1、项目六项目六位置检测传感器位置检测传感器项目目标项目目标（1）了解位置检测传感器的主要类型。（2）掌握超声波传感器在测距中的应用。（3）了解红外传感器的结构和工作原理（4）了解红外传感器的主要应用任务一任务一 超声波传感器测量距离超声波传感器测量距离 情景引入 汽车已经成为大多数人出行的交通工具，驾驶过程中，倒车是每一个司机都遇到的操作，在倒车过程中发生的刮蹭事件不计其数，如果能够有一种装置可以检测车到障碍物的距离，那么刮蹭事件将会避免。如图 6-1 所示，汽车倒车距离检测就是起到这样的作用。此外，汽车在公路上行驶，不能超过规定的车速，不然后果不堪设想，马路上安装的汽车测速装置，就是用于检测行
2、驶中的汽车的车速。那么这些装置是通过什么来检测车距和车速的呢？本任务中将主要介绍超声波传感器的工作原理，并利用超声波传感器制作一个测距系统，利用单片机接收超声波传感器传出的信号并对信号进行处理，计算出传感器到障碍物的距离，并通过液晶显示屏显示出来。任务描述任务描述（1）掌握超声波传感器测量距离原理。（2）能够使用超声波传感器组成完整的测距系统。任务目标任务目标相关知识相关知识一、位置检测传感器位置传感器（position sensor）是指能感受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器。根据工作原理的不同，位置传感器分类如表 6-1 所示。二、超声波传感器测量距离有多种方法，本任务中主要介绍超
3、声波传感器测距。1超声波测量距离原理超声波是频率高于 20KHz 的声波，具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面，会产生反射现象。利用这一特性，测量反射波与发射波之间的时间间隔，即可达到测量距离的目的。如图 6-2 所示。2超声波测距方法超声波测距主要有相位检测、声波幅值检测和渡越时间 TOF（time of flight）三种检测方法。相位检测法精度较高，但检测范围有限；声波幅值法易受反射波影响而影响检测精度；渡越时间 TOF 法是最常用的超声波测距方式。TOF 法首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所需时间，将其乘以超声波速就得到 2 倍声源与障碍物的间距，即 2 ct
4、D=。其中，D 为传感器与被测障碍物的间距，c 为声波在介质中的传输速率。在空气中，声波传输速率为c T m/s 0 c 1+273=，其中 T 为绝对温度，c0=331.4m/s。测距精度要求不是很高时，可取 c 为 340m/s。3超声波测距系统的组成（1）超声波传感器的结构超声波传感器分发送器和接收器，发送器将电能转换成机械振动发射超声波，接收器的功能与发送器相反。其实物图如图 6-3（a）所示。它包括 2 个压电晶片和 1 个共振板，如图 6-3（b）所示。当它的两极外加脉冲信号且频率等于压电晶片固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，带动共振板振动产生超声波，此时它就是一个超声波发生器；
5、反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片振荡，将机械能转化成电信号，此时它就成为超声波接收器。（2）超声波测距电路模块图 6-4 是超声波测距模块，由超声波探头和测量电路组成。其基本工作原理是：1）超声波发射端向外发射 8 个 40Khz 的方波，超声波接收端检测是否有信号被遮挡物反射回来。2）当有返回信号，测量电路的单片机输出一个高电平。高电平的持续时间等于超声波从发射返回的时间。3）与遮挡物的测试距离=（高电平时间 声速 340m/s）/24超声波传感器主要性能指标（1）工作频率：指压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出能量
6、最大，灵敏度最高。（2）工作温度：工作温度较低时，可以长时间工作。某些医疗用的超声探头工作温度较高时，需单独加冷却设备。（3）灵敏度：主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。5超声波传感器使用注意事项超声波传感器用一段时间发射超声波束，待发送结束后才能启动接收。设发送波束的时间为 D，则在 D 时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还有余振，该余振经换能器产生电压信号将扰乱系统对返回信号的捕捉，故余振未消失前不能启动系统进行回波接收。此外，超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。这些原因
7、使超声传感器的测量范围有一定限制。任务实施任务实施检查材料清单活动活动1距离检测活动活动2（1）材料清单材料清单请参考课本表-.2操作步骤（1）按照图 6-6 所示连接电路，并接通电源。任务二任务二 红外传感器检测物体并计数红外传感器检测物体并计数 情景引入如图 6-7 所示，可以通过在门口安装红外对管来实现人数的统计，以便控制空间的人数。那么人数统计是怎么实现的呢？本任务中我们使用红外传感器检测物体并计数，用于统计经过某一门口的人数。任务描述任务描述（1）掌握红外传感器的工作原理（2）掌握红外传感器的典型电路搭建任务目标任务目标相关知识相关知识1红外传感器原理红外测距传感器利用红外信号遇到障
8、碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。能够把红外辐射转换成电量变化的装置称为红外传感器。红外传感器中主要应用0.840m 的红外线。人的眼睛能看到的可见光，若按波长排列，依次（从长到短）为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，如图 6-8 所示。由图 6-8 可见，红光的波长范围为 0.62m 0.76m，比红光波长还长的光叫红外线。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。其特点是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境。电路调试简单，若对发射信号进行编码，可实现多路红外遥控功能。红外线传感器
9、测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高、响应快等优点。2红外线传感器组成红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路，如图 6-9 所示。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。3红外线传感器的应用红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如
10、采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。如图 6-10 所示。4红外线计数系统（1）红外线对管传感器红外对管是红外发射二极管和红外接收二极管（或者是光敏接收二极管、红外接收头，见表 6-7）配合在一起使用时的总称。红外线在光谱中波长自0.76 至 400 微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（-273.15）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。红外对管的作用是进行光电转换，在光控、红外线遥控、光探测、光纤通信、光电耦合等方面有广泛的应用。红外线对管传感器的工作原理：如图 6-11 所示，红外线发射管导通后发出红外线，当发射管与接收管之间没有障碍物时，红外接收管能够接收到红外发射管发射的红外线，接收管形成电信号；当两管之间有障碍物时，红外接收管接收不到红外线，不能形成电信号。任务实施任务实施对应课本检查材料清单并搭建电路活动活动1使用计数器计数活动活动2（1）材料清单材料清单请参考课本表-.（2）操作步骤（1）按照图 6-13 所示连接测量电路，并接通电源。
