揭秘拥有敏锐感觉的奥秘

对于机器人来说，还有许多其他的传感器可以帮助其提高对外界和内部的感测能力，这是机器人拥有灵敏感觉的奥秘所在。

1.光敏传感器

光敏传感器实质上就是光敏电阻，又称光导管，是一种纯电阻元件，其工作原理依据于光电导效应，其阻值随光照增强而减小[273]。光敏电阻具有很高的灵敏度和很好的光谱特性，其光谱响应范围从紫外区延伸到红外区，而且具有体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜等一系列优点，因此应用比较广泛。

光敏电阻结构比较简单，光敏电阻的管心是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体[274]。由于光电导体吸收光子而产生的光电效应只限于光照的表面薄层，因此光电导体一般都做成薄层。由于光电导灵敏度随光敏电阻两电极间距的减小而增大。因此，为了获得较高的灵敏度，光敏电阻的电极一般都采用梳状图案。它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或锢等金属形成的。由于这种梳状电极在间距很近时会采用大的极板面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。但光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小。

光敏二极管（见图3-41）也是一种光敏传感器，其结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射[275]。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。当没有光照射时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大。这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流[276]。光敏二极管的光电流与照度之间呈线性关系，所以光敏二极管特别适合检测等方面的应用[277]。

2.温度传感器

温度是一个基本的物理量，在工业生产及实验研究中，如机械、食品、化工、电力、石油、冶金、航空航天以及汽车等领域，温度常常是表征对象和过程状态的重要参数。温度传感器是开发最早、应用最广的一类传感器[278]。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝克发明的，这就是后来的热电偶传感器（温度传感器的一种）。50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，20世纪里人们相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器[279]。图3-42所示产品就是在日常生活和生产中经常用到的各种温度传感器。

图3-41　光敏二极管

图3-42　常见的温度传感器

从理论上讲，凡随温度变化，其物理性质也发生变化的物质皆能作为测温传感器。在工农业生产和科学研究中温度测量的范围极宽，从零下几百摄氏度到零上几千摄氏度，而各种材料制成的温度传感器都只能在一定的温度范围内使用。

温度传感器按照与被测物体是否发生接触可以分为接触式和非接触式两大类。所谓接触式就是传感器直接与被测物体进行触碰，这是测温的基本形式。这种形式是通过接触的方式把被测物体的热能量传送给温度传感器，这就降低了被测物体的温度。特别是被测物较小，热能量较弱时，这种测量方式不能正确地测得物体的真实温度。因此，采用接触方式时，测得物体真实温度的前提条件是，被测物体的热容量必须远大于温度传感器[280]。而所谓非接触方式，是测量被测物体的辐射热的一种方式，它可以测量远距离物体的温度，这是接触方式做不到的，在许多场合这种性质十分有利[281]。

温度传感器按照输出信号模式的不同可分为三类，即：模拟式温度传感器、逻辑输出式温度传感器、数字式温度传感器[282]。

1）模拟式温度传感器。

模拟式温度传感器可分为两类：一类是分立式模拟温度传感器，另一类是集成式模拟温度传感器[283]。热电偶、热敏电阻和铂电阻温度传感器等都属于传统分立式模拟温度传感器。这些模拟式温度传感器在一些特定温度范围内对温度的监控会出现线性度不好的现象，需要进行冷端补偿或引线补偿，导致出现热惯性大、响应时间慢等问题。集成式模拟温度传感器在20世纪80年代问世，采用硅半导体集成工艺制成。它是一种将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用芯片（IC），因此亦称为IC温度传感器、硅传感器或单片集成温度传感器[284]。其主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、体积小、微功耗，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。常见的模拟温度传感器有电流输出型的AD590、电压输出型的MAX6610/6011、LM3911、LM335、LM45等芯片。

热电偶是目前工业上应用得较为广泛的分立式模拟温度传感器的一种。热电偶是一种发电型的传感器元件，它将温度信号转换成电动势信号，配以测量电动势信号的仪表或变送器，便可以实现温度的测量或温度信号的变换。热电偶应用广泛的原因在于它具有如下特点：

（1）测温精度高。热电偶的测温精度可达0.1～0.2℃，仅次于热电阻。由于热电偶具有良好的复现性和稳定性，所以国际实用温标中规定热电偶作为复现630.74～1064.43℃范围的标准仪表。

（2）制造成本低。热电偶的结构十分简单，制造极为方便。

（3）使用范围广。除了用来测量各种流体的温度外，热电偶还常用来测量固定表面的温度。热电偶的测温范围为-270～+2800℃，它还可直接反映平均温度或温差。

（4）动态特性好。由于热电偶的测量端可以制成很小的接点，响应速度快，其时间常数可达ms（毫秒）级甚至μm（微秒）级。

热电偶通常分为标准化热电偶和非标准化热电偶两类。

（1）标准化热电偶。(www.xing528.com)

标准化热电偶是指制造工艺比较成熟，应用广泛，能成批生产，性能优良而稳定，并已列入工业标准化元件中的那些热电偶。标准化热电偶具有统一的分度表，同一型号的标准化热电偶具有互换性。1975年，国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐了7种标准化热电偶，我国还有自行定型批量生产的热电偶。

（2）非标准化热电偶。

非标准化热电偶是指没有统一分度表的热电偶，虽然在使用范围和数量上均不及标准化热电偶，但在许多特殊工况下，如高温、低温、超低温、高真空和有核辐射以及某些在线测试等，这些热电偶具有某些特别良好的性能，能发挥重要作用。

2）逻辑输出式温度传感器。

逻辑输出式温度传感器是一种根据温度限值提供开、关信号的温度传感器。在不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围的应用场合，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其他控制设备，此时就可选用逻辑输出式温度传感器，典型产品有LM56、MAX6509芯片。某些增强型集成温度控制器（例如TC652/653）中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处，但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。

3）数字式温度传感器。

数字式温度传感器是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。目前，国际上已开发出多种数字式智能温度传感器系列产品。数字式温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。其特点是能输出与温度值对应的数字编码及相关的温度控制量，可直接与各种微控制器（MCU）连接；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现温度测试功能的，其智能化程度取决于软件的开发水平。

在此，介绍在测温领域应用得十分普遍的数字式温度传感器——DS18B20。该传感器十分常用，其输出的是数字信号，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高等特点。它接线十分方便，封装后可应用于多种场合，如管道式、螺纹式、磁铁吸附式、不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877、LTM8874等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温、高炉水循环测温、锅炉测温、机房测温、农业大棚测温、洁净室测温、弹药库测温等各种非极限温度场合。它耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

DS18B20拥有高温度系数晶振，随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。DS18B20的实物图及原理图如图3-43所示。

图3-43　DS18B20温度传感器

3.其他类型的敏感元件

（1）气敏传感器。

气敏传感器（见图3-44）又称气体传感器，是指能将被测气体浓度转换为与其成一定比例关系的电量输出的装置或器件。由于气体种类繁多，性质各不相同，不可能采用一种传感器来检测所有类别的气体。因此，人们希望有更多能实现气-电转换的传感器问世并得到使用。

在各类气敏传感器中，用得最多的是半导体气敏传感器。它们主要用于工业和生活中各种易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制，是安全生产和大气环境保护不可缺少的检测器件[285]。

图3-44　常见气敏传感器

（2）湿敏传感器。

湿敏传感器（见图3-45）是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出的器件或装置。湿敏传感器依据使用的敏感材料可分为：电解质型、陶瓷型、高分子型、单晶半导体型等多种。其中，电解质型湿敏传感器（如氯化锂湿敏电阻）是在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜；陶瓷型湿敏传感器一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷，利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成，如MgCr2O-T3O2半导体陶瓷湿敏元件；高分子型湿敏传感器先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极，通过浸渍或涂覆，在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类有很多，工作原理各不相同，如电阻式高分子膜湿度传感器、聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器就属此类；单晶半导体型湿敏传感器所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成，其典型代表有二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等，其特点是易于和半导体电路集成在一起。

图3-45　常见湿敏传感器

【注释】

[1]飞米：又称费米（fm），长度单位，相当于1×10-15m。