上的霍爾包括霍爾單元和放大器在一塊芯片上的霍爾IC , 亦早亦早已投入商業(yè)應(yīng)用。已投入商業(yè)應(yīng)用。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)311 1、差動(dòng)放大磁傳感器、差動(dòng)放大磁傳感器 圖圖3.4.63.4.6所示，從左到右依次為所示，從左到右依次為DAMSDAMS的結(jié)構(gòu)、等效電路和的結(jié)構(gòu)、等效電路和磁特性。磁特性。DAMSDAMS芯片里有一塊帶有差動(dòng)放大器的霍爾單元?；魻栃酒镉幸粔K帶有差動(dòng)放大器的霍爾單元?；魻枂卧纬稍诓顒?dòng)晶體管對(duì)的基底區(qū)域中，與晶體管不可分離。單元形成在差動(dòng)晶體管對(duì)的基底區(qū)域中，與晶體管不可分離。在這個(gè)傳感器中

30、，集電極在這個(gè)傳感器中，集電極C1C1和和C2C2間的電流差值是霍爾電壓的放間的電流差值是霍爾電壓的放大信號(hào)，經(jīng)外部電阻大信號(hào)，經(jīng)外部電阻R RL L轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。因而絕對(duì)敏感性可能轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。因而絕對(duì)敏感性可能很大，在很大，在100100K K負(fù)載電阻下，可達(dá)負(fù)載電阻下，可達(dá)120120V/TV/T。由于電源電壓的限制，由于電源電壓的限制，圖中可觀察到輸出飽和特性，減小負(fù)荷電阻能避免這種飽和，圖中可觀察到輸出飽和特性，減小負(fù)荷電阻能避免這種飽和，當(dāng)然，當(dāng)然， 這也同時(shí)導(dǎo)致絕對(duì)敏感性的降低。該傳感器的弱點(diǎn)是這也同時(shí)導(dǎo)致絕對(duì)敏感性的降低。該傳感器的弱點(diǎn)是與標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)ICIC過(guò)程的不兼容性。

31、過(guò)程的不兼容性。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)32第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)332 2、具有具有雙溝道的互補(bǔ)型、具有具有雙溝道的互補(bǔ)型MOSMOS磁晶體管磁晶體管 具有晶體管結(jié)構(gòu)的磁傳感器叫做磁晶體管。例如，具有兩個(gè)溝道的具有晶體管結(jié)構(gòu)的磁傳感器叫做磁晶體管。例如，具有兩個(gè)溝道的MOSMOS磁性晶體管，隨著磁場(chǎng)的引入，其中兩個(gè)溝道電流產(chǎn)生不同變化。使用這磁性晶體管，隨著磁場(chǎng)的引入，其中兩個(gè)溝道電流產(chǎn)生不同變化。使用這樣的磁晶體管，能實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)合傳感器。圖樣的磁晶體管，能實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)合傳感器。圖3.4.73.4.7展示了使用展示了使用n n型和型和p p型型MOSMOS磁晶體管的互補(bǔ)磁晶體管

32、的互補(bǔ)MOSMOS配置的結(jié)構(gòu)、等效電路和磁特性。配置的結(jié)構(gòu)、等效電路和磁特性。n n型型MOSMOS磁晶體管作為磁晶體管作為p p型型MOSMOS磁晶體管的有源負(fù)載。由于這種配置，當(dāng)施加磁場(chǎng)于兩個(gè)磁晶體管磁晶體管的有源負(fù)載。由于這種配置，當(dāng)施加磁場(chǎng)于兩個(gè)磁晶體管時(shí)時(shí), , p p型磁晶體管的一個(gè)溝道電流型磁晶體管的一個(gè)溝道電流 I ID1D1增加，增加，n n型磁晶體管的型磁晶體管的I ID2D2 減少。同時(shí)，減少。同時(shí)，相反的情形也出現(xiàn)在相反的情形也出現(xiàn)在I ID2D2和和I ID1D1 中。因而，當(dāng)兩個(gè)晶體管運(yùn)行在飽和情況下，中。因而，當(dāng)兩個(gè)晶體管運(yùn)行在飽和情況下，溝道中電流的微弱變化會(huì)導(dǎo)

33、致大的電壓變化，可獲得與偏置電流無(wú)關(guān)的溝道中電流的微弱變化會(huì)導(dǎo)致大的電壓變化，可獲得與偏置電流無(wú)關(guān)的1.21.2V /T V /T 的絕對(duì)敏感性。的絕對(duì)敏感性。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)34第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)353 3、多維磁傳感器、多維磁傳感器 垂直霍爾單元垂直霍爾單元( (VHC)VHC)可以檢測(cè)平行于芯片表面的磁場(chǎng)，而使用兩個(gè)相互垂直可以檢測(cè)平行于芯片表面的磁場(chǎng)，而使用兩個(gè)相互垂直的的VHCVHC則可以實(shí)現(xiàn)二維磁性測(cè)量。此外，當(dāng)探測(cè)垂直于芯片表面磁場(chǎng)的側(cè)向霍則可以實(shí)現(xiàn)二維磁性測(cè)量。此外，當(dāng)探測(cè)垂直于芯片表面磁場(chǎng)的側(cè)向霍爾單元爾單元LHCLHC引入兩維磁場(chǎng)傳感器后，即可形

34、成三維磁傳感。因?yàn)橐雰删S磁場(chǎng)傳感器后，即可形成三維磁傳感。因?yàn)閂HC VHC 和和LHCLHC均均使用標(biāo)準(zhǔn)雙極使用標(biāo)準(zhǔn)雙極ICIC過(guò)程制造，所以實(shí)現(xiàn)包括雙極信號(hào)處理電路在內(nèi)的三維集成過(guò)程制造，所以實(shí)現(xiàn)包括雙極信號(hào)處理電路在內(nèi)的三維集成磁傳感會(huì)很容易。這類多維磁傳感器有相當(dāng)大的空間分辨率磁傳感會(huì)很容易。這類多維磁傳感器有相當(dāng)大的空間分辨率( (可達(dá)可達(dá)100100m) m) 和和極好的軸向測(cè)量獨(dú)立性。由于極好的軸向測(cè)量獨(dú)立性。由于VHCVHC和和LHCLHC結(jié)構(gòu)的不同造成它們不同的敏感性結(jié)構(gòu)的不同造成它們不同的敏感性 ( (VHCVHC大約大約5050V/ATV/AT，LHCLHC大約大約30

35、0300V/AT), V/AT), 所以在實(shí)際的三維應(yīng)用中必須對(duì)其進(jìn)行所以在實(shí)際的三維應(yīng)用中必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整。 三維磁傳感器包括交叉偶合的雙三維磁傳感器包括交叉偶合的雙LHC對(duì)和兩片對(duì)和兩片VHC以產(chǎn)生偏置電壓和驅(qū)以產(chǎn)生偏置電壓和驅(qū)動(dòng)電流。通過(guò)調(diào)節(jié)單個(gè)霍爾單元的供應(yīng)電流，可獲得相同的軸向敏感性。動(dòng)電流。通過(guò)調(diào)節(jié)單個(gè)霍爾單元的供應(yīng)電流，可獲得相同的軸向敏感性。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)364 4、霍爾單元與放大器或開關(guān)電路的集成、霍爾單元與放大器或開關(guān)電路的集成 幾乎市場(chǎng)上所有霍爾幾乎市場(chǎng)上所有霍爾IC 都能歸入這個(gè)類別。因?yàn)殡p極技術(shù)適合設(shè)計(jì)如放都能歸入這個(gè)類別。因?yàn)殡p極技術(shù)適合設(shè)計(jì)

36、如放大器和開關(guān)電路一類的外圍電路，所以具有標(biāo)準(zhǔn)雙極結(jié)構(gòu)的霍爾單元，特別大器和開關(guān)電路一類的外圍電路，所以具有標(biāo)準(zhǔn)雙極結(jié)構(gòu)的霍爾單元，特別是是LHC，常用來(lái)作為探測(cè)器。然而，磁阻元件和常用來(lái)作為探測(cè)器。然而，磁阻元件和MOS霍爾單元也適合幾種霍霍爾單元也適合幾種霍爾爾IC。集成有霍爾單元的電路是一個(gè)帶阻抗轉(zhuǎn)換并且集成有霍爾單元的電路是一個(gè)帶阻抗轉(zhuǎn)換并且/或者是一個(gè)有滯后特征或者是一個(gè)有滯后特征開關(guān)電路的差動(dòng)放大器。在某些情況下，霍爾單元與具有溫度補(bǔ)償?shù)暮懔黩?qū)開關(guān)電路的差動(dòng)放大器。在某些情況下，霍爾單元與具有溫度補(bǔ)償?shù)暮懔黩?qū)動(dòng)類電路結(jié)合在一起。圖動(dòng)類電路結(jié)合在一起。圖3.4.8是這類電路的兩個(gè)例子

37、，上圖是帶有控制電極是這類電路的兩個(gè)例子，上圖是帶有控制電極的開關(guān)霍爾的開關(guān)霍爾IC?？刂齐姌O起正反饋?zhàn)饔?，?shí)現(xiàn)滯后作用以及應(yīng)用磁場(chǎng)的開關(guān)控制電極起正反饋?zhàn)饔茫瑢?shí)現(xiàn)滯后作用以及應(yīng)用磁場(chǎng)的開關(guān)特性。下圖是另一種類型的開關(guān)霍爾特性。下圖是另一種類型的開關(guān)霍爾IC。為適應(yīng)鍵盤的關(guān)鍵矩陣網(wǎng)絡(luò)，這種為適應(yīng)鍵盤的關(guān)鍵矩陣網(wǎng)絡(luò)，這種霍爾霍爾IC 具有射極跟隨器的兩個(gè)輸出電極。連接到霍爾單元的兩個(gè)二極管用于具有射極跟隨器的兩個(gè)輸出電極。連接到霍爾單元的兩個(gè)二極管用于保證溫度補(bǔ)償?shù)拿舾行浴１ＷC溫度補(bǔ)償?shù)拿舾行浴?第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)37第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)385 5、霍爾單元與外部驅(qū)動(dòng)電路的

38、集成、霍爾單元與外部驅(qū)動(dòng)電路的集成 對(duì)一個(gè)無(wú)刷電機(jī)的控制來(lái)說(shuō)對(duì)一個(gè)無(wú)刷電機(jī)的控制來(lái)說(shuō), 磁傳感器可用作電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的磁傳感器可用作電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的檢測(cè)。如圖檢測(cè)。如圖3.4.8所示的簡(jiǎn)單霍爾單元或霍爾所示的簡(jiǎn)單霍爾單元或霍爾IC即為這樣的應(yīng)用。即為這樣的應(yīng)用。同時(shí)，用作電機(jī)實(shí)際控制和驅(qū)動(dòng)的還有包括運(yùn)算放大器和功放同時(shí)，用作電機(jī)實(shí)際控制和驅(qū)動(dòng)的還有包括運(yùn)算放大器和功放晶體管外部電路在內(nèi)的霍爾晶體管外部電路在內(nèi)的霍爾IC。即另一種集成功率霍爾即另一種集成功率霍爾IC，它它包含了霍爾單元、各種電機(jī)控制電路和雙極功率晶體管。因?yàn)榘嘶魻枂卧?、各種電機(jī)控制電路和雙極功率晶體管。因?yàn)樵诨魻栐诨魻朓C中耗能很大，所

39、以我們必須仔細(xì)設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路用于高中耗能很大，所以我們必須仔細(xì)設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路用于高溫造成的敏感度變化和零點(diǎn)漂移。溫造成的敏感度變化和零點(diǎn)漂移。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)396 6、CDMCDM與溫度補(bǔ)償電路的集成與溫度補(bǔ)償電路的集成 一些磁傳感器一些磁傳感器, 如載域磁力儀如載域磁力儀CDM和側(cè)壁注入和側(cè)壁注入抑制式磁性晶體管抑制式磁性晶體管SSIMT，就其敏感性等指標(biāo)而言，就其敏感性等指標(biāo)而言，有相對(duì)大的溫度依賴性。所以這類傳感器經(jīng)常結(jié)合溫有相對(duì)大的溫度依賴性。所以這類傳感器經(jīng)常結(jié)合溫度補(bǔ)償電路作為集成磁傳感器的一部分。因?yàn)闇囟妊a(bǔ)度補(bǔ)償電路作為集成磁傳感器的一部分。因?yàn)闇囟妊a(bǔ)償元與溫度感應(yīng)

40、元會(huì)緊密地設(shè)置在同一芯片上，它們償元與溫度感應(yīng)元會(huì)緊密地設(shè)置在同一芯片上，它們能夠精確地匹配并實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償。這是集能夠精確地匹配并實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償。這是集成傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)之一。成傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)之一。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)407 7、兩維霍爾單元與運(yùn)算電路的集成、兩維霍爾單元與運(yùn)算電路的集成 前面提及的兩維磁傳感器與運(yùn)算電路的結(jié)合能在前面提及的兩維磁傳感器與運(yùn)算電路的結(jié)合能在x-yx-y芯片平面用于確定所施芯片平面用于確定所施加磁場(chǎng)的方向。施加磁場(chǎng)的方向加磁場(chǎng)的方向。施加磁場(chǎng)的方向通過(guò)正切方程通過(guò)正切方程=arctan(By/Bx)=arctan(By/Bx)計(jì)算，

41、這計(jì)算，這里里BxBx和和ByBy分別是磁場(chǎng)在分別是磁場(chǎng)在x x和和y y方向的分量。相關(guān)電路的設(shè)計(jì)則基于線性轉(zhuǎn)換電方向的分量。相關(guān)電路的設(shè)計(jì)則基于線性轉(zhuǎn)換電路技術(shù)。它有許多優(yōu)點(diǎn)，譬如以電流為輸出路技術(shù)。它有許多優(yōu)點(diǎn)，譬如以電流為輸出/ /輸入、具有更高精度、更寬的動(dòng)輸入、具有更高精度、更寬的動(dòng)態(tài)范圍和對(duì)溫度變化的不敏感性等等。在相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置中，系統(tǒng)分為兩片態(tài)范圍和對(duì)溫度變化的不敏感性等等。在相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置中，系統(tǒng)分為兩片ICIC芯片，一片包括兩維磁性傳感器和放大器，另一片包括運(yùn)算電路。它們被固芯片，一片包括兩維磁性傳感器和放大器，另一片包括運(yùn)算電路。它們被固定在玻璃環(huán)氧樹脂材料的印刷電路板上，

42、以外加磁場(chǎng)方向（角度）和毫伏電定在玻璃環(huán)氧樹脂材料的印刷電路板上，以外加磁場(chǎng)方向（角度）和毫伏電壓表征的輸入輸出特性呈現(xiàn)出良好的線性度。在外加磁力線密度為壓表征的輸入輸出特性呈現(xiàn)出良好的線性度。在外加磁力線密度為0.10.1T T 的條的條件下，最大誤差為件下，最大誤差為2% / 2% / FSFS。 這種類型的集成磁傳感器可用作磁性指南針、磁帶驅(qū)動(dòng)的張力臂控制器、這種類型的集成磁傳感器可用作磁性指南針、磁帶驅(qū)動(dòng)的張力臂控制器、高精度電機(jī)控制高精度電機(jī)控制 等等。此外，還能擴(kuò)展到使用三維磁傳感器實(shí)現(xiàn)的三維測(cè)量。等等。此外，還能擴(kuò)展到使用三維磁傳感器實(shí)現(xiàn)的三維測(cè)量。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系

43、統(tǒng)418 8、三維霍爾單元與運(yùn)算電路的集成、三維霍爾單元與運(yùn)算電路的集成 運(yùn)用霍爾單元的常規(guī)測(cè)量是一種單向性測(cè)量，要檢測(cè)到未知運(yùn)用霍爾單元的常規(guī)測(cè)量是一種單向性測(cè)量，要檢測(cè)到未知方向和方向隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)是很困難的。然而，通過(guò)三維磁傳方向和方向隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)是很困難的。然而，通過(guò)三維磁傳感器和運(yùn)算電路的集成能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的測(cè)量。在這種集成傳感感器和運(yùn)算電路的集成能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的測(cè)量。在這種集成傳感器中，三維傳感提供了磁場(chǎng)的三個(gè)分量器中，三維傳感提供了磁場(chǎng)的三個(gè)分量Bx, ByBx, By和和BzBz，而運(yùn)算電路而運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算操作：實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算操作：21222zyxBBB第三章(4)現(xiàn)

44、代傳感技術(shù)與系統(tǒng)428 8、三維霍爾單元與運(yùn)算電路的集成、三維霍爾單元與運(yùn)算電路的集成 全方位測(cè)量集成磁傳感器以三維磁傳感器為探測(cè)器全方位測(cè)量集成磁傳感器以三維磁傳感器為探測(cè)器, 采用雙采用雙極型模擬電路進(jìn)行運(yùn)算。整個(gè)電路由差動(dòng)放大器、由乘法器實(shí)極型模擬電路進(jìn)行運(yùn)算。整個(gè)電路由差動(dòng)放大器、由乘法器實(shí)現(xiàn)的平方電路和基于線性電路變換技術(shù)的開方電路組成。芯片現(xiàn)的平方電路和基于線性電路變換技術(shù)的開方電路組成。芯片規(guī)格約為規(guī)格約為4.8毫米見方。在毫米見方。在100mT磁強(qiáng)下，在不同的角度可獲得磁強(qiáng)下，在不同的角度可獲得不同的輸出電壓，其中以傳感器的傾斜角參量作為磁場(chǎng)角度，不同的輸出電壓，其中以傳感器的

45、傾斜角參量作為磁場(chǎng)角度，在在34dB動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，誤差不超過(guò)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，誤差不超過(guò)4%。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)439 9、霍爾單元、霍爾單元/ /磁晶體管與調(diào)制式運(yùn)算放大器的集成磁晶體管與調(diào)制式運(yùn)算放大器的集成 以磁運(yùn)算放大器以磁運(yùn)算放大器MOPMOP（Magneto Operational amplifierMagneto Operational amplifier）命名的通命名的通用型磁傳感器是另一種應(yīng)用十分廣泛的磁傳感器。由兩組差動(dòng)輸入放用型磁傳感器是另一種應(yīng)用十分廣泛的磁傳感器。由兩組差動(dòng)輸入放大單元構(gòu)成了調(diào)制式運(yùn)算放大電路。一組單元與正常用于電信號(hào)的運(yùn)大單元構(gòu)成了調(diào)制式運(yùn)算放

46、大電路。一組單元與正常用于電信號(hào)的運(yùn)算放大器相似，另一組則用于磁信號(hào)。磁信號(hào)施加于電信號(hào)中并采用算放大器相似，另一組則用于磁信號(hào)。磁信號(hào)施加于電信號(hào)中并采用高增益放大器進(jìn)行放大，電輸入用于負(fù)反饋或正反饋，各種磁運(yùn)算功高增益放大器進(jìn)行放大，電輸入用于負(fù)反饋或正反饋，各種磁運(yùn)算功能可通過(guò)改變反饋特性達(dá)到。與正常運(yùn)算放大器相似，可根據(jù)使用的能可通過(guò)改變反饋特性達(dá)到。與正常運(yùn)算放大器相似，可根據(jù)使用的反饋元件實(shí)現(xiàn)許多有關(guān)的磁操作反饋元件實(shí)現(xiàn)許多有關(guān)的磁操作( (如簡(jiǎn)單的磁放大、帶有滯后作用的磁如簡(jiǎn)單的磁放大、帶有滯后作用的磁開關(guān)、磁性合成與區(qū)分、磁控振蕩器、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)變換、電流輸出開關(guān)、磁性合成與區(qū)

47、分、磁控振蕩器、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)變換、電流輸出等等等等) )。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)44 圖圖3.4.93.4.9是使用是使用MOPMOP構(gòu)成的磁控振蕩器電路及輸出特性示意。構(gòu)成的磁控振蕩器電路及輸出特性示意。其振蕩頻率由施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制，其靈敏度大約為其振蕩頻率由施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制，其靈敏度大約為10 10 kHz/T kHz/T 或或250%/250%/T T。 總起來(lái)說(shuō)，截止目前關(guān)于集成磁傳感器，人們圍繞著放大總起來(lái)說(shuō)，截止目前關(guān)于集成磁傳感器，人們圍繞著放大開關(guān)、功率放大、溫度補(bǔ)償、計(jì)算、多維測(cè)量和通用化實(shí)現(xiàn)諸開關(guān)、功率放大、溫度補(bǔ)償、計(jì)算、多維測(cè)量和通用化實(shí)現(xiàn)諸方面都做了不少研究和嘗試，然而，除了霍爾方面都做了不少研究和嘗試，然而，除了霍爾IC已投入商業(yè)應(yīng)已投入商業(yè)應(yīng)用之外，實(shí)現(xiàn)其他各種功能的集成磁傳感器大多仍處于研究之用之外，實(shí)現(xiàn)其他各種功能的集成磁傳感器大多仍處于研究之中而不具有商業(yè)價(jià)值。未來(lái)還有大量工作期待人們?nèi)ネ瓿伞Ｖ卸痪哂猩虡I(yè)價(jià)值。未來(lái)還有大量工作期待人們?nèi)ネ瓿伞?第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)45