测距仪的制作

1、应用电子技术专业国家教学资源库教 师 课 时 授 课 计 划 教师姓名 课程名称 传感器应用 授课时数 10 累计课时 30 授课日期授课班级课题测距仪的制作教学目标知识目标1、掌握超声波传感器的工作原理及应用；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。技能目标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。态度目标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精神。教学重点超声波传感器的工作原理及测量电路教学难点确定合理的实施方案

2、，将位移转换成电信号教学资源教材、工具书、工艺文献、一体化实训台、各种电工工具教学参考书校本教材作 业用压光电式传感器设计测距仪教 学 过 程 设 计教学环节教学内容教学环境、教学方法、资源时间资讯学生根据测距仪制作任务书，分析任务要求；教师讲授超声检测的物理基础、超声波探头、超声波检测技术的应用等基本理论知识，超声波传感器的性能测试、测距仪电路组装及调试等工程应用知识，压电传感器、光电传感器等拓展知识。学生收集超声波传感器背景技术资料，测距仪测量、处理、显示等电路资料。教学环境：实践理论一体化教室教学方法：讲授法、自学法、演示法3计划与决策各小组讨论测距仪制作方案；教师引导小组确定最终测距仪

3、的制作方案。教学环境：一体化实训台教学方法：讲授法、小组讨论法3实施小组成员依照制作方案，分工合作完成测距仪的制作与距离检测。小组工作法3检查与评估学生检查产品功能是否符合要求，并对产品质量进行评估；教师对学生的操作过程及小组的产品质量进行评价。教学环境：实践理论一体化教室教学方法：交互检查法、讨论法1课后小结通过本学习情景讲授，使学生学会应用超声检测传感器，掌握超声波传感器选型与性能检测，电路焊接、组装、调试，并拓展压电传感器、光电传感器等相关传感器知识。【学习情境要求】1、 制作一个测距仪，测量范围为0.1 m 4.5m，分辨力为1cm。2、 利用液晶显示测量值。【知识准备】一超声检测的物

4、理基础振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在2020KHz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于20Hz的机械波，称为次声波；高于20KHz的机械波，称为超声波，如图3.1所示。图3.1声波的频率范围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。由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦与反射角'的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同时，波速相等，入射角即等于反射角'，如图3.2所示。当波在界面外产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质

5、中的波速才C1与折射波在第二介质中的波速C2之比，即 （3.1）图3.2超声波的反射和折射2超声波的波型及其转换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3.3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

6、反射定律，即 （3.2）式中：入射角； 1、2一纵波与横波的反射角；如果介质为液体或气体，则仅有纵波。.图3.3声波型转换图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: （3.3） （3.4）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3.4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

7、效应实现声、电转换。图3.4压电式超声探头结构图1-压电片；2-保护膜；3-吸收块；4-接线：5-导线螺杆；6-绝缘柱；7-接触座；8-接线片；9-压电片座三超声波检测技术的应用1. 超声波测厚度 超声波检测厚度的方法有共振法、干涉法和脉冲回波法等。如图3.5所示为脉冲回波法检测厚度的工作原理。 超声波探头与被测物体表面接触。主控制器控制发射电路，使探头发出的超声波到达被测物体底面反射回来，该脉冲信号又被探头接收，经放大器放大加到示波器垂直偏转板上。标记发生器输出时间标记脉冲信号，同时加到该垂直偏转板上。而扫描电压则加在水平偏转板上。因此，在示波器上可直接读出发射与接收超声波之间的时间间隔to

8、被测物体的厚度h为 （3.5）式中c一超声波的传播速度。图3.5超脉冲回波法检测厚工作原理图 我国20世纪60年代初期自行设计了CCH-J-1型表头式超声波测厚仪，近期又采用集成电路制成数字式超声波测厚仪，其体积小到可以握在手中，重量不到1吨，精度可达0.01 mm。 2. 超声波测液位 在化工、石油和水电等部门，超声波被广泛用于油位和水位等的液位测量。如图3.6所示为脉冲回波式测量液位的工作原理图。探头发出的超声脉冲通过介质到达液面，经液面反射后又被探头接收。测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，即可求出探头与液面之间的距离。根据传声方式和使用探头数量的不同，可以分为单探头液介

9、式、单探头气介式、单探头固介式和双探头液介式等数种。(a)单探头液介式(b)单探头气介式(c)单探头固介式(d)双探头液介式图3.6脉冲回波式超声液位测量在生产实践中，有时只需要知道液面是否升到或降到某个或几个固定高度，则可采用如图3.7所示的超声波定点式液位计，实现定点报警或液面控制。图3.7(a)、图3.7(b)为连续波阻抗式液位计的示意图。由于气体和液体的声阻抗差别很大，当探头发射面分别与气体或液体接触时，发射电路中通过的电流也就明显不同。因此利用一个处于谐振状态的超声波探头，就能通过指示仪表判断出探头前是气体还是液体。图3.7(c)、图3.7(d)为连续波透射式液位计示意图。图中相对安

10、装的两个探头，一个发射，另一个接收。当发射探头发生频率较高的超声波时，只有在两个探头之间有液体时，接收探头才能接收到透射波。由此可判断出液面是否达到探头的高度。图3.7超声波定点式液位计3. 超声波测流量 利用超声波测流量对被测流体并不产生附加阻力，测量结果不受流体物理和化学性质的影响。超声波在静止和流动流体中的传播速度是不同的，从而可以测量流量。超声波测流量的工作原理如图3.8所示。图中v为流体的平均流速，为超声波传播方向与流体流动方向的夹角，A, B为两个超声波探头，L为其间隔距离。图3.8 超声波测流体流量的原理图【超声波传感器的性能测试】一测试目的1掌握超声波测距传感器学会基本的测试使

11、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）。二测试器材超声波传感器一套、信号发生器一台、示波器一台，直尺一把三测试步骤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。信号发生器示波器发射头接收头TR探头 图3.9装置

12、连接图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。并确定其中心频率。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，

13、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。分析20对记录数据，绘制输出关系曲线，得出超声波传感器传输特性结论。四测试结果1.超声波发送传感器其幅频特性在谐振频率 =1/ 2附近几乎保持恒定。2

14、.超声波接收传感器幅频特性在频率 附近变化很大.【测距仪电路组装及调试】一确定系统方案图3.10系统总体框图二各单元电路搭建1LPC2138微控制器简介 LPC2138内嵌512 KB的高速Flash存储器和32 KB的RAM，具有丰富的外设资源：2个32位定时器(带捕获、比较通道)，2个10位8路AD转换器，1个10位DA转换器，PWM通道，47路 GPIO，9个边沿或电平触发的外部中断，具有独立电源和时钟的RTC，多个串行接口(UART、I2C、SPI、SSP)。它内含向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址片内Boot装载程序可实现在系统应用编程(ISPIAP)，通过片内PLL可实现6

15、0 MHz的CPU操作频率，具有空闲和掉电2种低功耗模式，并可通过外部中断唤醒，图3.11为LPC2138的整体结构图。图3.11 LPC2138整体结构图2超声波发射电路超声波发射电路是超声波发射器T和PWM产生的40 kHz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。对于放射探头T，选用发射频率为40kHz的一种，该类型现在应用较普遍，电路也简单，只需给发射端40 kHz的脉冲，发射探头即不断发送超声波。具体硬件电路如图3.12所示。图3.12超声波发射电路

16、其中超声波发射和接收采用15的超声波换能器TCT40-10F1(T发射)和TCT40-10S1(R接收)，其中心频率为40 kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48 cm。若将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据不同测量范围要求，可适当调整与接收换能器并联的滤波电容器C4，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。3超声波接收电路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。德州仪器公司的MC3403的具体引脚配置如图3.13所示。超声波接收电路如图3.

17、14所示。图3.13 MC3403引脚配置图3.14 超声波接收电路4、显示电路超声波测距仪450.00CM当前距离：三系统测试表3.1测试数据对比【知识拓展】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，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。在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械振动。当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。音乐贺卡中的压电片就是利用逆压电效应而发声的。1压电材料（1）压电晶体 石英晶体 水溶性压电晶体（

18、2）压电陶瓷 锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT） 非铅系列压电陶瓷 （3）高分子压电材料 2、压电式传感器测量电路（1）压电元件的等效电路当压电元件受到沿敏感轴方向的外力作用时就产生电荷，因此压电元件可以看成是一个电荷发生器，同时它也是一个电容器。因此可以把压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电荷等效电路，如图3.15所示。电容器上的电压u0、电荷Q与电容Ca三者之间的关系为 （3.6） 在压电式传感器中，压电材料一般不用一片，而常常采用两片（或是两片以上）黏结在一起，如图3.16所示。图3.15 压电元件的等效电路 图3.16 压电元件的串联和并联法在以上两种连接方式中，串联接法输出电压高，本

19、身电容小，适用于以电压为输出信号和测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。（2）压电式传感器的等效电路图3.17压电式传感器的实际等效电路由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路一定的电流，因此只适用于动态测量。（3）压电式传感器的测量电路压电传感器的前置放大器有两个作用。第一是把压电式传感器的微弱信号放大；第二是把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输

20、出。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。电荷放大器（电荷电压转换器）能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷。同时，电荷放大器兼备阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010-1012,输出阻抗小于100。电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成，如图3.20所示。由运算放大器基本特性可求出电荷放大器的输出电压为 （3.7）由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有电流，放大倍数A=104-106

21、,因此(1A)Cf远大于（CaCcCi），所以CcCi的影响可忽略不计，放大器的输出电压近似为 （3.8）由式(3.8)可见，电荷放大器的输出电压u0仅与输入电荷和反馈电容有关，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3.18所示。图3.18 电荷放大等效电路二光电传感器用光照射某一物体，可以看到物体受到一连串能量为E的光子的轰击，组成这种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。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。（1）外光电效应（2）内光电效应（3）光生伏特效应1光电器件

22、（1）光电管光电管的外形、结构如图3.19所示，它由一个阴极和一个阳极构成，并密封在一支真空璃管内。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管中央；阴极装在玻璃管内壁上并涂有光电发射材料。光电管的特性主要取决于光电管阴极材料。目前紫外光电管在工业检测中多用于紫外线测量、火焰监测等，可见光较难引起光电子的发射。 图3.19 光电管的外形、结构 图3.20光电管的结构图、原理图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。 伏安特性在一定的光照下，对

23、光电管阴极所加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。图3.21光电管的伏安特性 光照特性 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3.22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。图3.22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（2）光敏电阻 光敏电阻是由具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻器件，如图3.23所示。敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响

24、应的范围宽、体积小、重量轻、性能稳定、机械强度高、寿命长、价格低，被广泛应用于自动检测系统中。 光敏电阻的材料一般由金属的硫化物、硒化物、蹄化物等半导体组成，由于所用材料和工艺不同，它们的光电性能也相差很大。 图3.23光敏电阻 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。 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3.24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(

25、Im)。 图3.24光敏电阻的光照特性曲线 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。 光电特性 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3.25所示。照度是光源照射在被照物体单位面积上的光通量，即E=d/dA，单位是勒克斯（lx）。当光照大于100 lx时，它的光电特性非线性就十分严重了。图3.25 某型号光敏电阻的光电特性 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

26、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。（3）光敏晶体管 光敏二极管光敏二极管是基于内光电效应的原理制成的光敏元件。光敏二极管的结构与一般二极管类似，它的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光照射，如图3.26所示。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，其符号与接线方法如图3.27所示。光敏二极管在没有光照射时反向电阻很大，暗电流很小；当有光照射时，在PN结附近产生光生电子一空穴对，在内电场作用下定向运动形成光电流，且随着光照度的增强，光电流越大。所以，光敏二极管在不受光照射时处于截止状态；受光照射时处于导通状态。它主要用于光控

27、开关电路和光耦合器中。 图3.26常见的光敏二极管图3.27光敏二极管 光敏二极管的检测方法。当有光照射在光敏二极管上时，光敏二极管与普通二极管一样，有较小的正向电阻和较大的反向电阻；当无光照射时，光敏二极管正向电阻和反向电阻都很大。用欧姆表检测时，先让光照射在光敏二极管管芯上，测出其正向电阻，其阻值与光照强度有关，光照越强，正向阻值越小；然后用一块遮光黑布挡住照射在光敏二极管上的光线，测量其阻值，这时正向电阻应立即变得很大。有光照和无光照下所测得的两个正向电阻值相差越大越好。 光敏三极管 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

28、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，结构与符号如图3.28和图3.29所示。 光线通过透明窗口落在基区及集电结上，使PN结产生光生电子一空穴对，在内电场作用下做定向运动，形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加。由于光照射发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流，集电极电流是光电流的刀倍。因此光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高得多，但光敏三极管的频率特性比二极管差，暗电流也大。 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。图3.28光敏三极管结构示意图图3.29光敏三极管符号 b 伏安特性：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

29、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。 c 光电特性：如图3.31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。图3.30光敏三极管的光谱特性曲线图 图3.31光敏晶体管的光电特性曲线d 温度特性：温度特性是指温度与暗电流及温度与输出电流之间的关系。图3.32光敏三极管的温度特性曲线 光敏三极管的检测方法。用一块黑布遮住照射光敏三极管的光，选用万用表的Rk挡，测量其两引脚引线间的正、反向电阻，若均为无限大时则为光敏三极管；拿走黑布，则万用表指针向右偏转到1530 k处，偏转角越大，说明其灵敏度越高。（4）光电池 在大面积的N型衬底上制造一P型薄层作为光照敏感面，就构成了最简单的光电池。当光照射在PN结上时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子一空穴对，它的电场（N区带正电，P区带负电）使扩散到PN结附近的电子一空穴对分离，电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电