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1、学习情境3 测距仪的制作 位移检测,黄冈职业技术学院,传感器应用,1、制作一个测距仪:测量范围为0.1 m4.5m 测量精度为1cm 测量误差小于4cm。2、利用数码管显示测量值。,学习情境要求,学习情境目标,知识目标,1、掌握超声波传感器的工作原理及应用电路。2、掌握压电传感器的工作原理、测量电路和应用。3、了解光电元件的分类以及工作原理。,能力目标,1、能利用超声波传感器、压电式传感器完成相应 参数的测量。2、能利用简单的光敏电阻、光敏三极管等元件，完成光照度的测量和画出继电器的控制电路。,素质目标,1、培养耐心细致的工作态度。2、培养严谨扎实的工作作风。3、培养团结协作的合作能力。,内容
2、导航,知识准备,超声波传感器性能测试,测距仪电路组装与调试,知识拓展,1,2,3,4,知识准备,一超声检测的物理基础 频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。,返回,知识准备,1超声波的反射和折射 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在异质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。,图3.2超声波的反射和折射,超声波的反射和折射,返回,知识准备,2超声波的波型及其转换
3、 当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时，声波的波型也有所不同。质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体中传播。质点振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波，它只在固体的表面传播。,当声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时，除有纵波的反射、折射以外，还会发生横波的反射和折射，如图所示。在一定条件下，还能产生表面波。各种波型均符合几何光学中的反射定律，即,声波型转换图,返回,知识准备,3声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其
4、衰减的程度与声波的扩散、散射和吸收等因素有关。在平面波的情况下，距离声源x处的声压P和声强I的衰减规律如下:,返回,知识准备,二、超声波探头 超声波探头是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或传感器。这种装置能发射超声波和接收超声回波，并转换成相应的电信号。超声波探头按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式和电磁式等数种，其中以压电式为最常用。如图所示为压电式探头结构图，其核心部分为压电晶片，利用压电效应实现声、电转换。,压电式超声探头结构图1一压电片；2一保护膜；3一吸收块；4一接线：5 一导线螺杆；6一绝缘柱；7一接触座;8 一接线片;9 一压电片座,返回,知识准备,返回,各种超声波探头,知识
5、准备,三超声波检测技术的应用,返回,超声波传感器性能测试,一测试目的 1掌握超声波测距传感器学会基本的测试使用方法。2了解超声波传感器的幅频特性，确定其此超声波传感器的中心频率（或谐振频率）。二元器件 超声波传感器、信号发生器、示波器，直尺,返回,超声波传感器性能测试,三测试步骤 1.装置连接（1）调节信号发生器输出方波信号，其峰峰值可在2V10V范围调整，频率可在30K49K范围内连续可调整，要求通过示波器确认信号幅度及频率输出情况。（2）将方波信号输出端子接到超声波传感器发射头的两个输入引脚，将示波器的接地端子和信号端子分别连接超声波传感器接收头的两个输出引脚。（3）固定发射头与接收头的间
6、距为10cm，并将发射头对准接收头，准备测试接收头接收到的同频信号电压。,装置连接图,返回,超声波传感器性能测试,2测试超声波传感器的幅频特性（1）调节信号发生器输出方波信号的峰峰值为10V，本测试要保证输出幅度恒定的情况下进行。（2）调节方波信号的频率，使其在30K49K范围内变化，用示波器观察超声波接收头的输出信号波形，记下的值。请按照实验用表3.1设置的频率数据要求进行测试，总计测试30对数据。,注意：要求测试每对数据时，一定要首先用示波器准确调试信号发生器输出的方波信号后，再驱动发射头，测试接收头产生的同频信号电压。分析30对记录数据，绘制输出f 关系曲线，得出超声波传感器幅频特性结论
7、。并确定其中心频率。,返回,超声波传感器性能测试,3在中心频率下测试超声波传感器的传输特性（1）调节信号发生器输出方波的频率为中心频率，本测试要求保证在中心频率下进行测定。（2）调节方波信号的幅度，使其峰峰值在2V12V范围内变化，设置输入不同峰峰值的方波信号来驱动发射头，用示波器观察超声波接收头的输出信号波形，记下的值，研究驱动信号幅度变化对超声波传感器传输特性的影响。要求在2V12V范围内按照实验用表3.2设置的 值测试输出信号 值，总计测试20对数据。,注意：要求测试每对数据时，必须先用示波器调试输出准确幅度、频率的方波信号后，再驱动发射头，进而测试接收头接收到的同频信号电压的。,四测试
8、结果 1.超声波发送传感器其幅频特性在谐振频率f 0=1/2 附近几乎保持恒定。2.超声波接收传感器幅频特性在频率f 0 附近变化很大。,返回,测距仪电路组装及调试,返回,确定系统方案,各单元电路搭建,系统测试,步骤1,步骤2,步骤3,测距仪电路组装及调试,一确定系统方案系统分为4个功能模块：回波A/D采集模块，LED显示和按键处理模块，LCD显示模块，报警、存储及串口处理模块。,系统框图,返回,二各单元电路搭建,LPC2138整体结构图,1、LPC2138微控制器简介,测距仪电路组装及调试,返回,2、超声波发射电路,3、超声波接收电路,超声波发射电路是超声波发射器T和PWM产生的40 kHz
9、频率信号、驱动(或激励)电路等组成。该系统设计采用ARM中的PWM模块产生高精度的40 kHz的频率信号，然后通过74HC00等组成的驱动电路，最后将发射信号送到超声波发射器T。,测距仪电路组装及调试,返回,超声波接收电路由以MC3403为核心的三级滤波放大电路和二极管的倍压稳流电路等组成。处理好的回波信号被送到ARM的AD转换模块进行AD采样，从而触发得到返回的时间。,深圳博宝公司下厂锻炼,测距仪电路组装及调试,4.显示电路,返回,三.系统测试,测距仪电路组装及调试,测试数据对比表,返回,知识拓展,返回,压电传感器,光电传感器,一、压电传感器 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，
10、内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称为压电效应。1.压电材料 压电晶体 压电陶瓷 高分子压电材料,知识拓展,返回,部分压电陶瓷的外形,高分子压电薄膜,2.压电式传感器测量电路（1）压电元件的等效电路 压电元件的等效电路电容器上的电压 uo、电荷Q与电容Ca三者之间的关系为:,知识拓展,返回,压电元件的等效电路 压电元件的串联和并联法,（2）压电式传感器的等效电路 在压电式传感器正常工作时，如果把它与测量仪表连在一起，必定与测量电路相连接。因此必须考虑连接电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri和输入电容
11、Ci等因素的影响。压电传感器与二次仪表连接的实际等效电路如图所示。,知识拓展,返回,压电式传感器的实际等效电路,（3）压电式传感器的测量电路 压电传感器的内阻抗很高，而输出信号却很微弱，这就要求负载电阻RL很大时，才能使测量误差减小到一定范围。因此常在压电式传感器输出端后面先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其他电路。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，所以前置放大器也有两种形式，即电压放大器和电荷放大器。实用中多采用性能稳定的电荷放大器，这里重点以电荷放大器为例加以说明。,知识拓展,返回,电荷放大等效电路,电荷放大器的输出电压u0仅与输入电荷和反馈电容有关
12、，与电缆电容Cc无关，也就是说与电缆的长度等因素的影响很小，这是电荷放大器的最大特点。内部包括电荷放大器的便携式测振仪，外形如图所示。,1一量程选择开关；2一压电传感器输入信号插座；3一多路选择开关；4一带宽选择开关；5一带背光点阵液晶显示器；6一电池盒；7一可变角度支架便携式测振仪外形,知识拓展,返回,1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。,二、光电传感器,知识拓展,返回,用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf 的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。外光电效应：在光线的作用下
13、能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。,知识拓展,返回,当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。,光电管,1.光电器件,紫外线,知识拓展,返回,知识拓展,当光照射在阴极上时，阴极发射出光电子，被具有一定电位的中央阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。在外电场作用下将形成电流I，称为光电流。光电流的大小与光电子数成正比，而光电子数又与光照度成正比。,光电管的结构图、原理图,（1）光电管工作原理,返回,知识拓展,在一定的光照下，对光电管阴极所加
14、的电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。,（2）光电管特性 伏安特性,光电管的伏安特性,返回,知识拓展,当光电管的阴极与阳极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光照特性，如图所示。其中，曲线1是氧艳阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量呈线性关系；曲线2是锑艳阴极光电管的光照特性，呈非线性关系。,光照特性,光电管的光照特性,光谱特性 光电管的光谱特性通常指阳极与阴极之间所加电压不变时，入射光的波长（或频率）与其相对灵敏度之间的关系。它主要取决于阴极材料。阴极材料不同的光电管适用于不同的光谱范围。,返回,光敏电阻,当光敏电阻受到光照时，阻值减小。,知识拓展,返回,当光
15、敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,（1）光敏电阻工作原理演示,暗电流（越小越好）,知识拓展,返回,知识拓展,（2）光敏电阻的特性,光电流 光敏电阻在室温或全暗条件下测得的阻值称为暗电阻（暗阻），通常超过1 M,此时流过光敏电阻的电流称为暗电流。光敏电阻在受光照射时的阻值称为亮电阻（亮阻），一般几千欧以下，此时流过光敏电阻的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。光照特性 在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性，如图所示。光通量是光源在单位时间内发出的光量总和，单位是流明(Im)。,光敏电阻的光照特性曲线,返回,知识拓展,光电
16、特性 在光敏电阻两极电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性，如图所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但多数情况下曲线是非线性的，所以光敏电阻不宜作定量检测元件，而常在自动控制中用做光电开关。时延特性 当光敏电阻受到光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，而在停止光照后，光电流也经过一定时间恢复暗电流值，这是光敏电阻的时延特性。不同光敏电阻的时延特性不同，因此它们的频率特性也不同。由于光敏电阻的时延比较大所以它不能在要求快速响应的场合。,某型号光敏电阻的光电特性,返回,将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，
17、光电流与照度成正比。,光敏二极管,知识拓展,返回,光敏二极管外形,知识拓展,返回,光敏三极管也是基于内光电效应制成的光敏元件。光敏三极管结构与一般三极管不同，通常只有两个PN结，但只有正负（C、E）两个引脚。它的外形与光敏二极管相似，从外观上很难区别。,光敏三极管,知识拓展,返回,a)内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图 1集电极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发射极引脚 6N+衬底 7N型集电区 8SiO2保护圈 9集电结 10P型基区 11N型发射区 12发射结 光敏三极管内部结构,知识拓展,返回,知识拓展,光谱特性：光敏三极管对于不同波长的入射光，其相对灵敏度Kr是不同的。,伏安
18、特性：光敏三极管在不同照度Ee下的伏安特性与一般三极管在不同的基极电流时的输出特性一样，只要将入射光在发射极与基极之间的PN结附近所产生的光电流看做基极电流，就可将光敏三极管看做是一般的三极管。光电特性：如图3.36所示为光敏晶体管的光电特性曲线，其输出电流I与照度E之间的关系可近似看做是线性关系。显然，光敏三极管的灵敏度高于光敏二极管。,光敏三极管的光谱特性曲线图 光敏晶体管的光电特性曲线,返回,（1）光电池的工作原理在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子空穴对，光生电子空穴对的的扩散运动使电子通过漂
19、移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。,光电池,知识拓展,返回,能提供较大电流的大面积光电池外形,知识拓展,返回,知识拓展,（2）光电池的特性,光谱特性 光电池的相对灵敏度Kr与入射光波长之间的关系称为光谱特性。如图所示为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线。注意，光电池的峰值不仅与制造光电池的材料有关，而且也与使用温度有关。光电特性 硅光电池的负载电阻不同，输出电压和电流也不同。图中的曲线1是某光电池负载的开路电压特性曲线，曲线2是负载的短路电流特性曲线。开路电压与光照度之间呈近似于对数的非线性关系。
20、由实验测得，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好。,返回,知识拓展,光照特性 光生电动势U与照度Ee之间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度Je与照度Ee之间的特性曲线称为短路电流曲线。如图所示为硅光电池的光照特性曲线。温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压U、短路电流I随温度t变化的曲线，是光电池的重要特性之一，如图所示。,返回,光源本身是被测物,光电池（外加柔光罩）,2.光电传感器的应用,知识拓展,返回,被测物吸收光通量,光电式浊度计和含沙量测量,将装有浊水的试管插入仪器中,知识拓展,返回,被测物体反射光通量,光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。,光电式转速表,知识拓展,返回,被测物遮挡光通量,光电式带材跑偏检测器,知识拓展,返回,返回,休息一下,
