实验6 传感器在测距中的应用.doc

实验六：传感器在测距中的应用 实验目的: 1、掌握超声波传感器的工作原理 2、掌握超声波传感器测距原理 3、掌握红外测距的原理 传感器简介 振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。频率在16--2×104 Hz之间, 能为人耳所闻的机械波, 称为声波; 低于16 Hz的机械波, 称为次声波; 高于2×104 Hz的机械波, 称为超声波。当超声波由一种介质入射到另一种介质时, 由于在两种介质中传播速度不同, 在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同, 声波的波型也不同。通常有: （1）纵波——质点振动方向与波的传播方向一致的波 （2）横波——质点振动方向垂直于传播方向的波 （3）表面波——质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播, 表面波随深度增加衰减很快。 为了测量各种状态下的物理量,应多采用纵波。纵波、横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度,气体中声速为344 m/s,液体中声速在900--1900 m/s。 超声波传感器可以分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式超声波传感器最为常用。如图16-1所示为超声波传感器外形。 图16-1 超声波传感器外形（T发射、R接收） 超声波传感器测距原理 由于超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪、物位测量仪等。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。 在本系统中，我们主要应用的是反射式检测方式。即超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波后就立即停止计时。超声波在空气中传播速度为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=340×(t/2，这就是所谓的时间差测距) 图16-2 超声波测距传感器模块 HC-SR04超声波测距模块基本特性如下： 1、典型工作用电压：5V 2、超小静态工作电流：小于 2mA 3、感应角度：不大于 15 度 4、探测距离：2cm-50cm 5、高精度：可达 0.3cm 6、盲区（2cm）超近 模块提供四个引脚接口，分别为：Vcc、 Trig（控制端）、 Echo（接收端）、 Gnd。 利用ELIVS的DIO向控制端发一个 10us 以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出，当有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以利用ELIVS的Counter读取定时器的值,即获得此次测距的时间,即可算出距离。如此不断的周期测，可以实现连续测量。 实验原理图 超声波测距模块实验原理图如图16-3所示。 图16-3 超声波测距模块原理图 实验连线图 超声波测距模块采用用兼容Arduino系统的测距模块，该模块连线简单。模块具有4个引脚，从左至右分别为：Vcc、 Trig（控制端）、 Echo（接收端）、 Gnd。将模块插入Arduino电子积木扩展区，按图16-4所示连线即可。 此处连线应在ctrl0 Gate上 红-+5V 黑-GND 黄-信号线（输出电压量） 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，光束会反射回来，如图1所示。反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩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。 实验步骤 开始实验之前，请完成并确认以下准备工作： （a）启动实验用的计算机主机，成功安装NI ELVISmx 4.4.x软件（LabVIEW+ELVISmx）。 （b）将NI ELVIS工作所需的电源线正确可靠连接，将NI ELVIS与计算机之间用随机USB线可靠连接。 （c）将位于ELVIS面板右上方的Prototyping Boarding Power电源开关关闭，将位于ELVIS主机前方侧面的POWER电源开关打开。 （d）确认ELVIS主机左上角的USB Ready黄灯点亮。 1、参考实验连线图，正确连接实验线路。 2、设置实验设备名称（默认Dev1）、物理通道（默认DIO 0/Counter Gate0），点击程序中的【测量/暂停】按钮，按钮变为黄色，实验程序开始运行。 在传感器正前方摆设障碍物（如：手掌、书本），即可读取程序测量的距离数值。 按照管脚图正确的连接红外测距模块，尽量将红外测距模块安装在超声波模块附近，与超声波模块同一水平线。 利用超声波模块标定红外测距模块，记录