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    【创客学堂】数字信号传感器类

    编辑:Salmon2016-05-26 浏览次数:992

         

        各位小伙伴们大家好!上一期我们学习了模拟传感器的分类与用途,那么这一期我们就来聊聊一些数字信号传感器。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伸,同样它们也构成了机器人的五官。

           与模拟传感器类似,数字传感器也是由敏感元器件、转换元器件、变换电路和辅助电源4 部分组成的。其分类也完全相同,根据其基本感知功能分为热敏传感器、光敏传感器、气敏感器、力敏传感器、磁敏传感器、湿敏传感器、声敏传感器、放射线敏感传感器、色敏传感器和味敏传感器等十大类。而数字传感器相对于模拟传感器就要简单得多,它没有那些复杂的带有公式的特性曲线,转而代替的是低电平与高电平信号,而控制器读取到的是0 与1 的数字信号,这就是数字传感器。下面我们就按照在机器人身上应用的功能来说说这些数字传感器,相信应用了下面介绍的这些传感器后,你的机器人一定会更有生机。

      

     

     

    机器人的启动与停止

    制作机器人的第一个问题就是机器人的开启与关闭,相信你一定离不开下面这些传感器。没错,它们扮演着开启和关闭机器人的角色。

    1. 机械按钮传感器

          
                           图1 机械按钮传感器                                                           图2 碰撞开关                                                             图3 碰撞避障小车

    按钮开关(见图1)利用推动传动机构,使动触点与静触点接通或断开,从而实现电路换接的开关。它是一种结构简单、应用广泛的主令电器。按钮可以分为常开式按钮、常闭式按钮和复合式按钮,根据连接方式的不同,按下按钮时可对应不同的电平信号。还有一种在机器人比赛、生活中应用更为广泛的按钮传感器。虽然与普通按钮的原理相同,但外形却很奇特,它就是碰撞开关(见图2)。在机器人比赛中,碰撞开关经常被用在碰撞避障小车上(见图3)。小车前端的碰撞开关在碰撞到障碍物时就会给控制器反馈一个信号,告诉控制器前方左侧或右侧有障碍物,程序再控制小车转弯避开障碍物。除此之外,碰撞开关在生活中也有很多应用,比如汽车发生事故时弹出的安全气囊就是由碰撞传感器控制的。其原理便是碰撞开关在发生碰撞时被触发,产生的信号传给中控电脑,电脑控制气囊弹出,保护我们的生命安全。碰撞开关还用于机械限位,因此也称限位开关,比如判断3D 打印机的轴是否移动到达极限位置。

     2. 电容触摸传感器

    触摸传感器的原理是:当人体(手指)接触金属感应片时,由于人体相当于一个大电容,因此会在感应片和人体间形成一个电容,感应电容量通常有几皮法到几十皮法。利用这个最基本的原理,在外部搭建相关电路(把引脚配置为输入,电容充电,那么触摸时充当电容的人体会改变原有电容值和充电时间),就可以根据这个电容量的变化,检测是否有人体接触金属感应片。触摸式电容传感器( 见图4) 是在PCB 上覆盖一层绝缘层制作而成的,所以坚固、耐磨、绝缘、隔尘、隔水,而且外观美观新颖,已广泛应用在诸多领域。此外它并非传统机械结构,避免了机械按钮中存在的机械故障与机械磨损等问题。

    3. 电磁继电器

    下面介绍的开关就更高大上了,它就是电磁继电器(见图5)。电磁继电器是一种电控制元器件,当输入量的变化达到规定要求时,就会被触发导通。它关系到控制系统和被控制系统之间的互动,通常应用于自动化的控制电路中,它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。因为电磁继电器具有这种弱电控制强电的特性,所以它多应用于大型机器人,特别是需要较高电压驱动的机器人和大部分工业机器人身上。控制电路与驱动电路的分离也可以防止两者互相干扰,保证了控制部分的安全。这种弱电控制强电的特性还可以应用于家庭中。近些年来智能家居越来越受到人们的关注,其中就缺少不了电磁继电器的身影。利用Arduino控制器控制电磁继电器,继电器再控制插线板,之后再与手机端或蓝牙端进行通信。掌握其中的原理后,你就会发现远程遥控家中的用电器不再是困难的事情,自己动手做一款智能电器并不难!

                                                                                                                

        

           图4 电容触摸传感器                                                               图5 电磁继电器                                                    图6  倾角传感器

     

    机器人的自我感知能力

    如果你的机器人没有自我感知能力,那么它会遇到很多问题,例如无法保持自身平衡、感知外界的危险等。下面这些传感器就能解决这些问题。

    1. 单向倾角传感器

    倾角传感器(见图6)经常用于系统的水平测量,从工作原理上可分为“体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”3 种倾角传感器。倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。下面咱们介绍的是单向倾角传感器。它的核心部件是一个滚珠开关,当滚珠触碰到内部的金属板时接通,离开时则断开,这样就产生了导通或不导通的效果。目前已有许多不同类型的滚珠开关,包括角度感应开关、振动感应开关、离心力感应开关。图7 所示为在双足平衡机器人中常用于检测特定角度的单向倾角传感器。

     

    图7 双足检测特定角度

    2. 振动传感器

    振动传感器(见图8)可以感应振动力大小并返回感应结果,从而能够作为使电路启动工作的电子开关,因此也有人称它为振动开关。振动开关触发非常灵敏,是许多电子产品中不可或缺的电子元器件。在实际应用中,电子装置对振动的灵敏度有不同的要求。使用者通常是根据产品的具体需求选择不同灵敏度的振动开关以满足产品的需要。实际上现在大部分振动传感器都使用的是弹簧开关。在制作智能小车时,我们可以选配振动传感器。这样当小车遇到颠簸的路面时,若车速过快,则上下颠簸幅度越大,那么不仅会对智能小车上的设备(如控制器、摄像头等)有影响,而且还有翻车的可能。我们可以在小车上安装振动传感器并不断地检测,当发现振动幅度超过某个阈值时,则触发控制器通知预设程序给小车限速,防止小车颠簸或翻车(见图9)。

            
                            图8 振动传感器                                                          图9 振动传感器限速小车                                              图10 红外寻线传感器

    3. 红外巡线传感器
    红外巡线传感器(见图10)是根据反射式光电传感器原理开发的专用机器人产品。它可以帮助你的机器人跟踪白线或黑线,即检测白底中的黑线或黑底中的白线。巡线传感器反馈的信号可以提供稳定的TTL 电平输出(开关量),使巡线过程更加精准,是轮式机器人的必备传感器。红外巡线传感器是一种把光信号(红外线)转变成为电信号的光电传感器。由于光电传感器具有结构简单、重量轻、体积小、响应快、稳定性高以及灵敏度高等优点,因此在自动控制领域中应用广范。光电传感器按其工作原理可分为模拟式和脉冲式两类。所谓模拟式,是指光敏元器件是光电流的大小随着光通量的改变而变化,是光通量的函数。而脉冲式是指光敏元器件的输出仅有两种稳定的状态,即“通”和“断”的开关状态:当光敏元器件接收到光照时输出一种电信号,无光照时则输出另一种电信号。当红外巡线传感器的检测距离小于5mm 时,其可靠性和抗干扰能力较好,故在此距离内电子装置就能判断出自身是否处于黑色或白色的物体上。利用这一特性,我们就能制作红外巡线小车(见图11),让它在事先预定好的黑色线条上前进。在此基础上配合红外避障传感器,还可研发出送餐机器人等服务型机器人(见图12)。

    图11 红外寻线小车

    图12 送餐机器人

     

     机器人感知环境的变化

     机器人需要感知外部的环境从而判断下一步如何行动,下面这些传感器就是很好的选择。

           

                                                          图13 磁感应传感器及其应用                                                               图14 数字温度传感        
    1. 磁感应传感器
    顾名思义,磁感应传感器(见图13)就是检测感应元器件周围是否存在磁场的传感器,本质上也是一种开关。磁感应传感器最重要的部件就是干簧管,它决定了检测磁场的能力和精度。它的结构非常简单,拿常开式干簧管来说,当磁铁靠近时,其内部的两片磁性材料吸合从而导电。干簧管的应用场景非常多,可用于自行车码表传感器,也可安装在门上(开门时发出报警、问候),甚至还能DIY 一个磁力探测器或者磁力迷宫。
    2. 数字温度传感器
    数字温度传感器( 见图14) 的功能是检测环境温度,其核心元器件就是DS18B20(见图15)。DS18B20 数字温度传感器根据应用场合的不同,封装也不相同,如管道式、螺纹式、磁铁吸附式、不锈钢封装式。温度传感器能够应用在自动灭火机器人上(见图16)。当它在进入火场时通过检测环境温度分析火情。

       

                      图15 DS18B20                                                              图16 自动灭火机器人                                                             图17 温湿度传感器

    3. 温湿度传感器
    温度、湿度和人们的实际生活有密切的关系。温湿度传感器(见图17)可以将温湿度转换成电信号供单片机处理。数字温湿度传感器的主要元器件是DHT11。它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,使用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,可靠性和稳定性较高。 

    机器人识别障碍物和主人

    当机器人发现前方存在障碍物时,它必须避免碰撞到障碍物。而当机器人“看到”前方有人移动时,能够说上一句“你好,我能为你做点什么?”则显得更加智能。下面这两款传感器便能实现这些需求。
    1. 人体红外热释电传感器
    人体红外热释电传感器(见图18)能检测出人体或动物释放的红外线。其核心元器件是热释电晶体,它已广泛用于各种自动化控制装置中,如红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。它在生活中的应用也很多,例如自动开关门和防盗报警。我们可以给机器人安装一个辨别有没有人移动的“眼睛”,让它在“看到”有人在其面前移动后执行相关命令。 

                                                                             

                                                                                  图18 外热释电

    2. 红外避障传感器
    红外避障传感器(见图19)能够检测前方一定距离内是否存在障碍物。它有1个发射端和1 个接收端,发射端发送红外线,如果前方有障碍物,那么它会反射红外线,此时若接收端接收到的红外信号超过阈值,那么传感器则被触发。注意:若障碍物(反射面)较小,接收端得到的红外线则不会超过阈值;若障碍物(反射面)颜色为黑色或深色时,发射端发出的红外线则会被障碍物吸收一部分;若处于暖光源(如白炽灯、太阳光)照射下,传感器的检测也会受到一定影响。因此在实际使用中,我们要调节发射端和接收端的电位计,从而适应当前环境。红外避障传感器最经典的应用就是检测并避开障碍物的避障小车了(见图20),在此基础上甚至可以制作出自动走迷宫的小车。

                                         

                                          19 红外避障传感器                                                                               图20 红外避障小车
    介绍了这么多数字传感器,相信大家对它们也有了一定的了解。传感器的种类非常多,而它们的应用更是丰富多彩。与此同时,电子发烧友与科学家们也在开发更多新奇的传感器,而笔者只是抛砖引玉地带领大家参观了“冰山一角”。如果你还想了解更多传感器,可以扫描下方的二维码,一起来学习传感器的视频哦!

     

      关于传感器的更多原理和实验内容,大家可以扫描视频二维码进行学习

     



    无线电2016年04月刊 

     

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