現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)

第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)13.4.1 傳感器的觸覺仿生機理及應用傳感器的觸覺仿生機理及應用3.4.2 觸覺傳感的特點及相關(guān)研究觸覺傳感的特點及相關(guān)研究3.4.3 智能觸覺傳感器智能觸覺傳感器3.4.4 具有視覺信號的觸覺圖像具有視覺信號的觸覺圖像3.4.5 有源傳感有源傳感3.4.6 觸覺傳感的功能延伸觸覺傳感的功能延伸-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觸覺觸覺: :接觸、滑動、壓覺等機械刺激的總稱接觸、滑動、壓覺等機械刺激的總稱, ,與皮膚功能相類似與皮膚功能相類似的智能機制。的智能機制。l人依靠表皮的游離神經(jīng)末梢能感受溫度、痛覺、觸覺等多種感人依靠表皮的游離神經(jīng)末梢能感受溫度、痛覺、觸覺等多種感覺覺 ，除視覺以外，觸覺接受外界的信息量最多。，除視覺以外，觸覺接受外界的信息量最多。l人類觸覺的產(chǎn)生人類觸覺的產(chǎn)生: :皮膚內(nèi)的觸覺細胞，感知皮膚內(nèi)的觸覺細胞，感知: :觸覺、壓感、痛覺、觸覺、壓感、痛覺、溫度等。溫度等。l功能延伸實現(xiàn)：溫度傳感器、壓力傳感器、磁傳感器功能延伸實現(xiàn)：溫度傳感器、壓力傳感器、磁傳感器l觸覺、壓感的外部激勵來自皮膚的力學性變形，與空間壓力梯觸覺、壓感的外部激勵來自皮膚的力學性變形，與空間壓力梯度、變形大小、速度及激勵面積有關(guān)。度、變形大小、速度及激勵面積有關(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：生物觸覺：l超過身體長度超過身體長度2.52.53 3倍的蟋蟀與蝦的觸須，確認遠處倍的蟋蟀與蝦的觸須，確認遠處物體所在的位置，判別其大小。物體所在的位置，判別其大小。l眼鏡蛇對溫度可達眼鏡蛇對溫度可達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確性。能保證判斷的準確性。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)造或外部信號處理系統(tǒng)，同時檢測多種參量。理系統(tǒng)，同時檢測多種參量。l智能化傳感器具有對環(huán)境的自適應能力（即具有學習、識別、判斷和邏輯智能化傳感器具有對環(huán)境的自適應能力（即具有學習、識別、判斷和邏輯處理功能）。處理功能）。l實例：醫(yī)學上利用紅外溫度傳感器和光學系統(tǒng)組合在一起的紅外攝像機，實例：醫(yī)學上利用紅外溫度傳感器和光學系統(tǒng)組合在一起的紅外攝像機，可以根據(jù)體溫分布、根據(jù)身體體溫下降的部分，準確地發(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，準確地發(fā)現(xiàn)乳腺癌。l對磁場的感受，某些候鳥以此實現(xiàn)牽徙定位。工程霍爾元件的利用對磁場的感受，某些候鳥以此實現(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 機器人技術(shù)對觸覺傳感的需求：機器人技術(shù)對觸覺傳感的需求：l目的：檢測機器人的某些部位（如手或足）與外界物體是否接目的：檢測機器人的某些部位（如手或足）與外界物體是否接觸，識別物體的形狀和在空間的位置，保證機器人的手能牢固觸，識別物體的形狀和在空間的位置，保證機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與應用視覺傳感器的比較，系統(tǒng)造價更低，控制更簡單，尤適與應用視覺傳感器的比較，系統(tǒng)造價更低，控制更簡單，尤適用與暗處或障礙物存在于視覺傳感器和對象物之間無法獲得視用與暗處或障礙物存在于視覺傳感器和對象物之間無法獲得視覺信息的地方。覺信息的地方。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)6 機器人主要用手指來接觸物體。故要求在手指表機器人主要用手指來接觸物體。故要求在手指表面大范圍地分布相同的觸覺傳感器；用類似人的皮膚面大范圍地分布相同的觸覺傳感器；用類似人的皮膚那樣柔軟而富有彈性的材料制作機器人的手，藉以增那樣柔軟而富有彈性的材料制作機器人的手，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，還希望觸覺傳感器形體小、重量輕、靈敏度高、集成度高、觸覺傳感器形體小、重量輕、靈敏度高、集成度高、可靠性高?？煽啃愿摺５谌?4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)7 當今壓力、溫度兩種傳感器在工程界的廣泛應用：當今壓力、溫度兩種傳感器在工程界的廣泛應用：l約占整個傳感器市場的約占整個傳感器市場的5060，近年來朝集成化、小型化、實現(xiàn)特殊檢測，近年來朝集成化、小型化、實現(xiàn)特殊檢測等方面的發(fā)展趨勢：等方面的發(fā)展趨勢：l可達可達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、溫度三個量檢測功能的集成傳感器；度三個量檢測功能的集成傳感器；l美國庫利特（美國庫利特（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、可穿過普通縫衣針的針眼，測量范圍為可穿過普通縫衣針的針眼，測量范圍為100500PSi，本征頻率為本征頻率為1500KHz，適用于風洞測量；適用于風洞測量；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小時內(nèi)不小于小時內(nèi)不小于99，使用，使用期長至期長至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用市場：磁敏傳感器的廣闊應用市場：l國內(nèi)每年用于數(shù)控車床的高精度磁敏開關(guān)，需要國內(nèi)每年用于數(shù)控車床的高精度磁敏開關(guān)，需要10萬支以上；萬支以上；l用于汽車點火系統(tǒng)，每年用于汽車點火系統(tǒng)，每年40萬套以上。（在低轉(zhuǎn)速時也能穩(wěn)定萬套以上。（在低轉(zhuǎn)速時也能穩(wěn)定點火的霍爾元件）點火的霍爾元件）存在問題：存在問題：l元件國產(chǎn)化程度太低造成整支傳感器的成本過高。元件國產(chǎn)化程度太低造成整支傳感器的成本過高。l發(fā)展還相對較慢，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)展以滿足日益增長的需求。能夠獲得盡快的發(fā)展以滿足日益增長的需求。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)9l觸覺傳感的特點觸覺傳感的特點：大敏感區(qū)域，柔性傳感材料和高密度的檢測。：大敏感區(qū)域，柔性傳感材料和高密度的檢測。l當務之急：研制新型傳感材料和新型結(jié)構(gòu)。當務之急：研制新型傳感材料和新型結(jié)構(gòu)。l有源激勵傳感技術(shù)：有源激勵傳感技術(shù)：（觸覺傳感器不可能與機器人執(zhí)行器的運動分觸覺傳感器不可能與機器人執(zhí)行器的運動分開考慮）機器人的運動要通過觸覺傳感器探測信息，而感官反饋技開考慮）機器人的運動要通過觸覺傳感器探測信息，而感官反饋技術(shù)則用于控制。術(shù)則用于控制。l觸覺傳感與視覺傳感信息的合成：確保實現(xiàn)準確測量的一個重要途觸覺傳感與視覺傳感信息的合成：確保實現(xiàn)準確測量的一個重要途徑。徑。 總起來說，總起來說，與觸覺傳感相關(guān)的研究方向包括：有源感知、傳與觸覺傳感相關(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、 觸覺傳感器的中心點探測觸覺傳感器的中心點探測 壓力感應橡膠實現(xiàn)的觸壓分布區(qū)中心位置的測定：如圖壓力感應橡膠實現(xiàn)的觸壓分布區(qū)中心位置的測定：如圖3.4.13.4.1所示，所示， r rp p：S S層電阻，反映分布壓力層電阻，反映分布壓力p p在單位面積上沿厚度方向的變在單位面積上沿厚度方向的變化。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（建立起直角坐標（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和和S S4 4，邊長為邊長為2 2a a，原點位于中心。以坐標原點位于中心。以坐標u u表征的從表征的從A A層層到到B B的一階瞬時電流密度的一階瞬時電流密度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 因為方程（因為方程（3 36767）右端是沿邊界的線積分，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可通過流經(jīng)電阻可通過流經(jīng)電阻R R計計算出來，再把這一數(shù)據(jù)與方程（算出來，再把這一數(shù)據(jù)與方程（3 36969）結(jié)合起來，就可以獲）結(jié)合起來，就可以獲得以坐標得以坐標u u描述的電流密度的中心位置。利用一個簡單電路，描述的電流密度的中心位置。利用一個簡單電路，可從電極電壓可從電極電壓 和和 推導出這個值。應用同樣的處理推導出這個值。應用同樣的處理方式于方式于B B層，電流密度層，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，從而檢測到中點以及從而檢測到中點以及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個瞬時的檢測個瞬時的檢測l采用蝶式快速富里葉變換電路實現(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)，利用多層并行處理電路檢測模型瞬時特性。的離散系統(tǒng)，利用多層并行處理電路檢測模型瞬時特性。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并行處理觸覺傳感器并行處理觸覺傳感器l示例：圖示例：圖3.4.33.4.3。 整個處理過程采用局部模式的并行處理整個處理過程采用局部模式的并行處理 來自傳感器的信息直接輸入到每個處理元，僅有四個相鄰的來自傳感器的信息直接輸入到每個處理元，僅有四個相鄰的處理元相互連接（受集成度限制），各種處理可通過處理元相互連接（受集成度限制），各種處理可通過ALUALU實現(xiàn)，實現(xiàn)，包括三個八位寄存器和一個四位乘法器。通過為數(shù)不多的門電路包括三個八位寄存器和一個四位乘法器。通過為數(shù)不多的門電路（每個處理元（每個處理元337337個門）使用位串行操作實現(xiàn)所需功能。個門）使用位串行操作實現(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器或者上位計算機的指令由固定程序存儲器或者上位計算機的I/OI/O口提口提供。傳感器由供。傳感器由8 8乘乘8 8矩陣形式的測壓點設置于兩層基片下矩陣形式的測壓點設置于兩層基片下面的基座上。通過在行方向的檢測點掃描，來自行的信面的基座上。通過在行方向的檢測點掃描，來自行的信號被單一處理元處理。當邊緣信息通過來自號被單一處理元處理。當邊緣信息通過來自1 1位模式的位模式的邏輯操作被提取出來，檢測、處理和輸出就在邏輯操作被提取出來，檢測、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)。 來自傳感器的輸出轉(zhuǎn)換處理為視覺信號作為傳感處理機制的一部分，感來自傳感器的輸出轉(zhuǎn)換處理為視覺信號作為傳感處理機制的一部分，感應信息是壓力分布信息。因為這些傳感器基本上可通過應信息是壓力分布信息。因為這些傳感器基本上可通過TVTV監(jiān)視器觀察壓力信監(jiān)視器觀察壓力信息，所以有時也稱為觸覺圖像。如圖息，所以有時也稱為觸覺圖像。如圖3.4.43.4.4所示。所示。 系統(tǒng)中壓力感應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)中壓力感應橡膠作為壓力敏感材料，電阻的變化被掃描并且由電極測定。測定。 關(guān)鍵問題：探測電阻和電容變化的高可靠性掃描電路，在防止通過其它關(guān)鍵問題：探測電阻和電容變化的高可靠性掃描電路，在防止通過其它測試點的信號通道產(chǎn)生串線干擾的同時，及時處理高速視覺信號。測試點的信號通道產(chǎn)生串線干擾的同時，及時處理高速視覺信號。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：應用基于：應用基于FFTFFT開關(guān)設計的完全無關(guān)性電路。開關(guān)設計的完全無關(guān)性電路。 從原理上說，這種方法可實現(xiàn)高速掃描而不產(chǎn)生串線干擾，從原理上說，這種方法可實現(xiàn)高速掃描而不產(chǎn)生串線干擾，但因為包括了大量接觸點，因此要求較高的集成化。這是一但因為包括了大量接觸點，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矩陣檢測壓力分布，輸矩陣檢測壓力分布，輸出通過圖像處理器進行處理，這樣壓力分布的邊緣和輪廓信出通過圖像處理器進行處理，這樣壓力分布的邊緣和輪廓信息可以提取出來并進行顯示。息可以提取出來并進行顯示。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)22l例例3 3：一種測量身體壓力的觸覺圖像傳感器。：一種測量身體壓力的觸覺圖像傳感器。 每一探測點都使用了一支二極管以防止串線干擾，每一探測點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圖像范圍內(nèi)以較高精度與之掃描電路能在很大的觸覺圖像范圍內(nèi)以較高精度與之配合。如果作為一種用于實際視覺系統(tǒng)的輸入裝置，配合。如果作為一種用于實際視覺系統(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格地局限于傳入形式，有時也傳感信息的處理方案并不嚴格地局限于傳入形式，有時也利用傳利用傳感器的運動處理作為感知系統(tǒng)的一部分。這種方法叫做感器的運動處理作為感知系統(tǒng)的一部分。這種方法叫做有源傳感器并用來處理傳感器的定位問題或不定性問題。有源傳感器并用來處理傳感器的定位問題或不定性問題。 如果把傳感僅僅看作一簡單的檢測裝置，那么要實現(xiàn)所有如果把傳感僅僅看作一簡單的檢測裝置，那么要實現(xiàn)所有期望的傳感功能是很困難的，特別是對于安裝了執(zhí)行器的觸覺期望的傳感功能是很困難的，特別是對于安裝了執(zhí)行器的觸覺傳感器來說更是如此。所以有必要把傳感問題看作包括了執(zhí)行傳感器來說更是如此。所以有必要把傳感問題看作包括了執(zhí)行器系統(tǒng)在內(nèi)的有源處理過程。器系統(tǒng)在內(nèi)的有源處理過程。第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)24 對有源傳感來說，主要有三種傳感構(gòu)造。對有源傳感來說，主要有三種傳感構(gòu)造。 第一種結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生運動測量，傳感器在測量范圍內(nèi)捕捉目標。如第一種結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生運動測量，傳感器在測量范圍內(nèi)捕捉目標。如果經(jīng)常性處理的是單一傳感信息，這種操作功能的實現(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，觀察可及目標的整個圖像第二種結(jié)構(gòu)是防止傳感信息的局域性，觀察可及目標的整個圖像范圍。當測量目標大于傳感器的測量范圍時，要么傳感器、要么目標范圍。當測量目標大于傳感器的測量范圍時，要么傳感器、要么目標必須實施運動觀察以保證對整個目標的全方位監(jiān)測。必須實施運動觀察以保證對整個目標的全方位監(jiān)測。 第三種結(jié)構(gòu)是提取目標的微觀結(jié)構(gòu)，特別是比傳感器分辨率更細第三種結(jié)構(gòu)是提取目標的微觀結(jié)構(gòu)，特別是比傳感器分辨率更細的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，空間模式經(jīng)過傳感器的移動被轉(zhuǎn)換為時空模的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，空間模式經(jīng)過傳感器的移動被轉(zhuǎn)換為時空模式，從而使空間分辨率得到了改進。式，從而使空間分辨率得到了改進。 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)的一個例子：有源傳感第二種結(jié)構(gòu)的一個例子： 利用局部傳感器辨識靜止物體輪廓線的傳感系統(tǒng)。利用局部傳感器辨識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)模擬這樣一種運動：先前通過指尖移動實現(xiàn)對系統(tǒng)模擬這樣一種運動：先前通過指尖移動實現(xiàn)對目標輪廓的識別，稱為觸覺運動。以此實現(xiàn)未知目標的目標輪廓的識別，稱為觸覺運動。以此實現(xiàn)未知目標的有源操作和整個目標圖像的自動識別。有源操作和整個目標圖像的自動識別。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，兩維目標的記錄儀作為執(zhí)行器，兩維目標的邊緣被局部傳感器搜索和尋蹤。測量操作完全自動進邊緣被局部傳感器搜索和尋蹤。測量操作完全自動進行。圖中折線表示的未來的軌跡（即測量目標）完全行。圖中折線表示的未來的軌跡（即測量目標）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，然后使用過去的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部模型作出預測，根據(jù)預測結(jié)果過去的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部模型作出預測，根據(jù)預測結(jié)果激發(fā)有源運動，傳感信息也被校正。在傳感信息的處激發(fā)有源運動，傳感信息也被校正。在傳感信息的處理過程中，前面討論過的并行處理方式被用來從目標理過程中，前面討論過的并行處理方式被用來從目標提取局域邊緣。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 有兩種方式實現(xiàn)二維邊緣探測并通過模型激勵實有兩種方式實現(xiàn)二維邊緣探測并通過模型激勵實現(xiàn)尋蹤?，F(xiàn)尋蹤。 第一種方式是從第一種方式是從“邊緣檢測邊緣檢測”到到“邊緣位置控制邊緣位置控制與切線方向預測與切線方向預測”，再到，再到“傳感器運動傳感器運動”； 第二種方式是第二種方式是“邊緣位置控制邊緣位置控制”和和“持續(xù)運動持續(xù)運動”一并實現(xiàn)。在這種情況下，對應于前者的垂直分解和一并實現(xiàn)。在這種情況下，對應于前者的垂直分解和對應于后者的水平分解是完全等效的。對應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)的一個例子：使用空間濾波有源傳感第三種結(jié)構(gòu)的一個例子：使用空間濾波器辨別目標表面的觸覺組織。器辨別目標表面的觸覺組織。 在這種傳感器中，來自呈陣列設置的觸覺傳感器在這種傳感器中，來自呈陣列設置的觸覺傳感器組的輸出被輸入到空間濾波器中，其響應可進行電氣組的輸出被輸入到空間濾波器中，其響應可進行電氣調(diào)整。通過激發(fā)傳感器的運動和調(diào)節(jié)濾波器響應，目調(diào)整。通過激發(fā)傳感器的運動和調(diào)節(jié)濾波器響應，目標表面的粗糙程度被識別出來，這樣就通過空間濾波標表面的粗糙程度被識別出來，這樣就通過空間濾波器實現(xiàn)了一個并行處理過程。器實現(xiàn)了一個并行處理過程。 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或更多磁性傳感器與外圍電集成磁傳感器即一個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)電路和運算電路等外圍電路集成。一些集成傳感器和運算電路等外圍電路集成。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)應用。已投入商業(yè)應用。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)311 1、差動放大磁傳感器、差動放大磁傳感器 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放大器的霍爾單元?；魻栃酒镉幸粔K帶有差動放大器的霍爾單元。霍爾單元形成在差動晶體管對的基底區(qū)域中，與晶體管不可分離。單元形成在差動晶體管對的基底區(qū)域中，與晶體管不可分離。在這個傳感器中，集電極在這個傳感器中，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，經(jīng)外部電阻大信號，經(jīng)外部電阻R RL L轉(zhuǎn)換為電壓信號。因而絕對敏感性可能轉(zhuǎn)換為電壓信號。因而絕對敏感性可能很大，在很大，在100100K K負載電阻下，可達負載電阻下，可達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，減小負荷電阻能避免這種飽和，當然，當然， 這也同時導致絕對敏感性的降低。該傳感器的弱點是這也同時導致絕對敏感性的降低。該傳感器的弱點是與標準與標準ICIC過程的不兼容性。過程的不兼容性。 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型、具有具有雙溝道的互補型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，具有兩個溝道的MOSMOS磁性晶體管，隨著磁場的引入，其中兩個溝道電流產(chǎn)生不同變化。使用這磁性晶體管，隨著磁場的引入，其中兩個溝道電流產(chǎn)生不同變化。使用這樣的磁晶體管，能實現(xiàn)一個復合傳感器。圖樣的磁晶體管，能實現(xiàn)一個復合傳感器。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磁晶體管的互補磁晶體管的互補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磁晶體管的有源負載。由于這種配置，當施加磁場于兩個磁晶體管磁晶體管的有源負載。由于這種配置，當施加磁場于兩個磁晶體管時時, , p p型磁晶體管的一個溝道電流型磁晶體管的一個溝道電流 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，減少。同時，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，當兩個晶體管運行在飽和情況下，中。因而，當兩個晶體管運行在飽和情況下，溝道中電流的微弱變化會導致大的電壓變化，可獲得與偏置電流無關(guān)的溝道中電流的微弱變化會導致大的電壓變化，可獲得與偏置電流無關(guān)的1.21.2V /T V /T 的絕對敏感性。的絕對敏感性。 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)可以檢測平行于芯片表面的磁場，而使用兩個相互垂直可以檢測平行于芯片表面的磁場，而使用兩個相互垂直的的VHCVHC則可以實現(xiàn)二維磁性測量。此外，當探測垂直于芯片表面磁場的側(cè)向霍則可以實現(xiàn)二維磁性測量。此外，當探測垂直于芯片表面磁場的側(cè)向霍爾單元爾單元LHCLHC引入兩維磁場傳感器后，即可形成三維磁傳感。因為引入兩維磁場傳感器后，即可形成三維磁傳感。因為VHC VHC 和和LHCLHC均均使用標準雙極使用標準雙極ICIC過程制造，所以實現(xiàn)包括雙極信號處理電路在內(nèi)的三維集成過程制造，所以實現(xiàn)包括雙極信號處理電路在內(nèi)的三維集成磁傳感會很容易。這類多維磁傳感器有相當大的空間分辨率磁傳感會很容易。這類多維磁傳感器有相當大的空間分辨率( (可達可達100100m) m) 和和極好的軸向測量獨立性。由于極好的軸向測量獨立性。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300300V/AT), V/AT), 所以在實際的三維應用中必須對其進行所以在實際的三維應用中必須對其進行調(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對和兩片對和兩片VHC以產(chǎn)生偏置電壓和驅(qū)以產(chǎn)生偏置電壓和驅(qū)動電流。通過調(diào)節(jié)單個霍爾單元的供應電流，可獲得相同的軸向敏感性。動電流。通過調(diào)節(jié)單個霍爾單元的供應電流，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 幾乎市場上所有霍爾幾乎市場上所有霍爾IC 都能歸入這個類別。因為雙極技術(shù)適合設計如放都能歸入這個類別。因為雙極技術(shù)適合設計如放大器和開關(guān)電路一類的外圍電路，所以具有標準雙極結(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，所以具有標準雙極結(jié)構(gòu)的霍爾單元，特別是是LHC，常用來作為探測器。然而，磁阻元件和常用來作為探測器。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帶阻抗轉(zhuǎn)換并且集成有霍爾單元的電路是一個帶阻抗轉(zhuǎn)換并且/或者是一個有滯后特征或者是一個有滯后特征開關(guān)電路的差動放大器。在某些情況下，霍爾單元與具有溫度補償?shù)暮懔黩?qū)開關(guān)電路的差動放大器。在某些情況下，霍爾單元與具有溫度補償?shù)暮懔黩?qū)動類電路結(jié)合在一起。圖動類電路結(jié)合在一起。圖3.4.8是這類電路的兩個例子，上圖是帶有控制電極是這類電路的兩個例子，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起正反饋作用，實現(xiàn)滯后作用以及應用磁場的開關(guān)控制電極起正反饋作用，實現(xiàn)滯后作用以及應用磁場的開關(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。為適應鍵盤的關(guān)鍵矩陣網(wǎng)絡，這種為適應鍵盤的關(guān)鍵矩陣網(wǎng)絡，這種霍爾霍爾IC 具有射極跟隨器的兩個輸出電極。連接到霍爾單元的兩個二極管用于具有射極跟隨器的兩個輸出電極。連接到霍爾單元的兩個二極管用于保證溫度補償?shù)拿舾行浴１ＷC溫度補償?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)動電路的集成、霍爾單元與外部驅(qū)動電路的集成 對一個無刷電機的控制來說對一個無刷電機的控制來說, 磁傳感器可用作電機轉(zhuǎn)動的磁傳感器可用作電機轉(zhuǎn)動的檢測。如圖檢測。如圖3.4.8所示的簡單霍爾單元或霍爾所示的簡單霍爾單元或霍爾IC即為這樣的應用。即為這樣的應用。同時，用作電機實際控制和驅(qū)動的還有包括運算放大器和功放同時，用作電機實際控制和驅(qū)動的還有包括運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、各種電機控制電路和雙極功率晶體管。因為包含了霍爾單元、各種電機控制電路和雙極功率晶體管。因為在霍爾在霍爾IC中耗能很大，所以我們必須仔細設計補償電路用于高中耗能很大，所以我們必須仔細設計補償電路用于高溫造成的敏感度變化和零點漂移。溫造成的敏感度變化和零點漂移。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)396 6、CDMCDM與溫度補償電路的集成與溫度補償電路的集成 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，就其敏感性等指標而言，就其敏感性等指標而言，有相對大的溫度依賴性。所以這類傳感器經(jīng)常結(jié)合溫有相對大的溫度依賴性。所以這類傳感器經(jīng)常結(jié)合溫度補償電路作為集成磁傳感器的一部分。因為溫度補度補償電路作為集成磁傳感器的一部分。因為溫度補償元與溫度感應元會緊密地設置在同一芯片上，它們償元與溫度感應元會緊密地設置在同一芯片上，它們能夠精確地匹配并實現(xiàn)快速準確的溫度補償。這是集能夠精確地匹配并實現(xiàn)快速準確的溫度補償。這是集成傳感器的主要優(yōu)點之一。成傳感器的主要優(yōu)點之一。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)407 7、兩維霍爾單元與運算電路的集成、兩維霍爾單元與運算電路的集成 前面提及的兩維磁傳感器與運算電路的結(jié)合能在前面提及的兩維磁傳感器與運算電路的結(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的方向。施加磁場的方向加磁場的方向。施加磁場的方向通過正切方程通過正切方程=arctan(By/Bx)=arctan(By/Bx)計算，這計算，這里里BxBx和和ByBy分別是磁場在分別是磁場在x x和和y y方向的分量。相關(guān)電路的設計則基于線性轉(zhuǎn)換電方向的分量。相關(guān)電路的設計則基于線性轉(zhuǎn)換電路技術(shù)。它有許多優(yōu)點，譬如以電流為輸出路技術(shù)。它有許多優(yōu)點，譬如以電流為輸出/ /輸入、具有更高精度、更寬的動輸入、具有更高精度、更寬的動態(tài)范圍和對溫度變化的不敏感性等等。在相關(guān)實驗裝置中，系統(tǒng)分為兩片態(tài)范圍和對溫度變化的不敏感性等等。在相關(guān)實驗裝置中，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，以外加磁場方向（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)動的張力臂控制器、高精度電機控制高精度電機控制 等等。此外，還能擴展到使用三維磁傳感器實現(xiàn)的三維測量。等等。此外，還能擴展到使用三維磁傳感器實現(xiàn)的三維測量。 第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)418 8、三維霍爾單元與運算電路的集成、三維霍爾單元與運算電路的集成 運用霍爾單元的常規(guī)測量是一種單向性測量，要檢測到未知運用霍爾單元的常規(guī)測量是一種單向性測量，要檢測到未知方向和方向隨時間變化的磁場是很困難的。然而，通過三維磁傳方向和方向隨時間變化的磁場是很困難的。然而，通過三維磁傳感器和運算電路的集成能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的測量。在這種集成傳感感器和運算電路的集成能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的測量。在這種集成傳感器中，三維傳感提供了磁場的三個分量器中，三維傳感提供了磁場的三個分量Bx, ByBx, By和和BzBz，而運算電路而運算電路實現(xiàn)以下運算操作：實現(xiàn)以下運算操作：21222zyxBBB第三章(4)現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)428 8、三維霍爾單元與運算電路的集成、三維霍爾單元與運算電路的集成 全方位測量集成磁傳感器以三維磁傳感器為探測器全方位測量集成磁傳感器以三維磁傳感器為探測器, 采用雙采用雙極型模擬電路進行運算。整個電路由差動放大器、由乘法器實極型模擬電路進行運算。整個電路由差動放大器、由乘法器實現(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磁強下，在不同的角度可獲得磁強下，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角度，不同的輸出電壓，其中以傳感器的傾斜角參量作為磁場角度，在在34dB動態(tài)范圍內(nèi)，誤差不超過動態(tài)范圍內(nèi)，誤差不超過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)制式運算放大器的集成磁晶體管與調(diào)制式運算放大器的集成 以磁運算放大器以磁運算放大器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用十分廣泛的磁傳感器。由兩組差動輸入放用型磁傳感器是另一種應用十分廣泛的磁傳感器。由兩組差動輸入放大單元構(gòu)成了調(diào)制式運算放大電路。一組單元與正常用于電信號的運大單元構(gòu)成了調(diào)制式運算放大電路。一組單元與正常用于電信號的運算放大器相似，另一組則用于磁信號。磁信號施加于電信號中并采用算放大器相似，另一組則用于磁信號。磁信號施加于電信號中并采用高增益放大器進行放大，電輸入用于負反饋或正反饋，各種磁運算功高增益放大器進行放大，電輸入用于負反饋或正反饋，各種磁運算功能可通過改變反饋特性達到。與正常運算放大器相似，可根據(jù)使用的能可通過改變反饋特性達到。與正常運算放大器相似，可根據(jù)使用的反饋元件實現(xiàn)許多有關(guān)的磁操作反饋元件實現(xiàn)許多有關(guān)的磁操作( (如簡單的磁放大、帶有滯后作用的磁如簡單的磁放大、帶有滯后作用的磁開關(guān)、磁性合成與區(qū)分、磁控振蕩器、對數(shù)和反對數(shù)變換、電流輸出開關(guān)、磁性合成與區(qū)分、磁控振蕩器、對數(shù)和反對數(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強度控制，其靈敏度大約為其振蕩頻率由施加的磁場強度控制，其靈敏度大約為10 10 kHz/T kHz/T 或或250%/250%/T T。 總起來說，截止目前關(guān)于集成磁傳感器，人們圍繞著放大總起來說，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、溫度補償、計算、多維測量和通用化實現(xiàn)諸開關(guān)、功率放大、溫度補償、計算、多維測量和通用化實現(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)應已投入商業(yè)應用之外，實現(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)價值。未來還有大量工作期待人們?nèi)ネ瓿?。中而不具有商業(yè)價值。未來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