无物体
有物体
1、调节红外发射的距离。
在上一步的基础上调节POT1,用手遮挡,观察指示灯,灯亮即表示红外接收管接收到反射的红外光。
反复调节,观察红外发射的距离变化情况(记录最大和最小距离)。
用黑色物体来遮挡,观察指示灯是否变化。
五、实验报告内容
1、简述整个电路的工作原理。
2、整理实验数据,记录表3.1和表3.2,分析实测数据变化规律。
3、总结本次实验过程中遇到的问题及解决方法。
提出对红外实验模块的改进意见。
4、观察红外发射的距离变化情况(记录最大或最小距离)。
实验五电子称的原理与测试
一、实验目的:
1、了解电子秤的工作原理;
2、了解悬臂梁应变传感器的特点和使用;
3、通过对电子秤的测试,分析传感器的基本特性。
二、实验仪器与元件:
1、直流稳压电源、高频毫伏表、示波器、信号源、数字万用表;
2、传感器实验箱(电子秤模块、数字电压表模块);
3、托盘、砝码6个5g、10g、20g、20g、50g、100。
三、实验原理:
在全桥测量电路中,将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边,不同的两只接入邻边,如图2.1所示。
当应变片初始值相等,变化量也相等时,其桥路输出为
Uo=KEε(2-1)
式中,E为电桥电源电压。
式(2-1)表明,全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍,非线性误差得到进一步改善。
图2.1
电子称模块利用的全桥测量原理,通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数,使电路输出电压值为重量的对应值,将电压量纲(V)改为重量量纲(g),即制成一台比较原始的电子称。
四、实验步骤:
1、悬臂梁应变式称重传感器已安装在电子秤实验模块上,可参考图2.1。
电子秤电路如图2.2所示。
图2.2
2、将差动放大器调零。
检查实验箱一切正常后,打开主控台电源,按下相应电子秤模块开关。
保持托盘上无任何重物,输出端Uo2接数显电压表(选择2V挡),调节电位器Rw4,使电压表显示为0V。
Rw4的位置确定后不能改动。
3、在应变传感器托盘上放置一只砝码,调节Rw3,改变差动放大器的增益,使数显电压表显示1.00V左右,读取数显表数值。
保持Rw3不变,依次增加砝码(至少3只),读取相应的数显表值,记下实验结果,填入表5.1中,关闭电源。
表5.1实验数据记录表
重量/g
电压/V
4、拆一个电子称产品,并学习它内部结构和原理,最后重新安装该产品。
五、实验报告内容
1、简述实验原理。
2、整理实验数据记录表5.1,在坐标轴上画出各个数据点,然后用直线拟合,得出重量与电压的数学关系。
根据拟合曲线,计算灵敏度L=U/W、非线性误差f3。
。
3、写出拆卸掉的电子称产品的系统框图,简单分析其工作原理,产品的结构特点等。
4、总结本次实验过程中遇到的问题及解决方法。
提出对电子秤实验模块的改进意见。
实验六超声波位移测量实验
一.实验目的
1.学习LabVIEW软件的使用。
2.认识超声波传感器的工作原理。
3.学习使用超声波传感器进行位移测量的方法。
二.实验原理
1.超声波传感器测量原理:
超声波测距传感器包括有发射超声波和接收超声波的两部分装置,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。
超声波发射探头向某一方向发射超声波,在发射的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物会立即返回来,超声波接收探头收到反射波立即停止计时。
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。
需要说明的是,超声波传感器发射的波束比较窄(<10°),反射后仍然很窄,如果被测物体被旋转放置,有可能反射波束会偏离出接收探头的位置,导致探头接收不到反射波信号,无法进行测距。
实验所使用超声波传感器的发射波频率是40KHz,它由单片机控制发射探头发射一组超声波脉冲后,输出电平由低电平转为高电平;等到接收探头接收到足够强度的反射超声波信号时,输出信号由高电平转为低电平。
所以在实验的过程中,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。
另外,空气中的声音传播速度不是一个固定的值,在不同的温度下这个数据会有一些变化。
通常我们说的340m/s是一个近似数据,传播速度的修正公式为S=331.4×(1+t/273)^0.5,t为空气温度。
作为常温下的测试,可以认为声速为346m/s(按25℃计算)。
超声波传感器距离测量原理示意图
2.红外传感器测量原理:
红外传感器是基于三角测量原理设计的。
如下图左图所示,红外发射器按照一定的角度发射红外光束,当遇到物体以后,光束反射回来,反射的红外光线被CCD检测器接收以后,得到一个偏移值L。
利用三角关系,以知发射角度α,偏移距L,中心距X,以及滤镜的焦距f以后,传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。
三角测量原理红外传感器电压与检测距离间关系
当距离D足够小的时候,L值会相当大,超过CCD的探测范围。
这时,虽然物体很近,但是传感器反而看不到了。
当距离D很大时,L值就会很小。
这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键,也就是说CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。
要检测的物体越远,CCD的分辨率要求就越高。
输出电压与检测距离之间的关系如上图右图所示。
从图中可以看出,传感器与被探测物体之间的距离小于10cm的时候,输出电压急剧下降,这就要求测量时传感器与被探测物体之间距离应尽可能大于10cm。
此外,红外传感器的输出是非线性的。
如果采用线性拟合的方法进行数据标定,误差很大。
这里可以采用多项式拟合的方法。
假设有一个高阶的多项式函数
y=anxn+a(n-1)x(n-1)+…+ax+a0
其中y代表距离,x代表红外传感器输出电压。
如果该函数能够逼近实际的待拟合的数据,那么就采用该多项式作为传感器的输出函数。
实际上,对于红外传感器来说,采用多项式函数拟合与采用线性最小二乘法拟合相比较,前者的误差大大减小。
三.实验仪器和设备
1.计算机1台
2.LabVIEW软件1套
3.超声波红外位移测量实验模块1个
4.多通道数据采集模块1套
5.多路电源模块1套
四.实验步骤
1.关闭多路电源模块的开关,关闭多通道数据采集模块的开关,以免带电插入传感器信号线和直流电源线。
将多路电源模块电源线接入交流电源220V。
2.将超声波位移测量对象的电源线(φ16五芯航插)连接至多路电源接口;将多通道数据采集模块电源线(φ16五芯航插)连接至多路电源接口。
3.将超声波传感器的信号输出线连接至数据采集模块的第1通道上。
4.开启总电源,开启多路电源模块开关,开启数据采集模块开关,开关开启后禁止带电插拔电源线和信号线。
5.打开路径“TS-ULS-02超声波红外位移测量实验模块\实验程序”,运行LabVIEW程序“超声波传感器—位移测量实验.vi”。
6.移动滑块来改变挡板到超声波之间的距离,观察采集到的数据信号波形。
结合超声波传感器的原理,解释波形变化的原因和规律。
7.读懂LabVIEW程序,如何采集超声波信号,如何并进行信号处理。
8.比较实验测得值与模块表面刻度尺读数之间偏差,多次移动滑块测量该偏差是否恒定。
9.如果偏差恒定,尝试在软件中对超声波测量的距离进行补偿,使测量更准。
超声波传感器—-位移测量实验LabVIEW程序界面
10.单击“STOP”按钮停止程序运行。
首先关闭多通道数据采集模块开关,关闭多路输出电源模块开关,然后再拔超声波传感器的信号输出线,连接上红外传感器的信号输出线,打开多路输出电源模块电源开关、打开多通道数据采集模块开关
11.打开路径“TS-ULS-02超声波红外位移测量实验模块\实验程序”,打开文件“红外位移测量模块_main.vi”。
程序界面下图所示。
五.实验报告要求
1.简述超声波传感器和红外传感器的原理;
2.依据超声波传感器的实验记录作数据分析;
六.注意事项
超声波传感器的有效测量距离是2cm~300cm。
实际距离若过小或过大可能导致测量误差增大,在测量过程中请保持在此距离以内。
避免信号线带电插拔,造成仪器或设备受损。
实验七数字温度传感器18B20测量实验
一、实验目的:
1、进一步了温度测量方法;
2、了解18B20传感器的结构和原理;
3、掌握数字温度传感器的软件驱动方法。
二、实验仪器与元件:
1、直流稳压电源、高频毫伏表、示波器、信号源、数字万用表;
2、传感器实验箱(测温模块、数字电压表模块);
3、水容器、冷水、60℃以上热水、搅棒,把热水和冷水混合配成不同温度的水,进行测量。
4、电脑
三、基本原理:
DS18B20的外形和内部结构
DS18B20内部结构主要由4部分组成:
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列如图2所示,DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。
(1)光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是:
开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
(2) DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位。
2、DS18B20的主要特性
(1)适应电压范围更宽,电压范围:
3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电
(2)温范围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃
(3)独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理
器与DS18B20的双向通讯
(4)DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多
点测温
(5)DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三
极管的集成电路内
(6)可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625
℃,可实现高精度测温
(7)在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内
把温度值转换为数字,速度更快
(8)测量结果直接输出数字温度信号,以"一线总线"串行传送给CPU,同时可传送CRC校
验码,具有极强的抗干扰纠错能力
(9)负压特性:
电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
部分温度值与DS18B20输出的数字量对照表
温度值/℃数字输出(二进制)数字输出(十六进制)
+85℃00000101010100000550H
+25.625℃00000001100100010191H
+10.125℃000000001010001000A2H
+0.5℃00000000000010000008H
0℃00000000000000000000H
-0.5℃1111111111111000FFF8H
-10.125℃1111111101101110FF5EH
-25.625℃1111111101101111FF6FH
-55℃1111110010010000FC90H
上表是DS18B20温度采集转化后得到的12位数据,存储在DS18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于或等于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
温度转换计算方法举例:
例如:
当DS18B20采集到+85℃的实际温度后,输出为0550H,则:
实际温度=0550H╳0.0625=1360╳0.0625=85℃。
例如:
当DS18B20采集到-55℃的实际温度后,输出为FC90H,则应先将11位数据位取反加1得370H(符号位不变,也不作为计算),则:
实际温度=370H╳0.0625=880╳0.0625=55℃。
3、DS1820使用中注意事项
DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点,但在实际应用中也应注意以下几方面的问题:
(1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿,由于DS1820与微处理器间采用
串行数据传送,因此,在对DS1820