项目3测距仪的制作.ppt

项目,3,测距仪的制作,项目,3,测距仪的制作,速度与位移检测,黄冈职业技术学院,传感器应用,项目,3,速度与位移检测,项目要求：,1,、制作一个测距仪，测量范围为,0,1 m 4,5m,，测量精度为,1cm,测量误差小于,4cm,2,、利用数码管显示测量值。,知识目标：,掌握压电传感器的工作原理、测量电路和应用。,了解光电元件的分类及应用。,了解霍尔传感器的工作原理、温度补偿方法及应用。,掌握超声波传感器的原理及应用。,能力目标：,能熟练使用超声波传感器进行距离测量。,能熟练使用,压电式传感器、霍尔式传感器完成相应参数的测量,素质目标：,培养耐心细致的工作态度。,培养严谨扎实的工作作风。,培养团结协作的合作能力。,项目,项目目标：,项目,项目内容导航,知识点：,1,、压电传感器,2,、光电传感器,3,、霍尔传感器,4,、超声波传感器,电路组装与调试,考核,拓展训练,知识点：,一、压电传感器,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,压电传感器,2.,压电式传感器测量电路,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,:,Uo=Q,压电传感器,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,C,。、放大器的输入电阻,Ri,和输入电容,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,3.5,所示。,压电传感器,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。,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。,压电传感器,电荷放大器的输出电压,Uo,仅与输入电荷和反馈电容有关，与电缆电容,C,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,3.7,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,图,3.7,便携式测振仪外形,压电传感器,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,光电传感器,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,。,光电传感器,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,光电传感器,光敏电阻,当光敏电阻受到光照时，,阻值减小。,光电传感器,当光敏电阻受到光照时，,光生电子,空穴对增加，,阻值减小，电流增大。,光敏电阻演示,暗电流（越小越好）,光电传感器,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，光电流与照度成正比。,光敏二极管,光电传感器,光敏二极管外形,光电传感器,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,光电传感器,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,8SiO,2,保护圈,9,集电结,10P,型基区,11,N,型发射区,12,发射结,光敏三极管内部结构,光电传感器,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,光电传感器,能提供较大电流的大面积光电池,外形,光电传感器,光源本身是被测物的应用实例,光电池（外加柔光罩）,2.,光电传感器的应用,光电传感器,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,光电传感器,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,光电传感器,被测物遮挡光通量,光电式带材跑偏检测器,光电传感器,霍尔传感器,三、霍尔传感器,1.,霍尔元件的结构及工作原理,半导体薄片置于磁感应强度为,B,的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流,I,流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,E,H,，这种现象称为,霍尔效应,。,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，,向内侧偏移，在半导体薄片,c,、,d,方向的端面之间建立起霍尔电势。,霍尔效应演示,霍尔传感器,4/8/2026,27,上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？,线性区,2.,霍尔元件的主要特性参数,最大,磁感应强度,B,M,霍尔传感器,最大,激励电流,I,M,:,由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。,以下哪一个激励电流的数值较为妥当？,5,A 0.1mA 2mA 80mA,霍尔传感器,基本测量电路,霍尔元件的基本测量电路如图所示，激励电流由电源,E,供给，调节可变电阻可以改变激励电流,1,RL,为输出的霍尔电势的负载电阻，它一般是显示仪表、记录装置、放大器电路的输入电阻。由于霍尔电势建立所需要的时间极短，约为,10-1a,10-12S,，因此其频率响应范围较宽，可达,109 Hz,以上。,3.,霍尔元件的测量电路及补偿,霍尔元件的基本测量电路,霍尔传感器,4.,霍尔传感器的应用,若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。,带有微型磁铁的霍尔传感器,霍尔传感器,四、超声波传感器,1.,超声波物理基础,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。,超声波传感器,2.,超声波探头,超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。,超声波传感器,各种超声波探头,超声波传感器,3.,超声波检测技术的应用,超声波传感器,叠放,高度测量,纸卷直径检测,超声波检测技术的应用,超声波传感器,超声波流量计现场使用,超声波多普勒测量车速,超声波检测技术的应用,超声波传感器,电路组装与调试,系统总体框图,步骤,1:,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。,步骤,2,各单元电路搭建,LPC2138,整体结构图,1,、,LPC2138,微控制器简介,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,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，然后通过南,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,。,4,、系统测试,拓展训练,请用光电传感器制作一个测距仪。,