设计实验光电传感器测转速.docx

设计实验光电传感器测转速.docx

《设计实验光电传感器测转速.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《设计实验光电传感器测转速.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

设计实验光电传感器测转速

第一部分产品简介

一、DH-SJ2物理设计性实验基本型传感器

实验装置主要由五部分组成：

传感器实验台一、九孔板接口平台、频率振荡器DH-WG2、直流恒压源DH-VC2和处理电路模块。

传感器实验台一部分：

装有双平行振动梁（包括应变片上下各2片、梁自由端的磁钢）、双平行梁测微头及支架、振动盘（装有磁钢，用于固定霍尔传感器的二个半圆磁钢、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子、压电传感器），具体安装部位参看第三部分结构安装说明。

九孔板接口平台部分：

九孔板作为开放式和设计性实验的一个桥梁（平台）；

频率振荡器DH-WG2部分：

包括音频振荡器和低频振荡器；

直流恒压源DH-VC2部分：

提供实验时所必须的电源；

处理电路模块部分：

电桥模块（提供元件和参考电路，由学生自行搭建）、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、调零、增益、移相等模块组成。

本套实验仪器的设计思想主要是：

、九孔板接口平台可以培养学生动手、动脑的能力，从中建立起创新能力以适应社会发展的需要；

、传感器已经成为各个领域的关键部分，为此我们以传感器作为实验的对象，让学生了解和掌握传感器的基本知识及其应用，为今后的学习、工作和生活打下扎实的基础。

本套仪器的特点：

具有设计性、趣味性、开放性和可扩展性，实验时大量重复的接线和调试以及后续的数据处理、分析，可以加深学生对实验仪器构造和原理的理解，同时培养学生耐心仔细的实验习惯和严谨的实验态度。

非常适合大中专院校开展开放性实验室。

仪器采用了性能比较稳定、品质较高的敏感器件和较为合理、成熟的电路设计。

二、主要技术参数、性能及说明

（一）、传感器实验台一部分：

双平行振动梁的自由端及振动盘装有磁钢，通过测微头或激振线圈接入低频振荡器V0可做静态或动态测量。

应变梁：

应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。

传感器：

1、差动变压器

量程:

≥5mm；直流电阻：

5Ω～10Ω；由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体。

2、霍尔式传感器

量程:

±≥2mm；直流电阻：

激励源端口：

800Ω～1.5KΩ；输出端口：

300Ω～500Ω。

3、电容式传感器

量程：

±≥2mm；由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。

4、压阻式压力传感器

量程：

10Kpa（差压）；供电电压：

≤6V；直流电阻：

Vs+－Vs-：

5KΩ～5.5KΩ；Vo+－Vo-：

5KΩ～5.5KΩ。

5、压电加速度计

PZT-5双压电晶片和铜质量块构成；谐振频率：

≥10KHz；电荷灵敏度：

q≥20pc/g。

6、应变式传感器

箔式应变片阻值：

350Ω；应变系数：

2。

7、磁电式传感器

Ф0.21×1000；直流电阻：

30Ω～40Ω；由线圈和动铁（永久磁钢）组成；灵敏度：

0.5v/ms。

8、光电传感器

由一只红外发射管与接收管组成。

9、气敏传感器MQ3

适用气体：

酒精；测量范围：

50～2000ppm。

10、湿敏电阻

高分子薄膜电阻型：

RH几MΩ～几KΩ；响应时间：

吸湿、脱湿小于10秒。

湿度系数：

0.5RH%/℃；测量范围：

10％～95％；工作温度：

0℃～50℃。

11、热释电传感器

远红外式，主要由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。

（二）、信号处理及变换：

1、电桥模块：

提供相关参数的器件，由学生根据实验需要自行搭建。

2、差动放大器：

通频带0～10kHz可接成同相、反相，差动结构，增益为1～100

倍的直流放大器。

3、电容变换器：

由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。

4、电压放大器：

增益约为7.8倍，同相输入，通频带0～10KHz。

5、移相器：

允许最大输入电压10VP-P，移相范围≥±20º。

6、相敏检波器：

可检波电压频率0～10kHz，允许最大输入电压10VP-P，由极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路。

7、电荷放大器：

电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。

8、低通滤波器：

由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。

（三）、频率振荡器DH-WG2部分：

1、音频振荡器：

0.4KHz～10KHz输出连续可调，VP-P值20V，180°、0°反相输出，Lv端最大功率输出电流0.5A。

2、低频振荡器：

1～30Hz输出连续可调，VP-P值20V，最大输出电流0.5A。

（四）、振动梁、测微头：

双平行式悬臂梁一副（装有应变片与振动盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。

（五）、直流恒压源DH-VC2部分：

直流±15V，主要提供给各芯片电源；

±2V、±4V、±6V分三档输出，提供给实验时的直流激励源；

0～12V：

Max1A作为电机电源或作其它电源。

三、附录

附录部分主要包括实验时的结构安装图示和各模块的电气连接图示说明，以及实验中的相关参考信息。

在进行实验之前，请认真仔细阅读本讲义及相关注意事项。

实验时，请严格按照实验步骤和接线图完成实验内容。

由于各模块是完全独立的，所以接线比较繁琐，请各位同学要认真检查之后，确认接线正确之后，方可通电实验，否则，会烧坏芯片。

设计和思考问题部分，同学可以查阅相关资料或请教老师完成所要求的内容。

特别说明：

直流恒压源DH-VC2做实验时，所需要用到的地都需要接在一起。

实验时不要晃动或者摇动实验桌以及相关的仪器设备和线路，以免导致线路接触不良，使实验无法正常进行。

第二部分实验部分

实验2光电传感器测转速实验

【实验目的】

了解光电传感器测转速的基本原理及运用。

【所需模块及仪器设备】

光电式、直流恒压源、示波器、差动放大器、电压放大器、频率计和九孔板接口平台。

【基本原理】

1.光电传感器原理

光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。

光敏二极管是最常见的光传感器。

光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。

在外电场的作用下，光电载流子参与导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。

光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

图1光电传感器分类

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。

光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。

为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。

工作时集电结反偏，发射结正偏。

在无光照时管子流过的电流为暗电流

（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流

增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流

，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

2.光电传感器的应用

光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。

早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。

在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源。

这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。

（1）LED（发光二极管）

　　发光二极管最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管做为指示灯来用。

LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。

由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。

因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。

不象白炽灯那样，LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。

另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。

（激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离）。

LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。

（2）经调制的LED传感器　　

　　1970年，人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点，就是它能够以非常快的速度来开关，开关速度可达到KHz。

将接收器的放大器调制到发射器的调制频率，那么它就只能对以此频率振动的光信号进行放大。

　　我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。

将收音机调到某台，就可以忽略其他的无线电波信号。

经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器，其接收器就相当于收音机。

　　人们常常有一个误解：

认为由于红外光LED发出的红外光是看不到的，那么红外光的能量肯定会很强。

经过调制的光电传感器的能量的大小与LED光波的波长无太大关系。

一个LED发出的光能很少，经过调制才将其变得能量很高。

一个未经调制的传感器只有通过使用长焦距镜头的机械屏蔽手段，使接收器只能接收到发射器发出的光，才能使其能量变得很高。

相比之下，经过调制的接收器能忽略周围的光，只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应。

　　未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射，如刚出炉的红热瓶子，在这种应用场合如果使用其它的传感器，可能会有误动作。

如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话，那么它就可以被周围光源接收器可靠检测到。

周围光源接收器也可以用来检测室外光。

但是并不是说经调制的传感器就一定不受周围光的干扰，当使用在强光环境下时就会有问题。

例如，未经过调制的光电传感器，当把它直接指向阳光时，它能正常动作。

我们每个人都知道，用一块有放大作用的玻璃将阳光聚集在一张纸上时，很容易就会把纸点燃。

设想将玻璃替换成传感器的镜头，将纸替换成光电三极管，这样我们就很容易理解为什么将调制的接收器指向阳光时它就不能工作了，这是周围光源使其饱和了。

　　调制的LED改进了光电传感器的设计，增大了检测距离，扩展了光束的角度，人们逐渐接受了这种可靠易于对准的光束。

到1980年，非调制的光电传感器逐步就退出了历史舞台。

　　红外光LED是效率最高的光束，同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束。

但是有些传感器需要用来区分颜色（如色标检测），这就需要用可见光源。

　　在早期，色标传感器使用白炽灯做光源，使用光电池接收器，直到后来发明了高效的可见光LED。

现在，多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光LED发射器。

经调制的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离，这是因为检测距离是一个非常重要的参数。

未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体，这些场合要求的响应速度都非常快。

但是，现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度，能满足大多数的检测应用。

　　（3）超声波传感器

　　超声波传感器所发射和接收的声波，其振动频率都超过了人耳所能听到的范围。

它是通过计算声波从发射，经被测物反射回到接收器所需要的时间，来判断物体的位置。

对于对射式超声波传感器，如果物体挡住了从发射器到接收器的声波，则传感器就会检测到物体。

与光电传感器不同，超声波传感器不受被测物透明度和反光率的影响，因此在许多使用超声波传感器的场合就不适合使用光电传感器来检测。

　　光电传感器由红外发射二极管、红外接收管、达林顿输出管及波形整形组成。

发射管发射红外光经电机转页间隙，接收管接收到反射信号，经放大，波形整形输出方波，再经转换测出其频率。

图2光电传感器测转速

图3测转速示意图

【实验内容与步骤】

1、先将差动放大器调零，按图1接线；

图1

2、光电式+、-端分别接至直流恒压源0～12V的+、-端；

3、Vi+、Vi-分别接直流恒压源的+6V和GND,并与±15V处的GND相连；

4、调节电压粗调旋钮使电机转动；

5、根据测到的频率及电机上反射面的数目算出此时的电机转速；

即：

N＝频率计显示值÷6×60（n/min）

6、实验完毕，先关闭直流恒压源电源。

【问题】

光电传感器测转速产生误差大的和稳定性差的原因是什么？

主要有哪些因素。

【思考】

通过本实验的学习，是否能够实现对家用电风扇测速?

如果可行，如何实现，需要注意哪些问题，请给出方案和必要的电路图和文字说明。

第三部分结构安装及相关说明

一、传感器实验台一各部分名称及安装图示

1、机箱2、平行梁压块及座3、激励线圈及螺母4、磁棒5、器件固定孔6、应变片组信号输出端7、激励信号输入端8、振动盘9、振动盘锁紧螺钉10、垫圈11、测微头座12、双平行梁13、支杆锁紧螺钉14、测微头15、连接板锁紧螺钉16、支杆锁紧螺钉17、支杆18、连接板19、应变片（中间一片为备用）

20、磁棒锁紧螺钉（在隔块后面）21、隔块及固定螺钉

说明：

①、在做静态实验需要将测微头装上，做动态实验不需要测微头；

②、使用振动盘时，须先卸下振动盘，再装上所需的结构，不要在没有卸下之前，装上其它结构。

差动变压器安装图示

说明：

差动式连接板与磁电式通用。

霍尔实验安装图示

注意：

调节霍尔片与磁场距离时，一定要保证磁场与霍尔片不能接触！

！

！

固定好磁场使其不能晃动，方盒四只脚不需要完全插入定位孔中，以方便调整位置。

磁电式安装图示

说明：

差动式连接板与磁电式通用。

压电实验安装图示

变面积电容实验安装图示

二、电源及信号源的说明

三、各模块说明及其组合

差动放大器组合

电容变换器组合（增益为1K电位器）

电压放大器组合（增益为4.7K电位器）

移相器组合