（大气物理学与大气环境专业论文）红外感雨器的设计与实现.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明; 1 、坚持以 “ 求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成 果 。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研 究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意 。 作者签 名 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版; 有权将学位论文用于非东利 目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅: 有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索; 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 保密的学位论 文在解密后适用本规定。 作者签名 南京信息工程大学硕士学位论文红外感雨器的设计与实现 摘要 本文介绍了一种车用红外感雨器的设计过程。 该感雨器系统以高亮度红外发光二极管 作为 光源照射汽车挡风玻璃，以 m o t o r o l a 公司的 m c 6 8 h c 9 0 8 s r 1 2 单片 机为控制核心， 利用 其1 0 位的 a / d 转换器， 完成对挡风玻璃上雨点及水的散射信号的探测采样。 通过其p ip m 端口 输出不同占空比的脉冲信号， 滤波平滑后可转换为相应的直流电平控制雨刮器的转速， 使 之处于一个最佳的工作状态， 系统充分利用了 m o t o r o l a 微控制器高性能、 低功耗、 低成本 的优势，为自 动雨刮器应用于中低档轿车提供了一个经济实用的解决方案。 全文内容结构安排如下: 第一章 介绍了雨传感器的发展现状，汽车传感器的现状和发展趋势，论述了本设 计提出的背景与用途。 第二章 介绍了传感器及光学 传感器的基本知识。 第三章 降水粒子的近红外散射特性并由此确定了红外发光管和接收管相对位置。 第四章 详细论述了红外感雨器的系统结构。 第五章 m c 6 8 h c 9 0 8 s r 1 2 芯片综述， 详细介绍y m c 6 8 h c 9 0 8 s r 1 2 的技术指标和开发方法。 第六章 感雨器系统的硬件设计，包括感雨器系统各硬件模块和系统主要波形。 第七章 感雨器系统的 软件描 述， 详细介绍了各软件模块的 编程方法和系统软件的 实现 方案。 第八章 工作总结与展望。 关键词:红外;雨传感器; m o t o r o l a 微控制器 南京信息工程大学硕士学位论文红外感雨器的设计与实现 第一章前 言 降 水是从云中降 落或从大气中 沉降到 达地面的固 态或液态的水汽凝结物， 包括:雨、 雹、雪、 露、雾淞、白 雾和轻雾。 人们对降 水的监测方法， 根据实际需要通常分为两 类: 一种是测量在一段时间内降落到地面的降水总量， 液态降水用降水所覆盖的地表面的深度 表示;另一种是仅仅判断有没有降水发生，即所谓感雨。 1 . 1降水的定量测定 通常雨量的定量测量是用雨量器实现的。 日 常观测用的 常规雨量器的 形式是用一个集 水器放在一个漏斗上， 籍此二者将收集到的雨水引入贮水器中。 对于液体降水， 集水器受 水口的大小不是重要的条件:但对于其它形式的降水，则要求受水口的面积不能小于 2 0 0 e m 。 受水口 面积为2 0 0 - 5 0 0 c m 或许最为方便。 常用的雨量器有四 种: 称重式、翻斗式、浮子式和容栅式。目 前我国自 动气象站配备的多 为数字式翻斗雨量器. 1 . 2感雨器的基本原理 感雨器仅仅是用来感知有没有降水发生， 对降水的强弱及数量没有严格的要求。 常见的感雨器有电 容式、热电 偶式和红外散射式。 电 容式 感 雨 器: 在一块 绝缘 介 质上 刻 蚀印 制两 条呈 树枝状的 平 行金 属线， 分 别作为电 容器 的 两个电 极， 树枝状分布的目 的是 减小体积、 增加电 容量。 该电 容和外接的电 感或电阻 构 成l c , r c 振荡电 路。 使用时需将该电 容器直接置于空气中。 在正常的天气条件下，电 容 有一个固 定的电 容值， 降 水发生时， 雨水落入该电 容内， 改 变了电 容的介电 常数从 而改 变 了电容值。导致振荡电路的振荡频率发生改变，据此判断降水的发生与否。 图1 . 1电容式感雨器原理 热电 偶式感雨器: 两种不同 的 金属或合金a , b 在、 两点焊接一 起，构成一个闭 合回 路， 如图1 . 2 所示。 回路中 将产生电 动势， 、 两点的温度差越大，电 动势越高. 令焊 点 维持在已 知温度下， 焊点 的 温度可以 借助于回路的电 动 势来确定。 维持已 知温度的 一端称作参考端， 另一端称作工作端。 在正常天气条件下， 维 持一 个稳定的电 动势， 当 下 雨时， 工作端的 温度迅速降 低. 从而电 动势降 低。 电 动势的 突 变变换成闭 合回 路电 流的 突 变，据此判断降水是否发生。 散射式感雨器: 通过外部光源照射雨滴， 雨滴对光产生散射， 雨量越多散射越大， 通过测 南京信息工程大学硕士学位论文红外感雨器的设计与实现 第一章前 言 降 水是从云中降 落或从大气中 沉降到 达地面的固 态或液态的水汽凝结物， 包括:雨、 雹、雪、 露、雾淞、白 雾和轻雾。 人们对降 水的监测方法， 根据实际需要通常分为两 类: 一种是测量在一段时间内降落到地面的降水总量， 液态降水用降水所覆盖的地表面的深度 表示;另一种是仅仅判断有没有降水发生，即所谓感雨。 1 . 1降水的定量测定 通常雨量的定量测量是用雨量器实现的。 日 常观测用的 常规雨量器的 形式是用一个集 水器放在一个漏斗上， 籍此二者将收集到的雨水引入贮水器中。 对于液体降水， 集水器受 水口的大小不是重要的条件:但对于其它形式的降水，则要求受水口的面积不能小于 2 0 0 e m 。 受水口 面积为2 0 0 - 5 0 0 c m 或许最为方便。 常用的雨量器有四 种: 称重式、翻斗式、浮子式和容栅式。目 前我国自 动气象站配备的多 为数字式翻斗雨量器. 1 . 2感雨器的基本原理 感雨器仅仅是用来感知有没有降水发生， 对降水的强弱及数量没有严格的要求。 常见的感雨器有电 容式、热电 偶式和红外散射式。 电 容式 感 雨 器: 在一块 绝缘 介 质上 刻 蚀印 制两 条呈 树枝状的 平 行金 属线， 分 别作为电 容器 的 两个电 极， 树枝状分布的目 的是 减小体积、 增加电 容量。 该电 容和外接的电 感或电阻 构 成l c , r c 振荡电 路。 使用时需将该电 容器直接置于空气中。 在正常的天气条件下，电 容 有一个固 定的电 容值， 降 水发生时， 雨水落入该电 容内， 改 变了电 容的介电 常数从 而改 变 了电容值。导致振荡电路的振荡频率发生改变，据此判断降水的发生与否。 图1 . 1电容式感雨器原理 热电 偶式感雨器: 两种不同 的 金属或合金a , b 在、 两点焊接一 起，构成一个闭 合回 路， 如图1 . 2 所示。 回路中 将产生电 动势， 、 两点的温度差越大，电 动势越高. 令焊 点 维持在已 知温度下， 焊点 的 温度可以 借助于回路的电 动 势来确定。 维持已 知温度的 一端称作参考端， 另一端称作工作端。 在正常天气条件下， 维 持一 个稳定的电 动势， 当 下 雨时， 工作端的 温度迅速降 低. 从而电 动势降 低。 电 动势的 突 变变换成闭 合回 路电 流的 突 变，据此判断降水是否发生。 散射式感雨器: 通过外部光源照射雨滴， 雨滴对光产生散射， 雨量越多散射越大， 通过测 南京信息工程大学硕士学 位论文 红外感雨器的设计与实现 量散射光的强弱大致判断雨量的多少。 图1 . 2热电偶感雨器原理 众所周知， 降水直接影响 地球生态系统的平衡及演变， 因此一直为人类的重点观测目 标。 另一方面降水也常常直接影响人们的日 常生活。 如: 雨、 雾常对行驶中的 汽车安全构 成很大的威胁， 严重时也构成了一种气象灾害。 最大限度减小或降低气象灾害一直是气象 学家奋斗的目 标之一。 通常汽车配备雨刮器用于消除挡风玻璃上的雨水、 雾气等以 保证玻 璃透明清晰， 还司机一个有效的视野。 传统的雨刮器均由驾驶者来控制， 容易分散驾驶者 的注意力， 增加驾驶压力， 这对于驾驶者来说是很不安全的。目 前， 在某些高档轿车上己 经配备了红外自 动感雨装置，但由于价格昂 贵， 难以向中低档轿车普及。 本文介绍一 种经济实 用型车用红外感 雨器的 设计研制。 根据汽车的实际运行环 境， 要 求感雨器必须置于汽车内 部。 考虑到电 容式传感器和热电 偶式传感器必须放在雨中 才可以 感雨， 而散射式感雨器可以 不直接与雨水接触即 可 感雨。 故 木文设计的传感器采用散 射式 感雨器技术方案。 该感雨 器系统以 高亮度红外发光二极管作为光源照射汽车挡风玻 璃， 以 m o t o r o l a 公司的 m c 6 8 h c 9 0 8 s r 1 2 单片机为 控制核心， 利用其1 0 位的 a / d 转换器， 完成对挡风 玻璃上雨点及水的散射信号的探测采样。通过其p w m 端口 输出不同占空比的脉冲信号，通 过滤波平滑后可转换为相应的直流电 平控制雨刮器的 转速，清除挡风玻璃上的雨水和雾 气， 使得雨刮器可以 在没有驾驶者干预的 情况下正常工作， 为驾驶者提供了 便利， 同时也 考虑了 该感雨 器与其它车 用各类传感器在整车电 气性能上的融 合。系统充分利用了 m o t o r o l a 微控制器高 性能、 低 功耗、 低成本的 优势， 为自 动感雨装置应用于中 低档轿车提 供了一个经济实用且可靠的解决方案。 1 . 3 车用传感器的现状与发展趋势 汽车工业是国民 经济发展的支柱产业之一。 现代汽车正由 一个单纯交通工具朝着能满 足人类需求和安全、舒适、 方便及无污染的 方向 发展。 当前， 汽车电 子己 成为汽车工 业发 展的 核心技术， 据预测， 未来 汽车电 子产品的费用 将占 整车费用的3 0 % ， 并认为 汽车上7 0 % 的 革新将来源于汽车电 子。 近2 0 年来， 世界 汽车电 子产品的 开发和应用已 广泛用于汽车的 各 个独立的电子控制系统， 并正向着可完成汽车各种功能的综合电 子控制系统发展。同时， 南京信息工程大学硕士学 位论文 红外感雨器的设计与实现 量散射光的强弱大致判断雨量的多少。 图1 . 2热电偶感雨器原理 众所周知， 降水直接影响 地球生态系统的平衡及演变， 因此一直为人类的重点观测目 标。 另一方面降水也常常直接影响人们的日 常生活。 如: 雨、 雾常对行驶中的 汽车安全构 成很大的威胁， 严重时也构成了一种气象灾害。 最大限度减小或降低气象灾害一直是气象 学家奋斗的目 标之一。 通常汽车配备雨刮器用于消除挡风玻璃上的雨水、 雾气等以 保证玻 璃透明清晰， 还司机一个有效的视野。 传统的雨刮器均由驾驶者来控制， 容易分散驾驶者 的注意力， 增加驾驶压力， 这对于驾驶者来说是很不安全的。目 前， 在某些高档轿车上己 经配备了红外自 动感雨装置，但由于价格昂 贵， 难以向中低档轿车普及。 本文介绍一 种经济实 用型车用红外感 雨器的 设计研制。 根据汽车的实际运行环 境， 要 求感雨器必须置于汽车内 部。 考虑到电 容式传感器和热电 偶式传感器必须放在雨中 才可以 感雨， 而散射式感雨器可以 不直接与雨水接触即 可 感雨。 故 木文设计的传感器采用散 射式 感雨器技术方案。 该感雨 器系统以 高亮度红外发光二极管作为光源照射汽车挡风玻 璃， 以 m o t o r o l a 公司的 m c 6 8 h c 9 0 8 s r 1 2 单片机为 控制核心， 利用其1 0 位的 a / d 转换器， 完成对挡风 玻璃上雨点及水的散射信号的探测采样。通过其p w m 端口 输出不同占空比的脉冲信号，通 过滤波平滑后可转换为相应的直流电 平控制雨刮器的 转速，清除挡风玻璃上的雨水和雾 气， 使得雨刮器可以 在没有驾驶者干预的 情况下正常工作， 为驾驶者提供了 便利， 同时也 考虑了 该感雨 器与其它车 用各类传感器在整车电 气性能上的融 合。系统充分利用了 m o t o r o l a 微控制器高 性能、 低 功耗、 低成本的 优势， 为自 动感雨装置应用于中 低档轿车提 供了一个经济实用且可靠的解决方案。 1 . 3 车用传感器的现状与发展趋势 汽车工业是国民 经济发展的支柱产业之一。 现代汽车正由 一个单纯交通工具朝着能满 足人类需求和安全、舒适、 方便及无污染的 方向 发展。 当前， 汽车电 子己 成为汽车工 业发 展的 核心技术， 据预测， 未来 汽车电 子产品的费用 将占 整车费用的3 0 % ， 并认为 汽车上7 0 % 的 革新将来源于汽车电 子。 近2 0 年来， 世界 汽车电 子产品的 开发和应用已 广泛用于汽车的 各 个独立的电子控制系统， 并正向着可完成汽车各种功能的综合电 子控制系统发展。同时， 南京信息工程大学硕士学位论文红外感雨器的设计与实现 汽车电子产品也向 完成单个汽车控制扩展到 “ 汽车一 人一 公 路一 环境” 的系统信息交流和控 制的方向发展。 在汽车电 子产品中， 传感器已 成为关键的基础配套产品。 2 0 世纪末期， 为了 实现可持续发展战略， 发达国家对汽车工业提出的新要求， 促进了传感器应用和技术的快 速发展， 传感器的研发和生产单位采用新材料和新的加工技术开发和生产新一代的传感器 及系统 满足汽车工业的需求。 传感器是一种转换器， 它可 把物理量、 电 量和化学量等信息转换成计算机能够理解的 电信号。 在某些控制系统中， 传感器是系统的关键部件。 如果没有各种传感器， 计算机或 微处理器的 控制则根本无法实现。 另外， 汽车上各种仪表所指示的数据也都 是通过传感器 的检测得到的。目 前， 一辆普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器， 而豪华轿车上 的传感器数量可多达二百余只。 汽车传感器应具有如下特点: 适应性强、 耐恶劣环境、 抗千扰能力强、 稳定性和可靠 性高、价格低廉，适应大批量生产。 2 0 世纪9 0 年代以 来， 汽车上应用的传感器越来越多， 表1 . 1 列出了 汽车传感器的种类和 种类 检测对象 温度传感器 冷却水， 吸气， 排气， 车内 外空气， 发动机机油等 流量传感器 吸入空气， 燃油， 排气再循环， 冷媒流量， 二次空气等 压力传感器 进气岐管绝对压力， 大气压力， 发动机油压， 混合气， 制动液， 各 种泵压， 胎压等 位置传感器 曲 轴位置， 节气门位置， 排气再循环阁 开盈， 车高， 行驶距离， 行 驶方位等 液位传感器 冷却水， 燃油， 机油， 电 解液， 制动液， 洗窗器液等 速度、 加速度传感 器 发动机转速， 车速， 轮速， 加速度， 负加速度等 气体传感器 0 2 , c o , n o , h c化合物， 柴油机排气烟度等 未来的汽车用传感器技术， 总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。利 用微电 子机械加工技术将微米级的 敏感元件、 信号处理 器、 数据处 理装里封装在一块芯片 上， 它具有体积小、 价格便宜、 可靠性高、 工作寿命可达到1 0 0 h 等 特点 ， 井且可以明 显提高 系统 测 试准 确 度， 己 开始 逐 步取 代 传统 传 感器。 p h i l i p s e l e c t r o n i c s 公司 和 c o n t i n e n t a l t r e v e s公司 在1 0 年内己 销售1 0 亿只用于 汽车a b s 系统的 传感器芯片。 两 个公司 共同 开发有 源磁 场传感器的 前瞻性技术， 产品己 应用世界上 最新的 轿车上。 c o n t i n e n t a l t r e v e s公司 用这种磁阻式转速传感器制作了 轮速 传感器， 用于a b s 系 统。 防 滑系统等。国 外最早 研制成 南京信息工程大学硕士学位论文红 外感雨器的设计与实现 功的 em s 传感器是 绝压传感器( m a p ) 和气囊加速度传感器。目 前， 正 在研发和小 批量生产 的 mem s 产品 有: 轮速旋转传感器， 胎压传感器， 致冷压力 传感器， 发动机油压 传感器， 刹车压 力传感器和偏离速率传感器等 在今后的5 -7 年mem s 传感器将大量应用到汽车电 子控制系 统中。 多功能化是指利 用一种材料或在同 一个芯片上制作出能 检测2 个或者2 个以 上的 特性 参数的传感器， 从而减少汽车传感器数量， 提高系统可靠性。 集成化是指利用工 c 制造技术和 精细加工技术制作工 c 式传感器。智能化是指传感器与大规模集成电路相结合， 带有微处理 器、自 检、自 校和放大电 路， 具有智能作用。随着微电子技术的发展和电子控制系统在汽 车上的 应用迅速增加， 汽车 传感器市场需求将保持高速增长， 以 m e m s 技术为 基础的 微型 化、 多功能化、集成化和智能化的 传感器将逐步取代传统的传感器， 成为汽车传感器的主流。 各类传感器主要应用在发动机电子控制系统、底盘电子控制系统和车身电子控制系统， 见 表1 . 2。 电子控制 系统类别 子系统名称 所用的主要传感器 发动机电子燃油喷射系统 温度， 压力， 位置， 转速， 流量， 爆震， 车速， 旋转位 移， 液位， 力距， 氧传感器等 底盘 电子自 动变速控制系统 车速， 位移， 油温， 节流阀传感器等 电子控制悬架系统 车高， 车速， 航角 ， 方位， 加速度， 方向 盘转角传感 器等 电子控制动力转向 系统 车速， 转向 ， 转速， 油压， 扭矩传感器等 防抱死制动系统 轮速， 压力， 加 速度， 振动传感器等 车身 安全气囊系统 惯性加速度， 碰撞( 前后和侧向)传感器等 防撞警告系统 接近， 红外热成像， 超声阵列， 距离传感器等 自 动空调系统 低压开关， 温度开关 压力， 湿度传感器等 环境检测系统 温度 ， 气 压， 风 量 ， 风向 ， 日 照， 雨 量， 气体( c o , n o , c 0 2 )传感器等 g p s / g i s导航系统 罗盘传感器， 陀 螺仪， 车速， 方向 盘转角 传感器等 表1 . 2 汽车电子控制系统用传感器 南京信息工程大学硕士学位论文红外感雨器的设计与实现 第二章 传感器及光学传感器 2 . 1概述 传感器是人类感官的扩展和延伸， 借助传感器， 人类可以 去探测那些无法直接用感官 获 取的 信息。 例如， 用 超声 波探测器可以 探测海水的 深度， 用红外遥感器可以 从高空 探测 地球上的 植被和污染信况等等。 在自 动控制领域中，自 动化程度越高， 控制系统对传感器 的依赖性就越大，因此， 传感器对控制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。 2 . 1 . 1 什么是传感器 信息的 装置。它的定义是: 借助于检测元件接收一种形式的信息， 并按一定的规律将 所获取的信息转换成另一种信息的 装置。 它获取的信息可以为各种物理量、 化学量和生物 量， 而转换后的信息也可以 有各种形式。 但目 前， 传感器转换的大多为电信号。 因而从狭 义上讲， 传感器定义为， 把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。 所以 一般也称传感 器为变换器、 换能器和探测器， 其输出的电 信号继续输送给后续的 配套的测量电路及终端 装置，以 便进行电 信号的调理、 分析、 记录或显示等等。 在一个自 动化系统中， 首先要能 检测到信息， 才能去进行自 动控制，因此传感器是首当其冲的装置。 图2 . 1控制系统的信息处理过程 2 . 1 . 2 传感器的组成 传感器一般由 敏感器件与其他辅助器件组成。 敏感器件是传感器的核心， 它的作用是 直接感受被测物理量， 并将信号进行必要的转换输出。 如应变式压力传感器的弹性膜片是 敏感元件， 它的 作用是将压力转换为弹性膜片的形变， 并将弹性膜片的形变转换为电阻的 变化而输出. 一 般把信号调理与 转换电 路归为辅助 器件， 它们是一些能 把敏感器件输出的电 信号 转 换为便于显示、 记录、处理等有用的电信号的装置。 随 着集成电 路制造技术的 发展， 现在已 经能 把一些处理电 路和传感器集成 在一 起， 构 成集成 传感器。 进一步的 发展是将 传感器和微处理器相结合， 装在一个检测器中形成一种 新型的 智能 传感器 。 它将具有一定的 信号调理、 信号分析、 误差校证、 环境适应等能力， 甚至具有一 定的 辨认、 识别、 判断的功能。 这种集 成化、 智能 化的 发展， 无疑对现代工业 7 南京信息工程大学硕士学位论文红外感雨器的设计与实现 第二章 传感器及光学传感器 2 . 1概述 传感器是人类感官的扩展和延伸， 借助传感器， 人类可以 去探测那些无法直接用感官 获 取的 信息。 例如， 用 超声 波探测器可以 探测海水的 深度， 用红外遥感器可以 从高空 探测 地球上的 植被和污染信况等等。 在自 动控制领域中，自 动化程度越高， 控制系统对传感器 的依赖性就越大，因此， 传感器对控制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。 2 . 1 . 1 什么是传感器 信息的 装置。它的定义是: 借助于检测元件接收一种形式的信息， 并按一定的规律将 所获取的信息转换成另一种信息的 装置。 它获取的信息可以为各种物理量、 化学量和生物 量， 而转换后的信息也可以 有各种形式。 但目 前， 传感器转换的大多为电信号。 因而从狭 义上讲， 传感器定义为， 把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。 所以 一般也称传感 器为变换器、 换能器和探测器， 其输出的电 信号继续输送给后续的 配套的测量电路及终端 装置，以 便进行电 信号的调理、 分析、 记录或显示等等。 在一个自 动化系统中， 首先要能 检测到信息， 才能去进行自 动控制，因此传感器是首当其冲的装置。 图2 . 1控制系统的信息处理过程 2 . 1 . 2 传感器的组成 传感器一般由 敏感器件与其他辅助器件组成。 敏感器件是传感器的核心， 它的作用是 直接感受被测物理量， 并将信号进行必要的转换输出。 如应变式压力传感器的弹性膜片是 敏感元件， 它的 作用是将压力转换为弹性膜片的形变， 并将弹性膜片的形变转换为电阻的 变化而输出. 一 般把信号调理与 转换电 路归为辅助 器件， 它们是一些能 把敏感器件输出的电 信号 转 换为便于显示、 记录、处理等有用的电信号的装置。 随 着集成电 路制造技术的 发展， 现在已 经能 把一些处理电 路和传感器集成 在一 起， 构 成集成 传感器。 进一步的 发展是将 传感器和微处理器相结合， 装在一个检测器中形成一种 新型的 智能 传感器 。 它将具有一定的 信号调理、 信号分析、 误差校证、 环境适应等能力， 甚至具有一 定的 辨认、 识别、 判断的功能。 这种集 成化、 智能 化的 发展， 无疑对现代工业 7 南京信息工程大学硕士学位论文 红外感雨器的设计与实现 技术的发展将发挥重要的作用。 2 . 1 . 3 传感器的分类 传感器的种类繁多。在工程测试中，一种物理量可以 用不同类型的传感器来检测; 而 同一种类型的传感器也可测量不同的物理量。 传感器的分类方法很多，概括起来，可按以下几个方面进行分类。 ( 1 ) 按被测物理量来分，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器j 力传感器、 温 度传感器等。 ( 2 ) 按传感器工作的 物理原理来分，可分为机械式、电 气式、辐射式、 流体式等。 ( 3 ) 按信号变换特征来分，可分为物性型和结构型。 所谓物性型传感器， 是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的 检测。 例 如， 用水银温度计测温。 是利用了水银的热胀冷缩的现象; 用光电 传感器测速， 是利用了 光电 器件本身的光电 效应;用压电 测力计测力，是利用了 石英晶体的压电效应等。 所谓结构型 传感器， 则是通过传感器本身结构 参数的 变化来实现 信号转换的。 例如， 电容式传感器， 是通过极板间距离发生变化而引起电 容量的变化; 电 感式传感器， 是通过 活动衔铁的位移引起自 感或互感的变化等。 ( 4 ) 按传感器与被测量之间的关系来分，可分为能量转换型和能量控制型。能量转换型传 感器 ( 或称无源传感器) ，是直接由被测对象输入能量使其工作的.例如，热电偶将被测 温度直接转换为电 量输出。 由 于这类传感 器在转换过程中 需要吸收 被测物体的能量， 容易 造成测量误差。 ( 5 ) 另外， 按传感器输出量的性质可分为模拟式和数字式两种，前者的输出量为连续变化 的模拟量， 而后者的输出量为数字量。由于计算机在工程测试中的应用， 数字式传感器是 很有发展前途的。当 然， 模拟量也可以 通过模一 数转换变为 数字量。 2 . 1 . 4 传感器的发展动向 最近十几年来， 由于对传感器在信息社会中的作用有了新的认识和评价， 各国都将传 感器技术列为重点发展技术。 当 今， 传感器技术的主要发展动向， 一是开展基础研究， 重点 研究传感器的新材料和 新工艺; 二是实 现传感器的 智能化。 ( 1 )利用物理现象、 化学反应和生物效应设计制作各种用途的 传感器， 这是传感器技术的 重要基础工作。 例如， 利用某些材料的化学反应制成的识别气体的口 电 子鼻户 : 利用超导技 术研制成功的高温超导磁传感器等。 ( 2 )传感器向高精度、 一体化、 小型化的 方向 发展。 工业自 动化程度越高， 对机械制造精 度和装配精度要求就越高， 相应地测量程度要求也就越高。 因此， 当 今在传感器制造上很 南京信息工程大学硕士学位论文红外感雨器的设计与实现 重视发 展微 机械加工技术。 微机械加工技术除全面继承氧化、 光刻、 扩散、 沉积等微电 子 技术外，还发展了 平面电 子工艺技术，各向异性腐蚀、固 相键合工艺和机械分断 技术。 ( 3 )发展智能型传感器. 智能型传感器是一种带有微处理祷并兼有检测和信息处理功能的 传感器。 智能型传感器被称为第四代传感器， 使传感器具备有感觉、 辨别、 判断;自 诊断 等功能，是传感器的发展方向口 实践证明， 传感器技术与计算机技术在现代科学技术的发展中 有着密切的关系。 而当 前， 的计算机在很多方面已 具有了 大脑的思维功能， 甚至在有些方面的功能己 超过了大脑。 与此相比， 传感器就显得比 较落后。 也就是说， 现 代科学 技术在某些方面因电 子计算机技 术与传感器技术未能取得协调发展而面临着许多问 题。 正因为如此， 世界上许多国家都在 努力研究各种新型传感器， 改进传统的传感器。 开发和利用各种新型传感器已 成为当前发 展科学技术的重要课题。 基于上述开发新型传感器的紧迫性，目 前国际上， 凡出现一种新材料、 新元件成新工 艺， 就 会很快地应用于传感器， 并研制出 一种新的 传感器。 例如， 半导体材料与工艺的 发 展，出现了一批能测很多参数的半导体传感器; 大规模集成电路的设计成功， 发展了有测 量、 运算、 补偿功能的智能 传感器; 生物技术的发展， 出 现了 利用生物功能的生物传感器。 这也说明了各个学科技术的发展，促进了传感器技术的不断发展; 而各种新型传感器的问 世， 又不断为各个部门的 科学技术服务， 促使现代科学技术进步。 它们是相互依存、 相互 促进的，这也说明了目 前要开发新型传感器不但重要， 而且也是可能的。 在我国 近2 0 年来， 传感器虽然有了 较快的 发展， 有不少传感器走上市 场， 但大多数 只能用于测量常用的参数、 常用的 量程、 中等的精度， 远远满足不了我国四 个现代化建设 的要求。 而与国际水平相比， 我国的 传感器不论在品种、 数量、 质量等方面， 都有较大的 差距。 为此， 努力开发各种新型传感器，以 满足我国生产建设的需要， 是摆在我国 科技工 作者面前的紧迫任务。 2 . 2 光学传感器 光学传感器是目前产量最多应用最广泛的传感器之一。 2 . 2 . 1光学传感器及其类型 光波是电 磁波， 是能 量辐射的 一种形式。 波长在 7 6 0 - i o 物 的电 磁辐射， 称为红外 ( i r ) 线( 辐射) 。 本设计中采用的光源属于近红外波段。 对光学波段的入射电 磁辐射产生电 输出的 传感器， 称为光学传感 器， 或称作光探测器。 光传感器按其 探测 机理的不同， 一般 可以 分为两大类型:光子探测光传感器和热探测光传感器。光子探测传感器吸收光子后， 发生电 子状态的改变， 产生光子效应。 从光子效应的大小， 可测定被吸收的光子数。 利用 光子效应制成的光传感器， 称光子探测传感器， 通常又称为光子探测器。 常用的这类光传 南京信息工程大学硕士学位论文红外感雨器的设计与实现 重视发 展微 机械加工技术。 微机械加工技术除全面继承氧化、 光刻、 扩散、 沉积等微电 子 技术外，还发展了 平面电 子工艺技术，各向异性腐蚀、固 相键合工艺和机械分断 技术。 ( 3 )发展智能型传感器. 智能型传感器是一种带有微处理祷并兼有检测和信息处理功能的 传感器。 智能型传感器被称为第四代传感器， 使传感器具备有感觉、 辨别、 判断;自 诊断 等功能，是传感器的发展方向口 实践证明， 传感器技术与计算机技术在现代科学技术的发展中 有着密切的关系。 而当 前， 的计算机在很多方面已 具有了 大脑的思维功能， 甚至在有些方面的功能己 超过了大脑。 与此相比， 传感器就显得比 较落后。 也就是说， 现 代科学 技术在某些方面因电 子计算机技 术与传感器技术未能取得协调发展而面临着许多问 题。 正因为如此， 世界上许多国家都在 努力研究各种新型传感器， 改进传统的传感器。 开发和利用各种新型传感器已 成为当前发 展科学技术的重要课题。 基于上述开发新型传感器的紧迫性，目 前国际上， 凡出现一种新材料、 新元件成新工 艺， 就 会很快地应用于传感器， 并研制出 一种新的 传感器。 例如， 半导体材料与工艺的 发 展，出现了一批能测很多参数的半导体传感器; 大规模集成电路的设计成功， 发展了有测 量、 运算、 补偿功能的智能 传感器; 生物技术的发展， 出 现了 利用生物功能的生物传感器。 这也说明了各个学科技术的发展，促进了传感器技术的不断发展; 而各种新型传感器的问 世， 又不断为各个部门的 科学技术服务， 促使现代科学技术进步。 它们是相互依存、 相互 促进的，这也说明了目 前要开发新型传感器不但重要， 而且也是可能的。 在我国 近2 0 年来， 传感器虽然有了 较快的 发展， 有不少传感器走上市 场， 但大多数 只能用于测量常用的参数、 常用的 量程、 中等的精度， 远远满足不了我国四 个现代化建设 的要求。 而与国际水平相比， 我国的 传感器不论在品种、 数量、 质量等方面， 都有较大的 差距。 为此， 努力开发各种新型传感器，以 满足我国生产建设的需要， 是摆在我国 科技工 作者面前的紧迫任务。 2 . 2 光学传感器 光学传感器是目前产量最多应用最广泛的传感器之一。 2 . 2 . 1光学传感器及其类型 光波是电 磁波， 是能 量辐射的 一种形式。 波长在 7 6 0 - i o 物 的电 磁辐射， 称为红外 ( i r ) 线( 辐射) 。 本设计中采用的光源属于近红外波段。 对光学波段的入射电 磁辐射产生电 输出的 传感器， 称为光学传感 器， 或称作光探测器。 光传感器按其 探测 机理的不同， 一般 可以 分为两大类型:光子探测光传感器和热探测光传感器。光子探测传感器吸收光子后， 发生电 子状态的改变， 产生光子效应。 从光子效应的大小， 可测定被吸收的光子数。 利用 光子效应制成的光传感器， 称光子探测传感器， 通常又称为光子探测器。 常用的这类光传 南京信息工程大学硕士学位论文 红外感雨器的设计与实现 感器有以下几种: 光电导光传感器、 光生伏特光传感器、 光电导结光传感器和光电磁光传 感器。 热探测光传感器吸收红外辐射后， 首先引 起温度升高， 并伴随某种物理性质的变化。 测量这一变化就可以确定被吸收的红外辐射的能量或者功率。 这类传感器主要包括: 热电 堆光传感器、 辐射热计光传感器、 热释电光传感器和g o l a y 型光传感器。 光子探测光传感 器与热探测光传感器相比 较， 前者响应度高、 响应时间较短、 产品易规格化， 但只对其波 长限以 下的一段波长有响 应， 且工作时多数需要致冷。 后者光谱响应宽、 工作时一般不需 要冷却( 除低温测辐射热计外) ， 但其响应度较低、响应时间较长，且性能与器件的尺寸、 形状及工艺细节关系较大，产品规格不易稳定。 2 . 2 . 2 光传感器的主要特性参数 1 、灵敏度 2 、 响应度 3 ,噪声等效照度n e i 4 ,噪声等效功率n e p 5 、探测度d 6 、归一化探测度d . 7 ,截止波长 8 、 暗电流 9 、 视场 2 . 2 . 3 光学传感器用光源 光学传感器中使用的光源种类很多， 按照光的相干性可分为非相干光源和相干光源。 。 前者包括白 炽灯和发光二极管; 后者包括各种激光器。 对光源的选择及参数的 要求， 如亮 度、 光谱特性、 光电 转换特性和相干性等， 必须根据具体系统来决定。 对光源的基本要求 视: 有足够大的 功率、 足够的 信噪比、 并具有质量合适的 光波到达光传感器。 本设计中 选 择的是发光二极管，它具体的技术参数在系统硬件概述中有叙述。 2 . 2 . 4光伏探测器件 光伏探测器件是基于光生伏特效应的一种半导体光电器件， 其种类很多， 应用相当广 泛。 硅、 硒、 锗、 砷化稼等半导体材料都具有良 好的光生伏特特性， 都是制造光伏探测器 件的理想材料。 其中， 硅光伏器件具有暗电 流小， 嗓声低， 受温度影响小， 价格便宣 等优 点， 是目 前应用最广泛的 光伏探测器件， 如硅光电 二极管， 硅雪崩光电 二极管， 硅光电三 极管、硅光电 场效应管及硅光电池等。本设计中所使用的 就是硅光电 二极管。 南京信息工程大学硕士学位论文红外感雨器的设计与实现 第三章 降水粒子近红外散射特性 3 . 1大气中的粒子 除了气体成份以外， 大气中还悬浮着大量固体和液体粒子。 通常又将半径小于几十微 米的固 态微粒叫 做大气气溶胶。 其它则分别称之为雾滴、 云滴、 冰晶、 雨滴以 及冰雹、 般 和雪花等固态降水粒子。 大气中的粒子群具有多种复杂的物理化学特性。 不仅形态多变， 而且粒子的尺度很宽。 小至直径仅l o - , 微米量级的 分子团， 大到近1 0 到几十 厘米左右的 特大冰雹。 气溶胶一般 包含半径约0 . 0 0 1 微米的离子到约几十微米的巨粒子， 基本上是固体粒子， 或是吸收大气 水汽在表面上形 成一薄层液态胶。 云雾中 粒子由 液态水滴和冰晶 组成， 其尺度在1 微米到 1 0 0 微米左右，当 超过1 0 0 微米后，就开始形成降水粒子，降落到地面。 大气中粒子群对于云雾降水的形成、大气污染、大气能见度等光学特性、虹、晕、华 等光象的形成、 大气辐射传输与地气系统辐射收支， 大气遥感信号传播等过程的影响很大， 因此，它已是大气物理学中一个重要研究对象。 3 . 2散射现象及散射特性 光通过不均匀介质时部分光偏离原方向 传播的现象。 偏离原方向的光称散射光， 散射 光一般为偏振光 线偏振光或部分偏振光) 散射光的波长不发生变化的有廷德耳散射、 分 子散射等， 散射光波长发生改变的 有拉曼散射、 布里渊散射和康普顿散射等。 廷德耳散射 由 英国 物理学家j . 廷德耳首先研究， 是由均匀介质中的悬浮粒子引起的散射， 如空气中的 烟、 雾、 尘埃，以 及浮浊液、 胶体等引 起的 散射均属此类。 真溶液不会产生廷德耳散射， 故化学中 常根据有无廷德 耳散射来区 别胶体和真溶液。 分子散射是由 于物质分子的 热运动 造成的密度涨落而引起的散射，例如纯净气体或液体中发生的微弱散射。 介质中 存在大量不均匀小区域是产生光散射的原因， 有光入射时， 每个小区域成为散 射中心，向四面八方发出同频率的次波， 这些次波间无固定相位关系， 它们在某方向上的 非 相 千 叠 加 形 成了 该 方向 上 的 散 射 光。 j . w s .瑞 利 研究 了 线 度比 波 长 要 小 的 微 粒 所引 起的 散射，并于1 8 7 1 年提出了 瑞利散射定律:特定方向上的散射光强度与波长x 的四次方成 反比: 一定波长的散射光强与( 1 +c o s 的成正比， b 为散射光与入射光间的夹角， 称散射 角。 凡遵守上述规律的 散射称为瑞利散射。 根据瑞利散射定律可解释天空和大海的蔚蓝色 和夕阳的橙红色。 对线度比 波长大的微粒， 散射规律不再遵守瑞利定律， 散射光强与微粒大小和形状有 复杂的 关系。 g 米和p . j . w . 德拜分别于1 9 0 8 年和 1 9 0 9 年以 球形粒子为模型详细计算了对 电磁波的 散射， 米氏散射理论表明， 只有当球形粒子的半径a 0 .3 1 / 2 二 时， 瑞利的散射 南京信息工程大学硕士学位论文红外感雨器的设计与实现 第三章 降水粒子近红外散射特性 3 . 1大气中的粒子 除了气体成份以外， 大气中还悬浮着大量固体和液体粒子。 通常又将半径小于几十微 米的固 态微粒叫 做大气气溶胶。 其它则分别称之为雾滴、 云滴、 冰晶、 雨滴以 及冰雹、 般 和雪花等固态降水粒子。 大气中的粒子群具有多种复杂的物理化学特性。 不仅形态多变， 而且粒子的尺度很宽。 小至直径仅l o - , 微米量级的 分子团， 大到近1 0 到几十 厘米左右的 特大冰雹。 气溶胶一般 包含半径约0 . 0 0 1 微米的离子到约几十微米的巨粒子， 基本上是固体粒子， 或是吸收大气 水汽在表面上形 成一薄层液态胶。 云雾中 粒子由 液态水滴和冰晶 组成， 其尺度在1 微米到 1 0 0 微米左右，当 超过1 0 0 微米后，就开始形成降水粒子，降落到地面。 大气中粒子群对于云雾降水的形成、大气污染、大气能见度等光学特性、虹、晕、华 等光象的形成、 大气辐射传输与地气系统辐射收支， 大气遥感信号传播等过程的影响很大， 因此，它已是大气物理学中一个重要研究对象。 3 . 2散射现象及散射特性 光通过不均匀介质时部分光偏离原方向 传播的现象。 偏离原方向的光称散射光， 散射 光一般为偏振光 线偏振光或部分偏振光) 散射光的波长不发生变化的有廷德耳散射、 分 子散射等， 散射光波长发生改变的 有拉曼散射、 布里渊散射和康普顿散射等。 廷德耳散射 由 英国 物理学家j . 廷德耳首先研究， 是由均匀介质中的悬浮粒子引起的散射， 如空气中的 烟、 雾、 尘埃，以 及浮浊液、 胶体等引 起的 散射均属此类。 真溶液不会产生廷德耳散射， 故化学中 常根据有无廷德 耳散射来区 别胶体和真溶液。 分子散射是由 于物质分子的 热运动 造成的密度涨落而引起的散射，例如纯净气体或液体中发生的微弱散射。 介质中 存在大量不均匀小区域是产生光散射的原因， 有光入射时， 每个小区域成为散 射中心，向四面八方发出同频率的次波， 这些次波间无固定相位关系， 它们在某方向上的 非 相 千 叠 加 形 成了 该 方向 上 的 散 射 光。 j . w s .瑞 利 研究 了 线 度比 波 长 要 小 的 微 粒 所引 起的 散射，并于1 8 7 1 年提出了 瑞利散射定律:特定方向上的散射光强度与波长x 的四次方成 反比: 一定波长的散射光强与( 1 +c o s 的成正比， b 为散射光与入射光间的夹角， 称散射 角。 凡遵守上述规律的 散射称为瑞利散射。 根据瑞利散射定律可解释天空和大海的蔚蓝色 和夕阳的橙红色。 对线度比 波长大的微粒， 散射规律不再遵守瑞利定律， 散射光强与微粒大小和形状有 复杂的 关系。 g 米和p . j . w . 德拜分别于1 9 0 8 年和 1 9 0 9 年以 球形粒子为模型详细计算了对 电磁波的 散射， 米氏散射理论表明， 只有当球形粒子的半径a 2 / 3 vc c 1 1 3 vc c 0 1 1 1 0 1 0 不变 导通 截止 导通 不变 表4 . 1 5 5 5 定时器的功能表 3 、双路r s -2 3 2 接收发送器m a x 2 3 2 m a x 2 3 2 是m a x i m 公司生产的 低功耗、 单电 源r s 2 3 2 发送/ 接收 器。 适用于各种e i a - 2 3 2 的通讯接口。 m a x 2 3 2 芯片内 部有一个电 源电压变换器。可以把输入的5 v电 源变换成 r s 2 3 2 输出电 平所需的l o v电 压。所以采用此芯片的串 行通信系统只要一个5 v电 源就可 以。 m a x 2 3 2 外围 需要4 个电 解电 容c l , c 2 , c 3 和c 4 , 这些电 解电 容是内 部电 源转换 所需 电 容， 其大小均为1 卜 / 2 5 v , 最好选用担电 容并且应靠 近芯片. m a x 2 3 2 的引 脚t 1 工 ， 、 t 2 t x , r l m , r 2 w r 为接t t l / c m o s 电 平的引 脚。引 脚t i - , t 2 m , r 1 m , r 2 ， 为接r s 2 3 2 电 平的引 脚。 因此t t l / c m d s 电 平的引脚t l - t 2 。 应接s r 1 2 串行发送引 脚t x d ; r l - , r 2 ，引脚应 接s r 1 2 的串 行接收引 脚r x d 。 与 之对应的r s 2 3 2 电 平的t i - , t 2 - 应接p c 机的串 行接收 引脚r x d ; r l - r 2 m 应接p c 机的串行发送引脚t x d . 南京信息