實(shí)驗(yàn)5-超聲波位移測量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)五 超聲波位移測量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獬暡▊鞲衅鞯墓ぷ髟?，學(xué)習(xí)用超聲波測量位移。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件1、超聲波實(shí)驗(yàn)?zāi)K模塊。2、+15V、+6V電源，示波器。3、信號(hào)發(fā)生器（選用）。三、實(shí)驗(yàn)原理超聲波發(fā)送電路：由555集成電路組成。IC（555）組成超聲波脈沖信號(hào)發(fā)生器（如圖），工作周期計(jì)算公式如下 1 / 22超聲波接收電路：超聲波接收頭和CX20106A組成超聲波信號(hào)的檢測和放大四、實(shí)驗(yàn)步驟1、接上模塊電源。2、將兩超聲波探頭距離S=10cm處位置，用示波器光標(biāo)測量出發(fā)送-接收所用時(shí)間x。3、調(diào)節(jié)兩超聲波探頭距離S，用示波器光標(biāo)測量出發(fā)送-接收所用時(shí)間x。4、將S、x和

2、利用超聲波速度與x之積計(jì)算得到的S，填入下表。距離S（cm）10987654321時(shí)間x（s）計(jì)算的S（cm）五、思考題1、利用上表，分析判斷距離S與時(shí)間x的關(guān)系是否為線性。2、說明上圖電路超聲波發(fā)射和接收的工作原理圖1.12 超聲波測距實(shí)驗(yàn)接線圖第一節(jié) 編碼器實(shí)驗(yàn)編碼器（encoder）是將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。 編碼器把直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。前者我們一般會(huì)用編碼尺，即光柵尺。后者我們一般會(huì)用旋轉(zhuǎn)編碼器，包括光電的與磁電的兩種。編碼器按編碼方式分為二類：增量式與絕對(duì)式。增量式編碼器在工作時(shí)輸出相應(yīng)的AB兩路信號(hào)，通過采集A/B相輸

3、出的脈沖數(shù)以及編碼器的分辨率及可以得到相應(yīng)的直線位移或旋轉(zhuǎn)角度。通過判斷A/B的相位可以確定正反位置或正反旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)式的增量編碼器往往會(huì)有一個(gè)Z信號(hào)，表示零點(diǎn)位置；絕對(duì)式編碼器通過二進(jìn)制編碼或BCD碼來確定當(dāng)前位置，并過編碼值的大小變化來判別正反方向。編碼器數(shù)顯表介紹：YL-CG2011實(shí)驗(yàn)臺(tái)上裝有一個(gè)簡易的編碼器數(shù)顯表，數(shù)顯表通過DB9數(shù)據(jù)線與各個(gè)編碼器模塊連接，顯示編碼器的數(shù)據(jù)。數(shù)顯表的功能包括：脈沖數(shù)顯示位置顯示角度顯示各界面通過“功能”按鍵進(jìn)行切換，短按“清零”按鍵使所有數(shù)據(jù)歸零。長按“清零”按鍵進(jìn)入位移/脈沖設(shè)置界面位移/脈沖（即位移分辨率）設(shè)置界面通過“功能”按鍵使光標(biāo)所在位置的數(shù)

4、據(jù)遞增，短按“清零”按鍵光標(biāo)移位，長按“清零”按鍵確認(rèn)設(shè)置并進(jìn)入角度/脈沖設(shè)置界面。角度/脈沖（即角分辨率）設(shè)置界面通過“功能”按鍵使光標(biāo)所在位置的數(shù)據(jù)遞增，短按“清零”按鍵光標(biāo)移位，長按“清零”按鍵確認(rèn)設(shè)置并退出角度/脈沖設(shè)置界面。實(shí)驗(yàn)一 光柵尺位置特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)光柵尺的特性及應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件1、光柵尺WTA5-0200MM、游標(biāo)卡尺。2、編碼器數(shù)顯表。三、實(shí)驗(yàn)原理光柵尺位移傳感器（簡稱光柵尺），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于機(jī)床與現(xiàn)在加工中心以及測量儀器等方面，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，

5、檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。在現(xiàn)在中國加工業(yè)、制造業(yè)越來越成熟，對(duì)加工的精度越來越高的時(shí)候，在各種機(jī)床上，例如：銑床、磨床、車床、線切割、電火花等機(jī)床上都可以安裝光柵尺，其工作環(huán)境要求相對(duì)來說不是很苛刻，對(duì)操作者的使用來說也十分簡單。常見光柵尺的工作原理都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的。如圖2.1所示，當(dāng)使指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時(shí)，必然會(huì)造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應(yīng)最弱，光的累積作用使得這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變

6、得越來越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線能通過這個(gè)區(qū)域透過光柵，使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們所見到的莫爾條紋。在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與判向功能。例如，柵線為50線對(duì)/mm的光柵尺，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5m的計(jì)數(shù)脈沖。圖2.1四、實(shí)驗(yàn)步驟1、將光柵尺的信號(hào)線連接到編碼器數(shù)顯表的DB9接口上。2、打開實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，將光柵尺的讀數(shù)頭移置左側(cè)或右側(cè)。設(shè)置編碼器數(shù)顯表的位置分辨率為5um，計(jì)數(shù)清零。3、按下表，移動(dòng)光柵尺的讀書頭，每移動(dòng)10mm的距離記錄下數(shù)顯表顯示的脈沖

7、數(shù)及位置值讀數(shù)頭位移（mm）102030405060708090100脈沖數(shù)位移數(shù)值（um）實(shí)驗(yàn)二 光電旋轉(zhuǎn)編碼器特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)光電旋轉(zhuǎn)編碼器的特性及應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件1、STIM-015模塊、游標(biāo)卡尺。2、編碼器數(shù)顯。3、DB9串口線三、實(shí)驗(yàn)原理光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器主要由光碼盤和光電檢測裝置組成。在伺服系統(tǒng)中，由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光碼盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。為判斷旋轉(zhuǎn)方

8、向，光碼盤還提供相位相差90°的2個(gè)通道的信號(hào)輸出，根據(jù)兩個(gè)通道的相位變化確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、將STIM-015模塊上的光電編碼器信號(hào)輸出口通過串口線連接到編碼器數(shù)顯表接口上。2、STIM-015模塊上電，將STIM-015模塊劃片移動(dòng)到最左。3、打開實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源。設(shè)置編碼器數(shù)顯表的位置分辨率為3um，計(jì)數(shù)清零。（位置分辨率的計(jì)算是通過STIM-015模塊上面的螺桿的螺紋間距和光碼盤的線數(shù)得到的）4、按住右移按鍵讓劃片向右移動(dòng)，按下表每移動(dòng)4mm的距離記錄下數(shù)顯表顯示的脈沖數(shù)及位置值讀數(shù)頭4816202428323640位移（mm）脈沖數(shù)位移數(shù)值（um）5、根據(jù)上表數(shù)據(jù)，分

9、析誤差原因。數(shù)顯表+15V電源圖3.1 光電編碼器實(shí)驗(yàn)接線圖實(shí)驗(yàn)三 磁電旋轉(zhuǎn)編碼器特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)磁電旋轉(zhuǎn)編碼器的特性及應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件1、STIM-015模塊、游標(biāo)卡尺。2、編碼器數(shù)顯。3、DB9串口線三、實(shí)驗(yàn)原理磁電旋轉(zhuǎn)編碼器才用磁電式設(shè)計(jì)，通過磁感應(yīng)器件在磁場中的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置的信號(hào)。與傳統(tǒng)編碼器相比，磁編碼器結(jié)構(gòu)簡單，相應(yīng)速度快，體積小，成本低，受外界污染影響小。AS5040是一款無接觸式旋轉(zhuǎn)編碼器，用于精確測量整個(gè)360°內(nèi)的角度。它單個(gè)封裝整合了四個(gè)霍爾、模擬前端和數(shù)字信號(hào)處理器。在測量時(shí)，只需要再芯片的中心上方放置一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的雙極磁鐵，其分

10、辨率達(dá)到0.35°，及每圈1024個(gè)位置。AS5040包括了兩種數(shù)字式10位絕對(duì)值輸出：串行接口輸出和PWM輸出；3中增量輸出：A/B/Z輸出信號(hào)、步/方向輸出信號(hào)、直流電動(dòng)機(jī)的3相換向控制信號(hào)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、將STIM-015模塊上的磁電編碼器信號(hào)輸出口通過串口線連接到編碼器數(shù)顯表接口上。2、STIM-015模塊上電，將STIM-015模塊劃片移動(dòng)到中間。3、打開實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源。設(shè)置編碼器數(shù)顯表的角度分辨率為0.35°，計(jì)數(shù)清零。（位置分辨率的計(jì)算是通過STIM-015模塊上面的螺桿的螺紋間距和光碼盤的線數(shù)得到的）4、通過左移右移按鍵使劃片微移動(dòng)，觀察角度的變化；觀察電機(jī)每

11、旋轉(zhuǎn)一周數(shù)顯表是否能正常顯示360°。5、思考如何測量位移。數(shù)顯表+15V電源圖4.1 磁電編碼器實(shí)驗(yàn)接線圖第二節(jié) 熱釋電實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四 熱釋電傳感器特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鉄後岆妭鞲衅鞯墓ぷ髟怼６?、?shí)驗(yàn)設(shè)備與器件1、STIM-016模塊、白熾燈座、DC24V/15W白熾燈。2、+15V電源，可調(diào)恒流源，萬用表，遮光膠帶。3、電子連線若干、兩根大頭轉(zhuǎn)小頭電子連線。三、實(shí)驗(yàn)原理熱釋電紅外線傳感器是利用溫度變化的特征來探測紅外線的輻射，才用雙靈敏元互補(bǔ)的方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，從而提高傳感器的工作穩(wěn)定性。D203S熱釋電傳感器是由一種高熱電系數(shù)的材料制成尺寸為2*1mm的探測元件，在每

12、個(gè)探測器內(nèi)裝入兩個(gè)探測元件，并將兩個(gè)探測元件以反極性串聯(lián)，一抑制由于溫度升高而產(chǎn)生的干擾。為提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器上裝一個(gè)菲涅爾透鏡，并通過放大電路將信號(hào)放大。菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而加強(qiáng)其能量幅度。BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接

13、元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開關(guān)。通過控制繼電器或其他一些隔離開關(guān)裝置來自動(dòng)快速的開啟或關(guān)閉各類白熾燈、蜂鳴器、自動(dòng)門、風(fēng)扇等裝置。適用于過道、走廊等敏感區(qū)域內(nèi)的照明和報(bào)警系統(tǒng)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、按圖5.1連接白熾燈，繼電器腳P1-P2常閉、P1-P3常開，接上模塊電源，將可調(diào)電源調(diào)節(jié)到24V。2、如果實(shí)驗(yàn)室光照度太強(qiáng)，請(qǐng)用遮光膠帶貼住RG光敏電阻，使BISS0001進(jìn)入觸發(fā)狀態(tài)。3、通過調(diào)節(jié)RP1來調(diào)節(jié)觸發(fā)延時(shí)時(shí)間，通過調(diào)節(jié)RP2增益調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)熱釋電檢測距離。4、將模塊豎著放置好后，實(shí)驗(yàn)人員在2m的距離范圍內(nèi)走動(dòng)，觀察是否能觸發(fā)白熾燈點(diǎn)亮。5、將電位器RP2調(diào)節(jié)到最大增益，測試最大的檢測范圍。

14、+15V電源可調(diào)電源+-圖5.1 熱釋電實(shí)驗(yàn)接線圖第三節(jié) 加速度實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五 加速度傳感特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饧铀俣葌鞲衅鞯墓ぷ髟?。二、?shí)驗(yàn)設(shè)備與器件1、STIM-017模塊。2、5V電源，雙蹤示波器，萬用表。3、電子連線若干。三、實(shí)驗(yàn)原理加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，比如重力。一般加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形的特性，由于變形會(huì)產(chǎn)生電壓，只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)然，還有很多其他方法來制作加速度傳感器，比如壓阻技術(shù)，電容效應(yīng)，熱氣泡效應(yīng)，光效應(yīng)等，但其最基

15、本的原來都是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)發(fā)生變形，通過測量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。ADXL203是一種高精度、低功耗及單片MEMS型IC芯片雙軸加速計(jì)，輸出量為一個(gè)與加速度成比例的模擬電壓信號(hào)。內(nèi)部電路框圖如圖6.1。傳感器主要是由一個(gè)利用表面微機(jī)械加工的多晶硅結(jié)構(gòu)和一個(gè)差動(dòng)電容器組成。多晶硅結(jié)構(gòu)由多晶硅彈簧支撐，處于晶片的頂部，并與差動(dòng)電容的運(yùn)動(dòng)的中心極板相連。分別在差動(dòng)電容的固定的上下極板上加兩路幅度相等、相位差為180°的方波。在加速度的作用下，多晶硅結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏移，拉動(dòng)差動(dòng)電容的中心極板滑動(dòng)，使兩個(gè)電容值不同，便在中心極板產(chǎn)生電壓，傳感器輸出方波的幅值與所測的加速度成正比。方波信號(hào)再經(jīng)過信號(hào)放大、相敏檢波、低通濾波，得到與加速度成正比的電壓信號(hào)。ADXL203最常見的應(yīng)用是進(jìn)行傾斜度測量。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、如圖6.2，接上STIM-017模塊的電源2、ADXL電源為3V，靈敏對(duì)為560mV/g,在-40到125溫度范圍內(nèi)，具有±0.3%的溫度靈敏性和±25mg的零點(diǎn)偏移精度。3、將STIM-017模塊水平放置，按下“XY標(biāo)定”按鍵，標(biāo)定零點(diǎn)位置。觀察液晶屏顯示的XY軸的