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1、实验五 超声波位移测量设计实验一、实验目的了解超声波传感器的工作原理，学习用超声波测量位移。二、实验设备与器件1、超声波实验模块模块。2、+15V、+6V 电源，示波器。3、信号发生器（选用） 。三、实验原理超声波发送电路：由 555 集成电路组成。IC（555）组成超声波脉冲信号发生器（如图） ，工作周期计算公式如下超声波接收电路：超声波接收头和 CX20106A 组成超声波信号的检测和放大四、实验步骤1、接上模块电源。2、将两超声波探头距离 S=10cm 处位置，用示波器光标测量出发送-接收所用时间 x。3、调节两超声波探头距离 S，用示波器光标测量出发送-接收所用时间 x。4、将 S、x
2、 和利用超声波速度与 x 之积计算得到的 S，填入下表。距离 S（cm） 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1时间x（s）计算的S（cm）五、思考题1、利用上表，分析判断距离 S 与时间 x 的关系是否为线性。2、说明上图电路超声波发射和接收的工作原理图 1.12 超声波测距实验接线图第一节 编码器实验编码器（encoder）是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。 编码器把直线位移或角位移转换成电信号。前者我们一般会用编码尺，即光栅尺。后者我们一般会用旋转编码器，包括光电的与磁电的两种。编码器按编码方式分为二类：增量式与绝对式。增量式编码器在工作时输出相应的
3、 AB 两路信号，通过采集 A/B 相输出的脉冲数以及编码器的分辨率及可以得到相应的直线位移或旋转角度。通过判断 A/B 的相位可以确定正反位置或正反旋转，旋转式的增量编码器往往会有一个 Z 信号，表示零点位置；绝对式编码器通过二进制编码或 BCD 码来确定当前位置，并过编码值的大小变化来判别正反方向。编码器数显表介绍：YL-CG2011 实验台上装有一个简易的编码器数显表，数显表通过 DB9 数据线与各个编码器模块连接，显示编码器的数据。数显表的功能包括：脉冲数显示位置显示角度显示各界面通过“功能”按键进行切换，短按“清零”按键使所有数据归零。长按“清零”按键进入位移/脉冲设置界面位移/脉冲
4、（即位移分辨率）设置界面通过“功能”按键使光标所在位置的数据递增，短按“清零”按键光标移位，长按“清零”按键确认设置并进入角度/脉冲设置界面。角度/脉冲（即角分辨率）设置界面通过“功能”按键使光标所在位置的数据递增，短按“清零”按键光标移位，长按“清零”按键确认设置并退出角度/脉冲设置界面。实验一 光栅尺位置特性实验一、实验目的学习光栅尺的特性及应用。二、实验设备与器件1、光栅尺 WTA5-0200MM、游标卡尺。2、编码器数显表。三、实验原理光栅尺位移传感器（简称光栅尺） ，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移
5、或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。在现在中国加工业、制造业越来越成熟，对加工的精度越来越高的时候，在各种机床上，例如：铣床、磨床、车床、线切割、电火花等机床上都可以安装光栅尺，其工作环境要求相对来说不是很苛刻，对操作者的使用来说也十分简单。常见光栅尺的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。如图 2.1 所示，当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带
6、。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带，从而便形成了我们所见到的莫尔条纹。在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置 4 个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如，栅线为 50 线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为 0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为 5m 的计数脉冲。图 2.1四、实验步骤1、将光栅尺的信号线连接到编码器数显表的 DB9 接口上。2、打开实验台电源，将光栅尺的读数头移置左侧或右侧。设置编码器数显表的位置分辨率为 5u
7、m，计数清零。3、按下表，移动光栅尺的读书头，每移动 10mm 的距离记录下数显表显示的脉冲数及位置值读数头位移（mm）10 20 30 40 50 60 70 80 90 100脉冲数位移数值（um）实验二 光电旋转编码器特性实验一、实验目的学习光电旋转编码器的特性及应用。二、实验设备与器件1、STIM-015 模块、游标卡尺。2、编码器数显。3、DB9 串口线三、实验原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器主要由光码盘和光电检测装置组成。在伺服系统中，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光码盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子
8、元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。为判断旋转方向，光码盘还提供相位相差 90的 2 个通道的信号输出，根据两个通道的相位变化确定电机的转向。四、实验步骤1、将 STIM-015 模块上的光电编码器信号输出口通过串口线连接到编码器数显表接口上。2、STIM-015 模块上电，将 STIM-015 模块划片移动到最左。3、打开实验台电源。设置编码器数显表的位置分辨率为 3um，计数清零。（位置分辨率的计算是通过 STIM-015 模块上面的螺杆的螺纹间距和光码盘的线数得到的）4、按住右移按键让划片向右移动，按下表每移动 4mm 的
9、距离记录下数显表显示的脉冲数及位置值读数头位移（mm）4 8 16 20 24 28 32 36 40脉冲数位移数值（um）5、根据上表数据，分析误差原因。数显表+15V 电源图 3.1 光电编码器实验接线图实验三 磁电旋转编码器特性实验一、实验目的学习磁电旋转编码器的特性及应用。二、实验设备与器件1、STIM-015 模块、游标卡尺。2、编码器数显。3、DB9 串口线三、实验原理磁电旋转编码器才用磁电式设计，通过磁感应器件在磁场中的变化产生转子对应的转动位置的信号。与传统编码器相比，磁编码器结构简单，相应速度快，体积小，成本低，受外界污染影响小。AS5040 是一款无接触式旋转编码器，用于精
10、确测量整个 360内的角度。它单个封装整合了四个霍尔、模拟前端和数字信号处理器。在测量时，只需要再芯片的中心上方放置一个可以旋转的双极磁铁，其分辨率达到 0.35，及每圈1024 个位置。AS5040 包括了两种数字式 10 位绝对值输出：串行接口输出和 PWM输出；3 中增量输出：A/B/Z 输出信号、步/方向输出信号、直流电动机的 3 相换向控制信号。四、实验步骤1、将 STIM-015 模块上的磁电编码器信号输出口通过串口线连接到编码器数显表接口上。2、STIM-015 模块上电，将 STIM-015 模块划片移动到中间。3、打开实验台电源。设置编码器数显表的角度分辨率为 0.35，计数
11、清零。（位置分辨率的计算是通过 STIM-015 模块上面的螺杆的螺纹间距和光码盘的线数得到的）4、通过左移右移按键使划片微移动，观察角度的变化；观察电机每旋转一周数显表是否能正常显示 360。5、思考如何测量位移。数显表+15V 电源图 4.1 磁电编码器实验接线图第二节 热释电实验实验四 热释电传感器特性实验一、实验目的了解热释电传感器的工作原理。二、实验设备与器件1、STIM-016 模块、白炽灯座、DC24V/15W 白炽灯。2、+15V 电源，可调恒流源，万用表，遮光胶带。3、电子连线若干、两根大头转小头电子连线。三、实验原理热释电红外线传感器是利用温度变化的特征来探测红外线的辐射，
12、才用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰，从而提高传感器的工作稳定性。D203S 热释电传感器是由一种高热电系数的材料制成尺寸为 2*1mm 的探测元件，在每个探测器内装入两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，一抑制由于温度升高而产生的干扰。为提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器上装一个菲涅尔透镜，并通过放大电路将信号放大。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区” ，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区” ，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而
13、加强其能量幅度。BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。通过控制继电器或其他一些隔离开关装置来自动快速的开启或关闭各类白炽灯、蜂鸣器、自动门、风扇等装置。适用于过道、走廊等敏感区域内的照明和报警系统。四、实验步骤1、按图 5.1 连接白炽灯，继电器脚 P1-P2 常闭、P1-P3 常开，接上模块电源，将可调电源调节到 24V。2、如果实验室光照度太强，请用遮光胶带贴住 RG 光敏电阻，使 BISS0001进入触发状态。3、通过调节 RP1 来调节触发
14、延时时间，通过调节 RP2 增益调节来调节热释电检测距离。4、将模块竖着放置好后，实验人员在 2m 的距离范围内走动，观察是否能触发白炽灯点亮。5、将电位器 RP2 调节到最大增益，测试最大的检测范围。+15V 电源可调电源+ -图 5.1 热释电实验接线图第三节 加速度实验实验五 加速度传感特性实验一、实验目的了解加速度传感器的工作原理。二、实验设备与器件1、STIM-017 模块。2、5V 电源，双踪示波器，万用表。3、电子连线若干。三、实验原理加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，比如重力。一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造
15、成的晶体变形的特性，由于变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其他方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应等，但其最基本的原来都是由于加速度产生某个介质发生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。ADXL203 是一种高精度、低功耗及单片 MEMS 型 IC 芯片双轴加速计，输出量为一个与加速度成比例的模拟电压信号。内部电路框图如图 6.1。传感器主要是由一个利用表面微机械加工的多晶硅结构和一个差动电容器组成。多晶硅结构由多晶硅弹簧支撑，处于晶片的顶部，并与差动电容的运动的中心极板相连。分别
16、在差动电容的固定的上下极板上加两路幅度相等、相位差为180的方波。在加速度的作用下，多晶硅结构会产生偏移，拉动差动电容的中心极板滑动，使两个电容值不同，便在中心极板产生电压，传感器输出方波的幅值与所测的加速度成正比。方波信号再经过信号放大、相敏检波、低通滤波，得到与加速度成正比的电压信号。ADXL203 最常见的应用是进行倾斜度测量。四、实验步骤1、如图 6.2，接上 STIM-017 模块的电源2、ADXL 电源为 3V，灵敏对为 560mV/g,在-40到 125温度范围内，具有0.3%的温度灵敏性和25mg 的零点偏移精度。3、将 STIM-017 模块水平放置，按下“XY 标定”按键，标定零点位置。观察液晶屏显示的 XY 轴的加速度值是否为零。 （通过 RP1 调节液晶亮度） 。4、记录零点时 XY 轴的输出电压。5、用示波器监测 XY 轴的输出电压，将 S
