傳感器應(yīng)用技術(shù)學(xué)習(xí)情境3：測(cè)距儀的制作ppt課件

1、學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制造測(cè)距儀的制造 位移檢位移檢測(cè)測(cè)黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器運(yùn)用學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作1、制造一個(gè)測(cè)距儀、制造一個(gè)測(cè)距儀: 丈量范圍為丈量范圍為0.1 m4.5m 丈量精度為丈量精度為1cm 丈量誤差小于丈量誤差小于4cm。2、利用數(shù)碼管顯示丈量值。、利用數(shù)碼管顯示丈量值。學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境要求要求學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作學(xué)習(xí)情境目的學(xué)習(xí)情境目的知識(shí)目的知識(shí)目的1、掌握超聲波傳感器的任務(wù)原理及運(yùn)用電路。2、掌握壓電傳感器的任務(wù)原理、丈量電路和運(yùn)用。3、了解光電元件的分類以及任務(wù)原理。才干目的才干目的1、能利用超聲波

2、傳感器、壓電式傳感器完成相應(yīng) 參數(shù)的丈量。2、能利用簡(jiǎn)單的光敏電阻、光敏三極管等元件， 完成光照度的丈量和畫出繼電器的控制電路。 素質(zhì)目的素質(zhì)目的1、培育耐心細(xì)致的任務(wù)態(tài)度。2、培育嚴(yán)謹(jǐn)扎實(shí)的任務(wù)作風(fēng)。3、培育團(tuán)結(jié)協(xié)作的協(xié)作才干。 學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作內(nèi)容導(dǎo)航內(nèi)容導(dǎo)航知識(shí)預(yù)備知識(shí)預(yù)備超聲波傳感器性能測(cè)試超聲波傳感器性能測(cè)試測(cè)距儀電路組裝與調(diào)試測(cè)距儀電路組裝與調(diào)試知識(shí)拓展知識(shí)拓展1234學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)預(yù)備知識(shí)預(yù)備一超聲檢測(cè)的物理根底一超聲檢測(cè)的物理根底 頻率高于頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱為超聲波。它的指向性很好，的機(jī)械振動(dòng)波稱為超聲

3、波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透身手大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失能量集中，因此穿透身手大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面例如鋼板與空氣的交界面時(shí)，不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面例如鋼板與空氣的交界面時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射景象，超聲波的頻率越高，其聲場(chǎng)指向能產(chǎn)生明顯的反射和折射景象，超聲波的頻率越高，其聲場(chǎng)指向性就愈好。性就愈好。前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)預(yù)備知識(shí)預(yù)備1超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射 當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，

4、在異質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型質(zhì)中的傳播速度不同，在異質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等景象。轉(zhuǎn)換等景象。圖圖3.2超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射 前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)預(yù)備知識(shí)預(yù)備2超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換 當(dāng)聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同當(dāng)聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同時(shí)，聲波的波型也有所不同。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的時(shí)，聲波的波型也有所不同。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波稱為縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向波稱為縱波，它能在固體、液體和

5、氣體中傳播。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。質(zhì)點(diǎn)振垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著外表傳播，振幅隨著深度的添加動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著外表傳播，振幅隨著深度的添加而迅速衰減的波稱為外表波，它只在固體的外表傳播。而迅速衰減的波稱為外表波，它只在固體的外表傳播。 當(dāng)聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)固當(dāng)聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)固體的界面上時(shí)，除有縱波的反射、折射以體的界面上時(shí)，除有縱波的反射、折射以外，還會(huì)發(fā)生橫波的反射和折射，如下圖。外，還會(huì)發(fā)生橫波的反射和折射，如下圖。在一定條件下，還能產(chǎn)生外表波。各種波型在一定條件下

6、，還能產(chǎn)生外表波。各種波型均符合幾何光學(xué)中的反射定律，即均符合幾何光學(xué)中的反射定律，即聲波型轉(zhuǎn)換圖聲波型轉(zhuǎn)換圖 前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)預(yù)備知識(shí)預(yù)備3聲波的衰減聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播間隔的添加，能量逐漸衰減，聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播間隔的添加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的分散、散射和吸收等要素有關(guān)。其衰減的程度與聲波的分散、散射和吸收等要素有關(guān)。在平面波的情況下，間隔聲源在平面波的情況下，間隔聲源x處的聲壓處的聲壓P和聲強(qiáng)和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律如的衰減規(guī)律如下下:前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)預(yù)備知識(shí)預(yù)備 二、超

7、聲波探頭二、超聲波探頭 超聲波探頭是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的安裝，又稱超聲換能器或傳超聲波探頭是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的安裝，又稱超聲換能器或傳感器。這種安裝能發(fā)射超聲波和接納超聲回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信感器。這種安裝能發(fā)射超聲波和接納超聲回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。號(hào)。 超聲波探頭按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式和電磁超聲波探頭按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式和電磁式等數(shù)種，其中以壓電式為最常用。如下圖為壓電式探頭構(gòu)造圖，其式等數(shù)種，其中以壓電式為最常用。如下圖為壓電式探頭構(gòu)造圖，其中心部分為壓電晶片，利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換。中心部分為壓電晶片，利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換。 壓電式超聲探頭構(gòu)造圖

8、壓電式超聲探頭構(gòu)造圖1一壓電片；一壓電片；2一維護(hù)膜；一維護(hù)膜；3一吸收塊；一吸收塊；4一接線：一接線：5 一導(dǎo)線螺桿；一導(dǎo)線螺桿； 6一絕緣柱；一絕緣柱；7一接觸座一接觸座; 8 一接線片一接線片;9 一壓電片座一壓電片座前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)預(yù)備知識(shí)預(yù)備前往前往各種超聲各種超聲波探頭波探頭學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)預(yù)備知識(shí)預(yù)備三超聲波檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用三超聲波檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作超聲波傳感器性能測(cè)試超聲波傳感器性能測(cè)試一測(cè)試目的一測(cè)試目的 1掌握超聲波測(cè)距傳感器學(xué)會(huì)根本的測(cè)試運(yùn)用方法。掌握超聲

9、波測(cè)距傳感器學(xué)會(huì)根本的測(cè)試運(yùn)用方法。 2了解超聲波傳感器的幅頻特性，確定其此超聲波傳感器的了解超聲波傳感器的幅頻特性，確定其此超聲波傳感器的中心頻率或諧振頻率。中心頻率或諧振頻率。二元器件二元器件 超聲波傳感器、信號(hào)發(fā)生器、示波器，直尺超聲波傳感器、信號(hào)發(fā)生器、示波器，直尺前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作超聲波傳感器性能測(cè)試超聲波傳感器性能測(cè)試三測(cè)試步驟三測(cè)試步驟 1. 安裝銜接安裝銜接 1調(diào)理信號(hào)發(fā)生器輸出方波信號(hào)，其峰峰值可在調(diào)理信號(hào)發(fā)生器輸出方波信號(hào)，其峰峰值可在2V10V范圍調(diào)范圍調(diào)整，頻率可在整，頻率可在30K49K范圍內(nèi)延續(xù)可調(diào)整，要求經(jīng)過(guò)示波器確認(rèn)信范圍內(nèi)延續(xù)

10、可調(diào)整，要求經(jīng)過(guò)示波器確認(rèn)信號(hào)幅度及頻率輸出情況。號(hào)幅度及頻率輸出情況。 2將方波信號(hào)輸出端子接到超聲波傳感器發(fā)射頭的兩個(gè)輸入引腳，將方波信號(hào)輸出端子接到超聲波傳感器發(fā)射頭的兩個(gè)輸入引腳，將示波器的接地端子和信號(hào)端子分別銜接超聲波傳感器接納頭的兩個(gè)將示波器的接地端子和信號(hào)端子分別銜接超聲波傳感器接納頭的兩個(gè)輸出引腳。輸出引腳。 3固定發(fā)射頭與接納頭的間距為固定發(fā)射頭與接納頭的間距為10cm，并將發(fā)射頭對(duì)準(zhǔn)接納頭，并將發(fā)射頭對(duì)準(zhǔn)接納頭，預(yù)備測(cè)試接納頭接納到的同頻信號(hào)電壓。預(yù)備測(cè)試接納頭接納到的同頻信號(hào)電壓。信號(hào)發(fā)生器示波器發(fā)射頭接納頭TR探頭安裝銜接圖安裝銜接圖前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀

11、的制作測(cè)距儀的制作超聲波傳感器性能測(cè)試超聲波傳感器性能測(cè)試2測(cè)試超聲波傳感器的幅頻特性測(cè)試超聲波傳感器的幅頻特性1調(diào)理信號(hào)發(fā)生器輸出方波信號(hào)的峰峰值為調(diào)理信號(hào)發(fā)生器輸出方波信號(hào)的峰峰值為10V，本測(cè)試要保證輸出幅，本測(cè)試要保證輸出幅度恒定的情況下進(jìn)展。度恒定的情況下進(jìn)展。2調(diào)理方波信號(hào)的頻率，使其在調(diào)理方波信號(hào)的頻率，使其在30K49K范圍內(nèi)變化，用示波器察看范圍內(nèi)變化，用示波器察看超聲波接納頭的輸出信號(hào)波形，記下的值。請(qǐng)按照實(shí)驗(yàn)用表超聲波接納頭的輸出信號(hào)波形，記下的值。請(qǐng)按照實(shí)驗(yàn)用表3.1設(shè)置的頻率設(shè)置的頻率數(shù)據(jù)要求進(jìn)展測(cè)試，總計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)要求進(jìn)展測(cè)試，總計(jì)測(cè)試30對(duì)數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)。留意：要求測(cè)

12、試每對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)，一定要首先用示波器準(zhǔn)確調(diào)試信號(hào)發(fā)生器留意：要求測(cè)試每對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)，一定要首先用示波器準(zhǔn)確調(diào)試信號(hào)發(fā)生器輸出的方波信號(hào)后，再驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭，測(cè)試接納頭產(chǎn)生的同頻信號(hào)電壓。輸出的方波信號(hào)后，再驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭，測(cè)試接納頭產(chǎn)生的同頻信號(hào)電壓。分析分析30對(duì)記錄數(shù)據(jù)，繪制輸出對(duì)記錄數(shù)據(jù)，繪制輸出f 關(guān)系曲線，得出超聲波傳感器幅頻特性關(guān)系曲線，得出超聲波傳感器幅頻特性結(jié)論。并確定其中心頻率。結(jié)論。并確定其中心頻率。前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作超聲波傳感器性能測(cè)試超聲波傳感器性能測(cè)試 3在中心頻率下測(cè)試超聲波傳感器的傳輸特性在中心頻率下測(cè)試超聲波傳感器的傳輸特性 1調(diào)理信號(hào)發(fā)生器輸

13、出方波的頻率為中心頻率，本測(cè)試要求保證在中心調(diào)理信號(hào)發(fā)生器輸出方波的頻率為中心頻率，本測(cè)試要求保證在中心頻率下進(jìn)展測(cè)定。頻率下進(jìn)展測(cè)定。 2調(diào)理方波信號(hào)的幅度，使其峰峰值在調(diào)理方波信號(hào)的幅度，使其峰峰值在2V12V范圍內(nèi)變化，設(shè)置輸入范圍內(nèi)變化，設(shè)置輸入不同峰峰值的方波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭，用示波器察看超聲波接納頭的輸出信不同峰峰值的方波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭，用示波器察看超聲波接納頭的輸出信號(hào)波形，記下的值，研討驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度變化對(duì)超聲波傳感器傳輸特性的影響。號(hào)波形，記下的值，研討驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度變化對(duì)超聲波傳感器傳輸特性的影響。要求在要求在2V12V范圍內(nèi)按照實(shí)驗(yàn)用表范圍內(nèi)按照實(shí)驗(yàn)用表3.2設(shè)置的設(shè)置的

14、值測(cè)試輸出信號(hào)值測(cè)試輸出信號(hào) 值，總計(jì)值，總計(jì)測(cè)試測(cè)試20對(duì)數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)。 留意：要求測(cè)試每對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)，必需先用示波器調(diào)試輸出準(zhǔn)確幅度、頻率留意：要求測(cè)試每對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)，必需先用示波器調(diào)試輸出準(zhǔn)確幅度、頻率的方波信號(hào)后，再驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭，進(jìn)而測(cè)試接納頭接納到的同頻信號(hào)電壓的的方波信號(hào)后，再驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭，進(jìn)而測(cè)試接納頭接納到的同頻信號(hào)電壓的 。四測(cè)試結(jié)果四測(cè)試結(jié)果 1.超聲波發(fā)送傳感器其幅頻特性在諧振頻率超聲波發(fā)送傳感器其幅頻特性在諧振頻率f 0 =1/ 2 附近幾乎堅(jiān)持恒定。附近幾乎堅(jiān)持恒定。 2.超聲波接納傳感器幅頻特性在頻率超聲波接納傳感器幅頻特性在頻率f 0 附近變化很大。附近變化很大。LCPPVi

15、nVPPV前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作測(cè)距儀電路組裝及調(diào)試測(cè)距儀電路組裝及調(diào)試 前往前往步驟步驟1步驟步驟2步驟步驟3學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作測(cè)距儀電路組裝及調(diào)試測(cè)距儀電路組裝及調(diào)試 一確定系統(tǒng)方案一確定系統(tǒng)方案系統(tǒng)分為系統(tǒng)分為4個(gè)功能模塊：回波個(gè)功能模塊：回波A/D采集模塊，采集模塊， LED顯示和按鍵顯示和按鍵處置模塊，處置模塊，LCD顯示模塊，報(bào)警、存儲(chǔ)及串口處置模塊。顯示模塊，報(bào)警、存儲(chǔ)及串口處置模塊。系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作二各單元電路搭建二各單元電路搭建LPC2整體構(gòu)造圖1 1、LPC2LPC2

16、微控制器簡(jiǎn)介微控制器簡(jiǎn)介測(cè)距儀電路組裝及調(diào)試測(cè)距儀電路組裝及調(diào)試 前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作2 2、超聲波發(fā)射電路、超聲波發(fā)射電路3 3、超聲波接納電路、超聲波接納電路超聲波發(fā)射電路是超聲波發(fā)射器超聲波發(fā)射電路是超聲波發(fā)射器T和和PWM產(chǎn)生的產(chǎn)生的40 kHz頻率信號(hào)、驅(qū)動(dòng)頻率信號(hào)、驅(qū)動(dòng)(或或鼓勵(lì)鼓勵(lì))電路等組成。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用電路等組成。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ARM中的中的PWM模塊產(chǎn)生高精度的模塊產(chǎn)生高精度的40 kHz的頻的頻率信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)率信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)74HC00等組成的驅(qū)動(dòng)等組成的驅(qū)動(dòng)電路，最后將發(fā)射信號(hào)送到超聲波發(fā)射電路，最后將發(fā)射信號(hào)送到超聲波發(fā)射器器T。測(cè)

17、距儀電路組裝及調(diào)試測(cè)距儀電路組裝及調(diào)試 前往前往 超聲波接納電路由以超聲波接納電路由以MC3403為中心為中心的三級(jí)濾波放大電路和二極管的倍壓穩(wěn)的三級(jí)濾波放大電路和二極管的倍壓穩(wěn)流電路等組成。處置好的回波信號(hào)被送流電路等組成。處置好的回波信號(hào)被送到到ARM的的AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)展轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)展AD采樣，采樣，從而觸發(fā)得到前往的時(shí)間。從而觸發(fā)得到前往的時(shí)間。 學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作深圳博寶公司下廠鍛煉深圳博寶公司下廠鍛煉 測(cè)距儀電路組裝及調(diào)試測(cè)距儀電路組裝及調(diào)試 4. 顯示電路顯示電路超聲波測(cè)距儀超聲波測(cè)距儀450.00CM當(dāng)前間隔：當(dāng)前間隔：前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的

18、制作測(cè)距儀的制作三三. .系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試測(cè)距儀電路組裝及調(diào)試測(cè)距儀電路組裝及調(diào)試 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往壓電傳感器壓電傳感器拓展內(nèi)容拓展內(nèi)容光電傳感器光電傳感器學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作一、壓電傳感器一、壓電傳感器 某些電介質(zhì)在沿一定方向某些電介質(zhì)在沿一定方向上遭到外力的作用而變形時(shí)，上遭到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化景象，同時(shí)在內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化景象，同時(shí)在其外表上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去其外表上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的形掉后，又重新回到不帶電的形狀；當(dāng)作用力方向改動(dòng)時(shí)，電狀；

19、當(dāng)作用力方向改動(dòng)時(shí)，電荷的極性也隨之改動(dòng)，這種景荷的極性也隨之改動(dòng)，這種景象稱為壓電效應(yīng)。象稱為壓電效應(yīng)。1.壓電資料壓電資料 壓電晶體壓電晶體 壓電陶瓷壓電陶瓷 高分子壓電資料高分子壓電資料知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往部分壓電陶瓷的外形部分壓電陶瓷的外形高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作 2.壓電式傳感器丈量電路壓電式傳感器丈量電路 1壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路 壓電元件的等效電路電容器上的電壓壓電元件的等效電路電容器上的電壓 uo、電荷、電荷Q與電容與電容Ca三者之三者之間的關(guān)系為間的關(guān)系為 : aCQu0知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往壓電元件的等效電

20、路壓電元件的等效電路 壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)法壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)法學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作2壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 在壓電式傳感器正常任務(wù)時(shí)，假設(shè)把它與丈量?jī)x表連在一同，必在壓電式傳感器正常任務(wù)時(shí)，假設(shè)把它與丈量?jī)x表連在一同，必定與丈量電路相銜接。因此必需思索銜接電纜電容定與丈量電路相銜接。因此必需思索銜接電纜電容Cc、放大器的、放大器的輸入電阻輸入電阻Ri和輸入電容和輸入電容Ci等要素的影響。壓電傳感器與二次儀表等要素的影響。壓電傳感器與二次儀表銜接的實(shí)踐等效電路如下圖。銜接的實(shí)踐等效電路如下圖。知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往壓電式傳感器的實(shí)踐等效電路壓電

21、式傳感器的實(shí)踐等效電路學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作3壓電式傳感器的丈量電路壓電式傳感器的丈量電路 壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出信號(hào)卻很微弱，這就要求負(fù)載壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出信號(hào)卻很微弱，這就要求負(fù)載電阻電阻RL很大時(shí)，才干使丈量誤差減小到一定范圍。因此常在壓電式很大時(shí)，才干使丈量誤差減小到一定范圍。因此常在壓電式傳感器輸出端后面先接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，然后再接普傳感器輸出端后面先接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，然后再接普通的放大電路及其他電路。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可通的放大電路及其他電路。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，所以

22、前置放大器也有兩種方式，即電壓放大器和電荷以是電荷信號(hào)，所以前置放大器也有兩種方式，即電壓放大器和電荷放大器。放大器。 適用中多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器，這里重點(diǎn)以電荷放大器為適用中多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器，這里重點(diǎn)以電荷放大器為例加以闡明。例加以闡明。知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往電荷放大等效電路電荷放大等效電路學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作 電荷放大器的輸出電壓電荷放大器的輸出電壓u0僅與輸入電荷和反響電容有關(guān)，與電纜僅與輸入電荷和反響電容有關(guān)，與電纜電容電容Cc無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)與電纜的長(zhǎng)度等要素的影響很小，這是電荷放無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)與電纜的長(zhǎng)度等要素的影響很小，這是電荷放大器的最大

23、特點(diǎn)。內(nèi)部包括電荷放大器的便攜式測(cè)振儀，外形如下圖。大器的最大特點(diǎn)。內(nèi)部包括電荷放大器的便攜式測(cè)振儀，外形如下圖。 1一量程選擇開(kāi)關(guān)；2一壓電傳感器輸入信號(hào)插座；3一多路選擇開(kāi)關(guān)；4一帶寬選擇開(kāi)關(guān)； 5一帶背光點(diǎn)陣液晶顯示器；6一電池盒；7一可變角度支架便攜式測(cè)振儀外形知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作1905年德國(guó)年德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯物理學(xué)家愛(ài)因斯坦用光量子學(xué)說(shuō)坦用光量子學(xué)說(shuō)解釋了光電發(fā)射解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而效應(yīng)，并為此而獲得獲得1921年諾貝年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。爾物理學(xué)獎(jiǎng)。二、光電傳感器二、光電傳感器知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀

24、的制作測(cè)距儀的制作用光照射某一物體，可用光照射某一物體，可以看作物體遭到一連串能量以看作物體遭到一連串能量為為hf hf 的光子的轟擊，組成的光子的轟擊，組成這物體的資料吸收光子能量這物體的資料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理景而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理景象稱為光電效應(yīng)。象稱為光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)：在光線的外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體外作用下能使電子逸出物體外表的景象稱為外光電效應(yīng)，表的景象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件基于外光電效應(yīng)的光電元件有紫外光電管、光電倍增管有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。、光電攝像管等。 知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距

25、儀的制作測(cè)距儀的制作 當(dāng)入射紫外當(dāng)入射紫外線照射在紫外管線照射在紫外管陰極板上時(shí)，電陰極板上時(shí)，電子抑制金屬外表子抑制金屬外表對(duì)它的束縛而逸對(duì)它的束縛而逸出金屬外表，構(gòu)出金屬外表，構(gòu)成電子發(fā)射。紫成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外外管多用于紫外線丈量、火焰監(jiān)線丈量、火焰監(jiān)測(cè)等。測(cè)等。 光電管光電管1.光電器件光電器件紫外線紫外線知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)拓展知識(shí)拓展 當(dāng)光照射在陰極上時(shí)，陰極發(fā)射出光電子，被具有一定電位當(dāng)光照射在陰極上時(shí)，陰極發(fā)射出光電子，被具有一定電位的中央陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)構(gòu)成空間電子流。在外電場(chǎng)作用的中央陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)構(gòu)

26、成空間電子流。在外電場(chǎng)作用下將構(gòu)成電流下將構(gòu)成電流I，稱為光電流。光電流的大小與光電子數(shù)成正比，稱為光電流。光電流的大小與光電子數(shù)成正比，而光電子數(shù)又與光照度成正比。而光電子數(shù)又與光照度成正比。 光電管的構(gòu)造圖、原理圖光電管的構(gòu)造圖、原理圖1光電管任務(wù)原理光電管任務(wù)原理前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)拓展知識(shí)拓展 在一定的光照下，對(duì)光電管陰極所加的電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電在一定的光照下，對(duì)光電管陰極所加的電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。 2光電管特性光電管特性 伏安特性伏安特性光電管的伏安特性光電管的伏安特性前往前往學(xué)

27、習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)拓展知識(shí)拓展 當(dāng)光電管的陰極與陽(yáng)極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間當(dāng)光電管的陰極與陽(yáng)極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系稱為光照特性，如下圖。其中，曲線的關(guān)系稱為光照特性，如下圖。其中，曲線1是氧艷陰極光電管的光照是氧艷陰極光電管的光照特性，光電流特性，光電流I與光通量呈線性關(guān)系；曲線與光通量呈線性關(guān)系；曲線2是銻艷陰極光電管的光照是銻艷陰極光電管的光照特性，呈非線性關(guān)系。特性，呈非線性關(guān)系。 光照特性光照特性光電管的光照特性光電管的光照特性 光譜特性光譜特性 光電管的光譜特性通常指陽(yáng)極與陰極之間所加電壓不變時(shí)，入射光光電管的光譜特

28、性通常指陽(yáng)極與陰極之間所加電壓不變時(shí)，入射光的波長(zhǎng)或頻率與其相對(duì)靈敏度之間的關(guān)系。它主要取決于陰極資料。的波長(zhǎng)或頻率與其相對(duì)靈敏度之間的關(guān)系。它主要取決于陰極資料。陰極資料不同的光電管適用于不同的光譜范圍。陰極資料不同的光電管適用于不同的光譜范圍。前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作光敏電阻光敏電阻當(dāng)光敏電阻遭到光照時(shí)，當(dāng)光敏電阻遭到光照時(shí)， 阻值減小。阻值減小。知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作當(dāng)光敏電阻當(dāng)光敏電阻遭到光照時(shí)，光遭到光照時(shí)，光生電子生電子空穴對(duì)空穴對(duì)添加，阻值減小添加，阻值減小，電流增大。，電流增大。1 1光敏電阻任務(wù)原理演示

29、光敏電阻任務(wù)原理演示 暗電流越小越好暗電流越小越好知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)拓展知識(shí)拓展2光敏電阻的特性光敏電阻的特性 光電流光電流 光敏電阻在室溫或全暗條件下測(cè)得的阻值稱為暗電阻暗阻，光敏電阻在室溫或全暗條件下測(cè)得的阻值稱為暗電阻暗阻，通常超越通常超越1 M,此時(shí)流過(guò)光敏電阻的電流稱為暗電流。光敏電阻在受此時(shí)流過(guò)光敏電阻的電流稱為暗電流。光敏電阻在受光照射時(shí)的阻值稱為亮電阻亮阻，普通幾千歐以下，此時(shí)流過(guò)光照射時(shí)的阻值稱為亮電阻亮阻，普通幾千歐以下，此時(shí)流過(guò)光敏電阻的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。光敏電阻的電流稱為亮電流。亮電流與暗

30、電流之差稱為光電流。 光照特性光照特性 在一定外加電壓下，光敏電阻的在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量的關(guān)系曲線，稱為光電流與光通量的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的光照特性，如下圖。光敏電阻的光照特性，如下圖。光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量總和，單位是流明光量總和，單位是流明(Im)。光敏電阻的光照特性曲線光敏電阻的光照特性曲線前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)拓展知識(shí)拓展 光電特性光電特性 在光敏電阻兩極電壓固定不變時(shí)，光照度與電阻及電流間的關(guān)系稱為光電特在光敏電阻兩極電壓固定不變時(shí)，光照度與電阻及電流間的關(guān)系稱為光電特性，如下圖。不

31、同的光敏電阻的光照特性是不同的，但多數(shù)情況下曲線是非線性性，如下圖。不同的光敏電阻的光照特性是不同的，但多數(shù)情況下曲線是非線性的，所以光敏電阻不宜作定量檢測(cè)元件，而常在自動(dòng)控制中用做光電開(kāi)關(guān)。的，所以光敏電阻不宜作定量檢測(cè)元件，而常在自動(dòng)控制中用做光電開(kāi)關(guān)。 時(shí)延特性時(shí)延特性 當(dāng)光敏電阻遭到光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才干到達(dá)穩(wěn)態(tài)值，而在停當(dāng)光敏電阻遭到光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才干到達(dá)穩(wěn)態(tài)值，而在停頓光照后，光電流也經(jīng)過(guò)一定時(shí)間恢復(fù)暗電流值，這是光敏電阻的時(shí)延特性。不頓光照后，光電流也經(jīng)過(guò)一定時(shí)間恢復(fù)暗電流值，這是光敏電阻的時(shí)延特性。不同光敏電阻的時(shí)延特性不同，因此它們的頻率特性也不同

32、。由于光敏電阻的時(shí)延同光敏電阻的時(shí)延特性不同，因此它們的頻率特性也不同。由于光敏電阻的時(shí)延比較大比較大所以它不能在要求快速呼應(yīng)的場(chǎng)所。所以它不能在要求快速呼應(yīng)的場(chǎng)所。某型號(hào)光敏電阻的光電特性某型號(hào)光敏電阻的光電特性前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作 將光敏二極管的將光敏二極管的PN 結(jié)設(shè)結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量添加空穴對(duì)數(shù)量添加，光電流與照度成正比。，光電流與照度成正比。 光敏二極管光敏二極管知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作光敏二極管

33、外形光敏二極管外形 知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作光敏三極管也是基于內(nèi)光電效應(yīng)光敏三極管也是基于內(nèi)光電效應(yīng)制成的光敏元件。光敏三極管構(gòu)造與制成的光敏元件。光敏三極管構(gòu)造與普通三極管不同，通常只需兩個(gè)普通三極管不同，通常只需兩個(gè)PN結(jié)，但只需正負(fù)結(jié)，但只需正負(fù)C、 E兩個(gè)引腳兩個(gè)引腳。它的外形與光敏二極管類似，從外。它的外形與光敏二極管類似，從外觀上很難區(qū)別。觀上很難區(qū)別。光敏三極管光敏三極管知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作a) 內(nèi)部組成內(nèi)部組成 b)管芯構(gòu)造管芯構(gòu)造 c構(gòu)造簡(jiǎn)化圖構(gòu)造簡(jiǎn)化圖 1集電極引腳集電極引腳 2管芯

34、管芯 3外殼外殼 4玻璃聚光鏡玻璃聚光鏡 5發(fā)射極引腳發(fā)射極引腳 6N+ 襯底襯底 7N型集電區(qū)型集電區(qū) 8SiO2維護(hù)圈維護(hù)圈 9集電結(jié)集電結(jié) 10P型基區(qū)型基區(qū) 11N型發(fā)射區(qū)型發(fā)射區(qū) 12發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié) 光敏三極管內(nèi)部構(gòu)造光敏三極管內(nèi)部構(gòu)造 知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作知識(shí)拓展知識(shí)拓展光譜特性光譜特性 ：光敏三極管對(duì)于不同波長(zhǎng)的入射光，其相對(duì)靈敏度：光敏三極管對(duì)于不同波長(zhǎng)的入射光，其相對(duì)靈敏度Kr是不同的。是不同的。 伏安特性：光敏三極管在不同照度伏安特性：光敏三極管在不同照度Ee下的伏安特性與普通三極管在不同的基極電下的伏安特性與普通三極管在不同的

35、基極電流時(shí)的輸出特性一樣，只需將入射光在發(fā)射極與基極之間的流時(shí)的輸出特性一樣，只需將入射光在發(fā)射極與基極之間的PN結(jié)附近所產(chǎn)生的光結(jié)附近所產(chǎn)生的光電流看做基極電流，就可將光敏三極管看做是普通的三極管。電流看做基極電流，就可將光敏三極管看做是普通的三極管。 光電特性：如圖光電特性：如圖3.36所示為光敏晶體管的光電特性曲線，其輸出電流所示為光敏晶體管的光電特性曲線，其輸出電流I與照度與照度E之之間的關(guān)系可近似看做是線性關(guān)系。顯然，光敏三極管的靈敏度高于光敏二極管。間的關(guān)系可近似看做是線性關(guān)系。顯然，光敏三極管的靈敏度高于光敏二極管。 光敏三極管的光譜特性曲線圖光敏三極管的光譜特性曲線圖 光敏晶體

36、管的光電特性曲線光敏晶體管的光電特性曲線 前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作1 1光電池的任務(wù)原理光電池的任務(wù)原理在在N N型襯底上制造一薄層型襯底上制造一薄層P P型層作為型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P P型區(qū)型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子空穴對(duì)，空穴對(duì)， 光生電子光生電子空穴對(duì)的的分空穴對(duì)的的分散運(yùn)動(dòng)使電子經(jīng)過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到散運(yùn)動(dòng)使電子經(jīng)過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N N型型區(qū)，空穴留在區(qū)，空穴留在P P區(qū)，所以區(qū)，所以N N區(qū)帶負(fù)電，區(qū)帶負(fù)電，P P區(qū)帶正電。假設(shè)光照是延續(xù)的，經(jīng)短區(qū)帶正電。假設(shè)光照是延續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，暫的時(shí)間，PNPN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。光生電動(dòng)勢(shì)輸出。光電池光電池知識(shí)拓展知識(shí)拓展前往前往學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 測(cè)距儀的制作測(cè)距儀的制作能提供較大電流的大面積