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1、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-USBSINO 光栅尺数显表 SINO-SDS3DRVI 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
2、定。1、 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。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
3、如下图 1-2 所示：+5V输出5K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。2、 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 1620KHz 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
4、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
5、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。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
6、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
7、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，测试距离越远，脉冲的宽度越宽。因此，计算出脉冲的宽度就可以计算出反射板到探头的距离。发射的两组脉冲间隔时间约为 18ms，对应的测试距离为 3.069m。所以，该型
8、号的超声波传感器的最远测试距离是 3 米。为了消除发射电路强电磁脉冲对接收电路的影响，在发射电路发射脉冲后，接收电路需延时大约 1 ms，才能正常接收信号。在设计中为保险起见，这个时间被设计成 1ms，对应的最短测试距离约为 0.17m，所以 DRMNCS-B 型超声波传感器的测试范围在 0.172.5 米是有技术保证的。另外，空气中的声音传播速度不是一个固定的值，通常我们所认为的 340m/s 是一个大概的数据，在不同的温度下这个数据会有一些变化。其传播速度的修正公式为S=331.4（1t/273）0.5，t 为空气温度。作为常温下的测试，可以就认为声速为 346 m/s（按 25计算） 。
9、超声波传感器的工作原理图如下图 1- 5 所示。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5 组脉冲声波返回时间超声波传感器工作原理图1ms图 1-5如上图所示，使用超声波传感器进行测量，需要测量声波返回的时间，然后根据声速再空气中的传播公式，求出探测物体与超声波传感器之间的距离。3、 红外光电式测距传感器的工作原理红外光电式测距传感器是一种利用”三角原理”来进行测量距离的传感器。它的探头由一个红外发光二极管和一个 PSD（Position Sensing Device）所组成。如下图 1-6 所示。图 1-6传感器使用”三角原理” 来进行
10、距离的探测。在红外发光二极管旁的 PSD 实际上是一个线性的 CCD 阵列，距离红外发光二极管 3/4 英寸（19mm） 。利用 CCD 阵列接收到障碍物反射回来的红外线光来进行距离的测量。发射接收输出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障碍物障碍物PSD LED PSD LED图 1-7如上图 1-7 所示，随着障碍物距离的变化， LED 发射的红外线光被障碍物反射回到 PSD 的角度不同，根据 PSD 传感器探测到的红外线角度，就可以计算出障碍物到距传感器之间的距离。PSD 传感器判断入射角是使用 CCD 阵列来实现的。在 PSD
11、 中排有一线性 CCD 阵列，障碍物的距离变化造成 PSD 传感器入射角度的不同，根据 PSD 中 CCD 阵列中接收到红外线光的 CCD 的位置，就可以计算出入射角。由于受到 PSD 传感器中 CCD 大小和 LED 距PSD 之间的距离限制，红外光电传感器的探测距离受到限制，DRMNGD-A 传感器的探测距离为 10cm80cm。此传感器输出为一模拟量，传感器输出和距离不是线性关系。 四、实验步骤及内容1、连接距离与位移传感器实验台电源线，传感器和实验模块连线。超声波传感器 - 模块 1 通道红外光电距离传感器 - 模块 2 通道直线位移传感器 - 模块 3 通道步进电机 - 直线位移控制
12、盒电机 1限位开关 1 - 直线位移控制盒 AD1线位开关 2 - 直线位移控制盒 AD2直线位移控制盒 - 连接 PC 机 COM1 串口，以及交流 220V 电源。连接光栅尺与数显表 - 光栅尺的串口输出接数显表背面输入，光栅尺的交流 220V 电源打开实验台供电电源开关，电源指示灯亮表示供电正常。打开实验台上直流电源开关，电源指示灯亮表示供电正常。打开实验台上数据采集卡电源按钮（红色）,电源指示灯亮表示供电正常。打开光栅尺数显表开关，数显表上的 LED 灯亮表示供电正常。打开直线位移控制盒的开关，电源开关和状态指示灯亮表示工作正常。2、服务器端 DRVI 注册启动服务器，运行 DRVI
13、程序，点击 DRVI 快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中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的“DRVI 采集仪主卡检测(USB)”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，从 DRVI 工具栏和快捷工具条中启动内置的 Web 服务器” ，开始监听 8500 端口。3、客户端 DRVI 注册打开客户端计算机，启动计算机上的 DRVI 程序，然后点击 DRVI 快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI 局域网服务器检测” ，在弹出的对话框中输入服务器 IP地址（例如：192.168.0.1） ，点击“发送”按钮
14、，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。4、 启动实验脚本选择 DRVI 菜单栏系统 - 读 IC 资源文件，在弹出的文件选择对话框中选择“距离位移传感器的工作原理”实验脚本，服务器端选择打开带服务器后缀的脚本，客户端选择打开带客户端后缀的脚本。5、 实验内容1、 服务器端打开后的服务器端的实验脚本如下图 1-8 所示。图 1-8点击“启/停”按钮启动实验脚本开始运行。点击“前进”按钮使反射板向远离传感器运动，点击“后退”按钮使反射板靠近传感器运动。点击“停止”按钮使反射板停止运动。点击“加速”按钮时反射板运动速度加快，点击“减速”按钮时反射板运动速度减慢。2、 客
15、户端打开后的客户端的实验脚本如下图 1-9 所示。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图 1-93、 观察反射板在不同位置时，超声波传感器、红外距离传感器，直线位移传感器的输出波形。4、 根据超声波传感器超声波声波返回的时间，计算不同位置超声波传感器的测量距离值。移动反射板，取 5 个点，记录出光栅尺的输出值和红外距离传感器以及直线位移传感器、超声波传感器的输出值并绘制出其输入输出曲线。五、实验报告要求1、简述各种位移传感器的原理。2、整理实验数据并绘制各种传感器的输出特性。六、思考题根据实验的结果，比较各种传感器特性与区别，对应用场合有何影响？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二 不同位移传感器的特性测量标定实验一、实验目的：了解和掌握各种距离位移传感器的测量特性。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-USBSINO 光栅尺
