1、應用電子技術專業國家教學資源庫教 師 課 時 授 課 計 劃 教師姓名 課程名稱 傳感器應用 授課時數 10 累計課時 30 授課日期授課班級課題測距儀的制作教學目標知識目標1、掌握超聲波傳感器的工作原理及應用；2、掌握壓電傳感器的工作原理、測量電路和應用；3、了解光電元件的分類以及工作原理。技能目標1、能利用超聲波傳感器、壓電式傳感器完成相應參數的測量；2、能利用簡單的光敏電阻、光敏三極管等元件，完成光照度的測量和畫出繼電器的控制電路。態度目標1、培養耐心細致的工作態度；2、培養嚴謹扎實的工作作風；3、培養團結協作的合作精神。教學重點超聲波傳感器的工作原理及測量電路教學難點確定合理的實施方案

2、，將位移轉換成電信號教學資源教材、工具書、工藝文獻、一體化實訓臺、各種電工工具教學參考書校本教材作 業用壓光電式傳感器設計測距儀教 學 過 程 設 計教學環節教學內容教學環境、教學方法、資源時間資訊學生根據測距儀制作任務書，分析任務要求；教師講授超聲檢測的物理基礎、超聲波探頭、超聲波檢測技術的應用等基本理論知識，超聲波傳感器的性能測試、測距儀電路組裝及調試等工程應用知識，壓電傳感器、光電傳感器等拓展知識。學生收集超聲波傳感器背景技術資料，測距儀測量、處理、顯示等電路資料。教學環境：實踐理論一體化教室教學方法：講授法、自學法、演示法3計劃與決策各小組討論測距儀制作方案；教師引導小組確定最終測距儀

3、的制作方案。教學環境：一體化實訓臺教學方法：講授法、小組討論法3實施小組成員依照制作方案，分工合作完成測距儀的制作與距離檢測。小組工作法3檢查與評估學生檢查產品功能是否符合要求，并對產品質量進行評估；教師對學生的操作過程及小組的產品質量進行評價。教學環境：實踐理論一體化教室教學方法：交互檢查法、討論法1課后小結通過本學習情景講授，使學生學會應用超聲檢測傳感器，掌握超聲波傳感器選型與性能檢測，電路焊接、組裝、調試，并拓展壓電傳感器、光電傳感器等相關傳感器知識。【學習情境要求】1、 制作一個測距儀，測量范圍為0.1 m 4.5m，分辨力為1cm。2、 利用液晶顯示測量值?！局R準備】一超聲檢測的物

4、理基礎振動在彈性介質內的傳播稱為波動，簡稱波。頻率在2020KHz之間，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波；低于20Hz的機械波，稱為次聲波；高于20KHz的機械波，稱為超聲波，如圖3.1所示。圖3.1聲波的頻率范圍1超聲波的反射和折射當超聲波由一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中的傳播速度不同，在異質界面上會產生反射、折射和波型轉換等現象。由物理學知，當波在界面上產生反射時，入射角的正弦與反射角'的正弦之比等于波速之比。當入射波和反射波的波型相同時，波速相等，入射角即等于反射角'，如圖3.2所示。當波在界面外產生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波在第一介質

5、中的波速才C1與折射波在第二介質中的波速C2之比，即 （3.1）圖3.2超聲波的反射和折射2超聲波的波型及其轉換當聲源在介質中的施力方向與波在介質中的傳播方向不同時，聲波的波型也有所不同。質點振動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。質點振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。質點振動介于縱波和橫波之間，沿著表面傳播，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波，它只在固體的表面傳播。當聲波以某一角度入射到第二介質（固體）的界面上時，除有縱波的反射、折射以外，還會發生橫波的反射和折射，如圖3.3所示。在一定條件下，還能產生表面波。各種波型均符合幾何光學中的

6、反射定律，即 （3.2）式中：入射角； 1、2一縱波與橫波的反射角；如果介質為液體或氣體，則僅有縱波。.圖3.3聲波型轉換圖3聲波的衰減聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射和吸收等因素有關。在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓P和聲強I的衰減規律如下: （3.3） （3.4）二超聲波探頭超聲波探頭是實現聲、電轉換的裝置，又稱超聲換能器或傳感器。這種裝置能發射超聲波和接收超聲回波，并轉換成相應的電信號。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種，其中以壓電式為最常用。如圖3.4所示為壓電式探頭結構圖，其核心部分為壓電晶片，利用壓電

7、效應實現聲、電轉換。圖3.4壓電式超聲探頭結構圖1-壓電片；2-保護膜；3-吸收塊；4-接線：5-導線螺桿；6-絕緣柱；7-接觸座；8-接線片；9-壓電片座三超聲波檢測技術的應用1. 超聲波測厚度 超聲波檢測厚度的方法有共振法、干涉法和脈沖回波法等。如圖3.5所示為脈沖回波法檢測厚度的工作原理。 超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器控制發射電路，使探頭發出的超聲波到達被測物體底面反射回來，該脈沖信號又被探頭接收，經放大器放大加到示波器垂直偏轉板上。標記發生器輸出時間標記脈沖信號，同時加到該垂直偏轉板上。而掃描電壓則加在水平偏轉板上。因此，在示波器上可直接讀出發射與接收超聲波之間的時間間隔to

8、被測物體的厚度h為 （3.5）式中c一超聲波的傳播速度。圖3.5超脈沖回波法檢測厚工作原理圖 我國20世紀60年代初期自行設計了CCH-J-1型表頭式超聲波測厚儀，近期又采用集成電路制成數字式超聲波測厚儀，其體積小到可以握在手中，重量不到1噸，精度可達0.01 mm。 2. 超聲波測液位 在化工、石油和水電等部門，超聲波被廣泛用于油位和水位等的液位測量。如圖3.6所示為脈沖回波式測量液位的工作原理圖。探頭發出的超聲脈沖通過介質到達液面，經液面反射后又被探頭接收。測量發射與接收超聲脈沖的時間間隔和介質中的傳播速度，即可求出探頭與液面之間的距離。根據傳聲方式和使用探頭數量的不同，可以分為單探頭液介

9、式、單探頭氣介式、單探頭固介式和雙探頭液介式等數種。(a)單探頭液介式(b)單探頭氣介式(c)單探頭固介式(d)雙探頭液介式圖3.6脈沖回波式超聲液位測量在生產實踐中，有時只需要知道液面是否升到或降到某個或幾個固定高度，則可采用如圖3.7所示的超聲波定點式液位計，實現定點報警或液面控制。圖3.7(a)、圖3.7(b)為連續波阻抗式液位計的示意圖。由于氣體和液體的聲阻抗差別很大，當探頭發射面分別與氣體或液體接觸時，發射電路中通過的電流也就明顯不同。因此利用一個處于諧振狀態的超聲波探頭，就能通過指示儀表判斷出探頭前是氣體還是液體。圖3.7(c)、圖3.7(d)為連續波透射式液位計示意圖。圖中相對安

10、裝的兩個探頭，一個發射，另一個接收。當發射探頭發生頻率較高的超聲波時，只有在兩個探頭之間有液體時，接收探頭才能接收到透射波。由此可判斷出液面是否達到探頭的高度。圖3.7超聲波定點式液位計3. 超聲波測流量 利用超聲波測流量對被測流體并不產生附加阻力，測量結果不受流體物理和化學性質的影響。超聲波在靜止和流動流體中的傳播速度是不同的，從而可以測量流量。超聲波測流量的工作原理如圖3.8所示。圖中v為流體的平均流速，為超聲波傳播方向與流體流動方向的夾角，A, B為兩個超聲波探頭，L為其間隔距離。圖3.8 超聲波測流體流量的原理圖【超聲波傳感器的性能測試】一測試目的1掌握超聲波測距傳感器學會基本的測試使

11、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中心頻率（或諧振頻率）。二測試器材超聲波傳感器一套、信號發生器一臺、示波器一臺，直尺一把三測試步驟1. 裝置連接（1）調節信號發生器輸出方波信號，其峰峰值可在2V10V范圍調整，頻率可在30K49K范圍內連續可調整，要求通過示波器確認信號幅度及頻率輸出情況。（2）將方波信號輸出端子接到超聲波傳感器發射頭的兩個輸入引腳，將示波器的接地端子和信號端子分別連接超聲波傳感器接收頭的兩個輸出引腳。（3）固定發射頭與接收頭的間距為10cm，并將發射頭對準接收頭，準備測試接收頭接收到的同頻信號電壓。信號發生器示波器發射頭接收頭TR探頭 圖3.9裝置

12、連接圖2測試超聲波傳感器的幅頻特性：（1）調節信號發生器輸出方波信號的峰峰值為10V，本測試要保證輸出幅度恒定的情況下進行。（2）調節方波信號的頻率，使其在30K49K范圍內變化，用示波器觀察超聲波接收頭的輸出信號波形，記下的值。請按照實驗用表3.1設置的頻率數據要求進行測試，總計測試30對數據。注意：要求測試每對數據時，一定要首先用示波器準確調試信號發生器輸出的方波信號后，再驅動發射頭，測試接收頭產生的同頻信號電壓。分析30對記錄數據，繪制輸出f 關系曲線，得出超聲波傳感器幅頻特性結論。并確定其中心頻率。3在中心頻率下測試超聲波傳感器的傳輸特性：（1）調節信號發生器輸出方波的頻率為中心頻率，

13、本測試要求保證在中心頻率下進行測定。（2）調節方波信號的幅度，使其峰峰值在2V12V范圍內變化，設置輸入不同峰峰值的方波信號來驅動發射頭，用示波器觀察超聲波接收頭的輸出信號波形，記下的值，研究驅動信號幅度變化對超聲波傳感器傳輸特性的影響。要求在2V12V范圍內按照實驗用表3.2設置的值測試輸出信號值，總計測試20對數據。注意：要求測試每對數據時，必須先用示波器調試輸出準確幅度、頻率的方波信號后，再驅動發射頭，進而測試接收頭接收到的同頻信號電壓的。分析20對記錄數據，繪制輸出關系曲線，得出超聲波傳感器傳輸特性結論。四測試結果1.超聲波發送傳感器其幅頻特性在諧振頻率 =1/ 2附近幾乎保持恒定。2

14、.超聲波接收傳感器幅頻特性在頻率 附近變化很大.【測距儀電路組裝及調試】一確定系統方案圖3.10系統總體框圖二各單元電路搭建1LPC2138微控制器簡介 LPC2138內嵌512 KB的高速Flash存儲器和32 KB的RAM，具有豐富的外設資源：2個32位定時器(帶捕獲、比較通道)，2個10位8路AD轉換器，1個10位DA轉換器，PWM通道，47路 GPIO，9個邊沿或電平觸發的外部中斷，具有獨立電源和時鐘的RTC，多個串行接口(UART、I2C、SPI、SSP)。它內含向量中斷控制器，可配置中斷優先級和向量地址片內Boot裝載程序可實現在系統應用編程(ISPIAP)，通過片內PLL可實現6

15、0 MHz的CPU操作頻率，具有空閑和掉電2種低功耗模式，并可通過外部中斷喚醒，圖3.11為LPC2138的整體結構圖。圖3.11 LPC2138整體結構圖2超聲波發射電路超聲波發射電路是超聲波發射器T和PWM產生的40 kHz頻率信號、驅動(或激勵)電路等組成。該系統設計采用ARM中的PWM模塊產生高精度的40 kHz的頻率信號，然后通過74HC00等組成的驅動電路，最后將發射信號送到超聲波發射器T。對于放射探頭T，選用發射頻率為40kHz的一種，該類型現在應用較普遍，電路也簡單，只需給發射端40 kHz的脈沖，發射探頭即不斷發送超聲波。具體硬件電路如圖3.12所示。圖3.12超聲波發射電路

16、其中超聲波發射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10F1(T發射)和TCT40-10S1(R接收)，其中心頻率為40 kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距48 cm。若將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據不同測量范圍要求，可適當調整與接收換能器并聯的濾波電容器C4，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。3超聲波接收電路超聲波接收電路由以MC3403為核心的三級濾波放大電路和二極管的倍壓穩流電路等組成。處理好的回波信號被送到ARM的AD轉換模塊進行AD采樣，從而觸發得到返回的時間。德州儀器公司的MC3403的具體引腳配置如圖3.13所示。超聲波接收電路如圖3.

17、14所示。圖3.13 MC3403引腳配置圖3.14 超聲波接收電路4、顯示電路超聲波測距儀450.00CM當前距離：三系統測試表3.1測試數據對比【知識拓展】一壓電傳感器某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內部會產生極化現象，同時在其表面上產生電荷；當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變，這種現象稱為壓電效應。在電介質的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產生機械振動。當去掉外加電場時，電介質變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應（電致伸縮效應）。音樂賀卡中的壓電片就是利用逆壓電效應而發聲的。1壓電材料（1）壓電晶體 石英晶體 水溶性壓電晶體（

18、2）壓電陶瓷 鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT） 非鉛系列壓電陶瓷 （3）高分子壓電材料 2、壓電式傳感器測量電路（1）壓電元件的等效電路當壓電元件受到沿敏感軸方向的外力作用時就產生電荷，因此壓電元件可以看成是一個電荷發生器，同時它也是一個電容器。因此可以把壓電元件等效為一個電荷源與電容相并聯的電荷等效電路，如圖3.15所示。電容器上的電壓u0、電荷Q與電容Ca三者之間的關系為 （3.6） 在壓電式傳感器中，壓電材料一般不用一片，而常常采用兩片（或是兩片以上）黏結在一起，如圖3.16所示。圖3.15 壓電元件的等效電路 圖3.16 壓電元件的串聯和并聯法在以上兩種連接方式中，串聯接法輸出電壓高，本

19、身電容小，適用于以電壓為輸出信號和測量電路輸入阻抗很高的場合；并聯接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。（2）壓電式傳感器的等效電路圖3.17壓電式傳感器的實際等效電路由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路一定的電流，因此只適用于動態測量。（3）壓電式傳感器的測量電路壓電傳感器的前置放大器有兩個作用。第一是把壓電式傳感器的微弱信號放大；第二是把傳感器的高阻抗輸出變為低阻抗輸

20、出。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，所以前置放大器也有兩種形式，即電壓放大器和電荷放大器。實用中多采用性能穩定的電荷放大器，這里重點以電荷放大器為例加以說明。電荷放大器（電荷電壓轉換器）能將高內阻的電荷源轉換為低內阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷。同時，電荷放大器兼備阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達1010-1012,輸出阻抗小于100。電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容Cf和高增益運算放大器構成，如圖3.20所示。由運算放大器基本特性可求出電荷放大器的輸出電壓為 （3.7）由于運算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有電流，放大倍數A=104-106

21、,因此(1A)Cf遠大于（CaCcCi），所以CcCi的影響可忽略不計，放大器的輸出電壓近似為 （3.8）由式(3.8)可見，電荷放大器的輸出電壓u0僅與輸入電荷和反饋電容有關，與電纜電容Cc無關，也就是說與電纜的長度等因素的影響很小，這是電荷放大器的最大特點。內部包括電荷放大器的便攜式測振儀，外形如圖3.18所示。圖3.18 電荷放大等效電路二光電傳感器用光照射某一物體，可以看到物體受到一連串能量為E的光子的轟擊，組成這種物體的材料吸收光子能量而發生相應電效應的物理現象稱為光電效應。通常把光線照射到物體表面后產生的光電效應分為三類。（1）外光電效應（2）內光電效應（3）光生伏特效應1光電器件

22、（1）光電管光電管的外形、結構如圖3.19所示，它由一個陰極和一個陽極構成，并密封在一支真空璃管內。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管中央；陰極裝在玻璃管內壁上并涂有光電發射材料。光電管的特性主要取決于光電管陰極材料。目前紫外光電管在工業檢測中多用于紫外線測量、火焰監測等，可見光較難引起光電子的發射。 圖3.19 光電管的外形、結構 圖3.20光電管的結構圖、原理圖當光照射在陰極上時，陰極發射出光電子，被具有一定電位的中央陽極所吸引，在光電管內形成空間電子流。在外電場作用下將形成電流I，稱為光電流。光電流的大小與光電子數成正比，而光電子數又與光照度成正比。 伏安特性在一定的光照下，對

23、光電管陰極所加的電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。圖3.21光電管的伏安特性 光照特性 當光電管的陰極與陽極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關系稱為光照特性，如圖3.22所示。其中，曲線1是氧艷陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量呈線性關系；曲線2是銻艷陰極光電管的光照特性，呈非線性關系。圖3.22光電管的光照特性 光譜特性 光電管的光譜特性通常指陽極與陰極之間所加電壓不變時，入射光的波長（或頻率）與其相對靈敏度之間的關系。它主要取決于陰極材料（2）光敏電阻 光敏電阻是由具有內光電效應的光導材料制成的，為純電阻器件，如圖3.23所示。敏電阻具有很高的靈敏度，光譜響

24、應的范圍寬、體積小、重量輕、性能穩定、機械強度高、壽命長、價格低，被廣泛應用于自動檢測系統中。 光敏電阻的材料一般由金屬的硫化物、硒化物、蹄化物等半導體組成，由于所用材料和工藝不同，它們的光電性能也相差很大。 圖3.23光敏電阻 光電流 光敏電阻在室溫或全暗條件下測得的阻值稱為暗電阻（暗阻），通常超過1 M,此時流過光敏電阻的電流稱為暗電流。光敏電阻在受光照射時的阻值稱為亮電阻（亮阻），一般幾千歐以下，此時流過光敏電阻的電流稱為亮電流。 光照特性 在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量的關系曲線，稱為光敏電阻的光照特性，如圖3.24所示。光通量是光源在單位時間內發出的光量總和，單位是流明(

25、Im)。 圖3.24光敏電阻的光照特性曲線 不同的光敏電阻的光照特性是不同的，但多數情況下曲線是非線性的，所以光敏電阻不宜作定量檢測元件，而常在自動控制中用做光電開關。 光電特性 在光敏電阻兩極電壓固定不變時，光照度與電阻及電流間的關系稱為光電特性，如圖3.25所示。照度是光源照射在被照物體單位面積上的光通量，即E=d/dA，單位是勒克斯（lx）。當光照大于100 lx時，它的光電特性非線性就十分嚴重了。圖3.25 某型號光敏電阻的光電特性 時延特性當光敏電阻受到光照射時，光電流要經過一段時間才能達到穩態值，而在停止光照后，光電流也經過一定時間恢復暗電流值，這是光敏電阻的時延特性。不同光敏電阻

26、的時延特性不同，因此它們的頻率特性也不同。由于光敏電阻的時延比較大，所以它不能在要求快速響應的場合。（3）光敏晶體管 光敏二極管光敏二極管是基于內光電效應的原理制成的光敏元件。光敏二極管的結構與一般二極管類似，它的PN結裝在透明管殼的頂部，可以直接受到光照射，如圖3.26所示。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態，其符號與接線方法如圖3.27所示。光敏二極管在沒有光照射時反向電阻很大，暗電流很??；當有光照射時，在PN結附近產生光生電子一空穴對，在內電場作用下定向運動形成光電流，且隨著光照度的增強，光電流越大。所以，光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態；受光照射時處于導通狀態。它主要用于光控

27、開關電路和光耦合器中。 圖3.26常見的光敏二極管圖3.27光敏二極管 光敏二極管的檢測方法。當有光照射在光敏二極管上時，光敏二極管與普通二極管一樣，有較小的正向電阻和較大的反向電阻；當無光照射時，光敏二極管正向電阻和反向電阻都很大。用歐姆表檢測時，先讓光照射在光敏二極管管芯上，測出其正向電阻，其阻值與光照強度有關，光照越強，正向阻值越??；然后用一塊遮光黑布擋住照射在光敏二極管上的光線，測量其阻值，這時正向電阻應立即變得很大。有光照和無光照下所測得的兩個正向電阻值相差越大越好。 光敏三極管 光敏三極管也是基于內光電效應制成的光敏元件。光敏三極管結構與一般三極管不同，通常只有兩個PN結，但只有正

28、負（C、E）兩個引腳。它的外形與光敏二極管相似，從外觀上很難區別，結構與符號如圖3.28和圖3.29所示。 光線通過透明窗口落在基區及集電結上，使PN結產生光生電子一空穴對，在內電場作用下做定向運動，形成光電流，因此PN結的反向電流大大增加。由于光照射發射結產生的光電流相當于三極管的基極電流，集電極電流是光電流的刀倍。因此光敏三極管比光敏二極管的靈敏度高得多，但光敏三極管的頻率特性比二極管差，暗電流也大。 光譜特性。光敏三極管對于不同波長的入射光，其相對靈敏度Kr是不同的。圖3.28光敏三極管結構示意圖圖3.29光敏三極管符號 b 伏安特性：光敏三極管在不同照度Ee下的伏安特性與一般三極管在不

29、同的基極電流時的輸出特性一樣，只要將入射光在發射極與基極之間的PN結附近所產生的光電流看做基極電流，就可將光敏三極管看做是一般的三極管。 c 光電特性：如圖3.31所示為光敏晶體管的光電特性曲線，其輸出電流I與照度E之間的關系可近似看做是線性關系。顯然，光敏三極管的靈敏度高于光敏二極管。圖3.30光敏三極管的光譜特性曲線圖 圖3.31光敏晶體管的光電特性曲線d 溫度特性：溫度特性是指溫度與暗電流及溫度與輸出電流之間的關系。圖3.32光敏三極管的溫度特性曲線 光敏三極管的檢測方法。用一塊黑布遮住照射光敏三極管的光，選用萬用表的Rk擋，測量其兩引腳引線間的正、反向電阻，若均為無限大時則為光敏三極管；拿走黑布，則萬用表指針向右偏轉到1530 k處，偏轉角越大，說明其靈敏度越高。（4）光電池 在大面積的N型襯底上制造一P型薄層作為光照敏感面，就構成了最簡單的光電池。當光照射在PN結上時，P型區每吸收一個光子就產生一對光生電子一空穴對，它的電場（N區帶正電，P區帶負電）使擴散到PN結附近的電子一空穴對分離，電子通過漂移運動被拉到N型區，空穴留在P區，所以N區帶負電