距离及位移检测实验.doc

深圳市德普施科技有限公司 SHENZHEN DEPUSH CO., LTD. 距离和位移实验指导书 实验一 距离位移传感器的测量 一、实验目的： 了解和掌握各种距离位移传感器的工作原理和测量方法。 二、实验仪器： 德普施距离与位移传感器实验台 DRJLWY 德普施基础实验平台 DRMY-ME-C 德普施数据采集卡 DRDAQ-USB SINO光栅尺数显表 SINO-SDS3 DRVI虚拟仪器实验平台 DRVI-2.3 三、实验原理： 在德普施距离和位移传感器上集成安装了各种传感器，包括有：直线位移滑变电阻式传感器，超声波测距传感器，红外光电式测距传感器。实验台上还安装了一个数字显示光栅尺作为位移传感器的定标工具标定。 直线位移滑变电阻式传感器的工作原理 一、此种传感器基本结构分为三层： 1.导电层（涂覆银膜用于导电） 2.空气层（通过一定高度的分隔，使导电层与电阻层在自然状态下没有接触） 3.导电塑料电阻层（涂覆导电塑料电阻的基层） 二、作用实现 当导电层受到外力向下压，会与最下层的导电塑料层发生接触，从而输出信号。 图1-1 直线位移传感器的工作原理 直线位移滑变电阻式传感器(又称电子尺，电阻尺)实际上就是一个滑变电阻器。随着压力滑块的运动，输出的电阻也随之变化，电阻的阻值与滑块距零点的位置成正比。传感器的原理图如下图1-2所示： +5V 输出 5KΩ 图1-2 电压 距离 图1-3 利用滑变电阻器的滑块引出抽头对输入电压进行分，假设出电压为0至+5V之间的模拟电压信号，传感器的输出特性为Y = KX，如上图1-3所示。 其中Y为传感器的输出，X为滑变电阻器中间抽头距零点的距离。 超声波测距传感器的工作原理 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。 1) 次声波：振动频率低于l6Hz的机械波。 2) 声波：振动频率在16—20KHz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。 3) 超声波：高于20KHz的机械波。 超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。例如，在钢材中甚至可穿透10米以上。 超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。超声波在反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。 超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化。取决于两种介质声阻抗特性。和其他声波一样，两介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，钢与空气的声阻抗特性相差10万倍，故超声波几乎不通过空气与钢的介面，全部反射。 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射 (或漫射)及吸收。扩散衰减，是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱；散射衰减，是由于介质不均匀性产生的能量损失；超声波被介质吸收后，将声能直接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。 图1-4超声波传感器结构示意图 以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器 (或称压电式超声波探头)和磁致式超声波传感器。本实验采用的是压电式超声波传感器, 主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。 超声波传感器的测距原理：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。设超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S=340t/2 实验所使用的DRMNCS-B型超声波传感器的发射波频率是40KHz，传感器实际上是由单片机来控制工作的：发射探头发射一组5个超声波脉冲后，输出电平由高电平转为低电平；等到接收探头接收到足够强度的反射超声波信号时，输出信号由低电平转为高电平。所以在实验的过程中，同学们可以观察到随着反射板到探头的距离变化，传感器输出波形的“脉冲”宽度也会对应的发生变化，测试