傳感器技術(shù)應(yīng)用-9

1、2022年9月18日第9章 新型傳感器 本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有：1.光纖傳感器的原理與應(yīng)用；2.紅外線傳感器的原理與應(yīng)用； 3.超聲波傳感器的原理與應(yīng)用； 4.激光傳感器的原理與應(yīng)用； 2022年9月18日9.1 光纖傳感器 光導(dǎo)纖維傳感器(簡稱光纖傳感器)是七十年代迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器。光纖傳感器具有靈敏度高，不受電磁波干擾，傳輸頻帶寬，絕緣性能好，耐水抗腐蝕性好，體積小，柔軟等優(yōu)點。目前已研制出多種光纖傳感器，可用于位移、速度、加速度、液位、壓力、流量、振動、水聲、溫度、電壓、電流；磁場、核輻射等方面的測量。應(yīng)用前景十分廣闊。 2022年9月18日9.1.1 光纖傳感器的基礎(chǔ)知識 9

2、.1.1.1 光纖傳感器的工作原理 圖9.1.1是光纖的結(jié)構(gòu)示意圖。它由導(dǎo)光的芯體玻璃(稱為纖芯)和包層玻璃所組成。2022年9月18日 設(shè)纖芯的折射率為n1，包層的折射率為 (其典型值是n11.461.51，n2 =1.441.50)，且n1 n2。當光線從空氣(折射率為n0)中射入光纖的一個端面，并與其軸線的夾角為0，則在光纖內(nèi)折射成角1的光線B，然后光線B以1 (190-1)角入射到纖芯與包層的交界面上。由于纖芯與包層的折射率不等(即n1n2)，光線B的一部分光被反射，成為反射光D；另一部分光折射成為折射光C。這時入射光線與折射光線應(yīng)滿足 ：2022年9月18日n1sin1 = n2si

3、n2 (9-1-1)由于n1 n2，當1為某值時，可使290，即折射光沿界面?zhèn)鞑ィ爽F(xiàn)象稱為全反射。使290的1角稱為臨界角，以0表示。由式(7-1)可知(因sin21)，其臨界角為 (9-1-2)即 例如：n11.51，n2=1.48，則087.22022年9月18日若繼續(xù)加大入射角1，(即12)，光不再產(chǎn)生折射，而形成了光的全反射，光線被限制在纖芯中傳播。于是式(9-1-2)為 (9-1-3)這就是光纖傳光的基本工作原理。在實際應(yīng)用中，更關(guān)心的是光線以多大角度入射光纖端面時，能使折射光完全在纖芯中傳播，即如圖9.1.1所示中，0角為何值時方能使12。當光線在A點(空氣中，其折射率為n1)入

4、射，則有 (9-1-4)式中190-12022年9月18日 纖芯與包層的折射率差值越大，數(shù)值孔徑就越大，光纖的集光能力越強。以上我們討論光纖的傳光原理時，忽略了光在傳播過程中的各項損耗。實際上入射于光纖中的光，存在有損耗(如費涅耳反射損耗、光吸收損耗、全反射損耗、彎曲損耗等)，其中一部分光在傳播途中就損失了，因此光纖不可能百分之百地將入射光的能量傳播出去。 2022年9月18日9.1.1.2 光纖傳感器的類型 光纖傳感器按其作用一般分為物性型(或稱功能型)和結(jié)構(gòu)型(或稱非功能型)兩大類。 物性型光纖傳感器的光纖不僅起傳光作用，同時又是敏感元件，即是利用被測物理量直接或間接對光纖中傳送光的光強(

5、振幅)、相位、偏振態(tài)、波長等進行調(diào)制而構(gòu)成的一類傳感器。其中有光強調(diào)制型、光相位調(diào)制型、光偏振調(diào)制型等。制造這類傳感器的技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較困難。 2022年9月18日 結(jié)構(gòu)型光纖傳感器中光纖不是敏感元件，只是作為傳光元件。這種傳感器常用數(shù)值孔徑和芯徑較大的光纖。結(jié)構(gòu)型光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠，技術(shù)上易實現(xiàn)，但靈敏度、測量精度一般低于物性型光纖傳感器。 光纖傳感器一般由光源、光纖、光電元件等組成。根據(jù)光纖傳感器的用途和光纖的類型，對光源一般要提出功率和調(diào)制的要求。常用的光源有激光二極管和發(fā)光二極管。激光二極管具有亮度高，易調(diào)制，尺寸小等優(yōu)點。而發(fā)光二極管具有結(jié)構(gòu)簡單和溫度對發(fā)射功率影響

6、小等優(yōu)點。除此之外，還有采用白熾燈等作光源。 2022年9月18日9.1.2 光纖傳感器的應(yīng)用9.1.2.1 物性型的光纖微彎曲式傳感器 光纖微彎傳感器的光功率是維持在光纖內(nèi)部的，這樣可以免除周圍環(huán)境污染的影響，適宜在惡劣環(huán)境中使用。另外還有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)范圍寬、線性度較好，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。9.1.2.2 結(jié)構(gòu)型的傳輸光光纖傳感器 在光纖本身不是敏感元件的結(jié)構(gòu)型光纖傳感器中，主要依據(jù)敏感元件對光強的調(diào)制。該傳感器是通過半導(dǎo)體光吸收片吸收光的能量，對傳輸光的光強進行調(diào)制，如下圖所示。2022年9月18日2022年9月18日9.1.2.3 nxSensor-I型三維激光掃描傳感器 1.工

7、作原理如下圖所示，該傳感器是激光技術(shù)、電子成像和數(shù)字信號處理等學(xué)科的完美結(jié)合。是測量物體表面坐標的同類產(chǎn)品中最為先進的。與其他傳統(tǒng)的激光器件或傳感器不同，nxSensor-I不需在計算機中插入內(nèi)置板卡，而是通過嵌入式的DSP技術(shù)和軟件自動處理圖象并直接實時的產(chǎn)生3D坐標?；赨SB的即插即用的特性使得nxSensor-I可以非常容易的工作在PC和其它系統(tǒng)中。2022年9月18日 三維激光掃描傳感器工作流程 2022年9月18日2性能參數(shù)：傳感器型號：nxSensor-I行程: 170mm完整測量范圍：-70(z) x 60mm(y)(far end) + 50(z) x 30(y)mm (ne

8、ar end)最佳范圍： -30(z) x 45mm(y)(far end) + 30(z) x 35(y)mm (near end)最大采樣點：最大每秒6，400點分辨率： 5 um精確度： up to 25 um工作溫度： 2030 C2022年9月18日9.2 紅外線傳感器 紅外線傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實現(xiàn)自動檢測的傳感器。在物理學(xué)中，我們已經(jīng)知道可見光、不可見光、紅外光及無線電等都是電磁波，它們之間的差別只是波長(或頻率)的不同而已。下面是將各種不同的電磁波按照波長(或頻率)排成如下圖所示的波譜圖，稱之為電磁波譜。 2022年9月18日9.2.1 紅外輻射的產(chǎn)生及其性質(zhì)

9、紅外輻射是由于物體(固體、液體和氣體)內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動及振動而產(chǎn)生的。這類振動過程是物體受熱而引起的，只有在絕對零度(-273.16)時，一切物體的分子才會停止運動。所以在絕對零度時，沒有一種物體會發(fā)射紅外線。紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性質(zhì)，但它的特點是熱效應(yīng)非常大，紅外線在真空中傳播的速度c=3108ms，而在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的吸收和散射作用使它產(chǎn)生衰減。紅外線的衰減遵循如下規(guī)律 （9-2-1）2022年9月18日式中，I為通過厚度為x的介質(zhì)后的通量；I0為射到介質(zhì)時的通量；e為自然對數(shù)的底；K為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。 金屬對紅外輻射衰減非常大，一般金屬

10、材料基本上不能透過紅外線；大多數(shù)的半導(dǎo)體材料及一些塑料能透過紅外線；液體對紅外線的吸收較大，例如厚l(mm)的水對紅外線的透明度很小，當厚度達到lcm時，水對紅外線幾乎完全不透明了；氣體對紅外輻射也有不同程度的吸收，例如大氣(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它對波長為15m，814m之間的紅外線是比較透明的，對其他波長的透明度就差了。而介質(zhì)的不均勻，晶體材料的不純潔，有雜質(zhì)或懸浮小顆粒等，都會引起對紅外輻射的散射。 2022年9月18日9.2.2 紅外線傳感器的類型 能把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器，主要有熱敏型和光電型兩大類。 熱敏型是利用紅外輻射的熱

11、效應(yīng)制成的，其核心是熱敏元件。由于熱敏元件的響應(yīng)時間長，一般在毫秒數(shù)量級以上。另外，在加熱過程中，不管什么波長的紅外線，只要功率相同，其加熱效果也是相同的，假如熱敏元件對各種波長的紅外線都能全部吸收的話，那么熱敏探測器對各種波長基本上都具有相同的響應(yīng)，所以稱其為“無選擇性紅外傳感器”。這類傳感器主要有熱釋電紅外傳感器和紅外線溫度傳感器兩大類。 2022年9月18日 光電型是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，其核心是光電元件。因此它的響應(yīng)時間一般比熱敏型短得多，最短的可達到毫微秒數(shù)量級。此外，要使物體內(nèi)部的電子改變運動狀態(tài)，入射輻射的光子能量必須足夠大，它的頻率必須大于某一值，也就是必須高于截止頻率

12、。由于這類傳感器以光子為單元起作用，只要光子的能量足夠，相同數(shù)目的光子基本上具有相同的效果，因此常常稱其為“光子探測器”。這類傳感器主要有紅外二極管、三極管等。2022年9月18日 1.用于在線溫度監(jiān)測 在鍛造廠里，工件在鍛造之前需要在加熱爐內(nèi)加溫到900 ，其誤差不得超過5 ，否則會影響鍛件的質(zhì)量，所以控制鍛件的溫度是一關(guān)鍵問題。以往的辦法是由工人目測溫度，看到差不多了，把燒紅的鍛件取出放鍛錘之下進行鍛壓。而現(xiàn)在采用紅外輻射測溫計，通過加熱爐口可以直接對準工件的表面，可以測量出工件的溫度，如下圖所示。 9.2.3 紅外線傳感器的應(yīng)用2022年9月18日2022年9月18日 當鍛件加熱到900

13、C時，紅外探測器便輸出電信號，啟動電動機將鍛件從加熱爐中由傳送帶送到鍛錘之下進行鍛壓加工。這樣利用紅外探測器就可以對整個工作過程實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。 市售的HBW-B型紅外測溫儀是非接觸式數(shù)字顯示儀表，它利用被測物的熱輻射來確定物體溫度，測溫范圍600以上。測量距離是根據(jù)被測物目標大小來確定的，被測物目標越大，測量距離越遠。測量誤差小于量程上限的1%。 2022年9月18日 HBW-B型測溫儀由傳感器（探頭）和儀器箱兩部分組成，中間由五芯屏蔽電纜線連接。 紅外感溫器(探頭)是一個典型的紅外測溫傳感器，它的探測元件是硅光電池，工作波段為0.651.1m，感溫器之間具有互換性。 儀器箱(電子信號處理器

14、)具有十分完備的功能，除了輻射系數(shù)修正、線性化處理兩種必備的功能外，它尚有平均值、峰值、軋鋼測溫、超量程報警等八種功能可供用戶選擇采用。 HBW-B型儀表廣泛用于冶金、機械等各種場合和陶瓷、玻璃等各種材料。對響應(yīng)速度快、運動物體、高溫、高壓等不能應(yīng)用接觸式(如熱電偶)測溫儀表的場合尤其有效。2022年9月18日 2.用于防盜報警 利用熱釋電紅外傳感器和模擬聲集成電路制作的電子警犬，具有良好的防盜報警功能 。 （1）工作原理 如下圖所示。2022年9月18日 （2）主要器件 BH1用LHl958型熱釋電紅外傳感器，其外形如下圖所示。菲涅爾透鏡用市售SNS型，也可用CE-024或Q-1A等型號，還

15、可自制。 IC1用BISS0001型傳感信號處理集成電路。IC2用FK-53型模擬狗吠聲集成電路，該集成電路模擬聲逼真，且無需外接功放三極管就能直接驅(qū)動外接揚聲器工作，使用極為方便。2022年9月18日 IC2也可采用H28N型模擬狗吠聲集成電路，它的應(yīng)用電路如下圖所示。其中，外接振蕩電阻R可用來改變發(fā)聲頻率，阻值大時頻率低，可模擬老狗叫聲；阻值小時頻率高，可模擬小狗叫聲。2022年9月18日 VTl用9013型小功率NPN型硅三極管，hFE180。LED用5 mm或3 mm紅色發(fā)光二極管。R1R11用1/8W金屬膜或碳膜電阻。C2、C5、C8、C9用耐壓16 V的普通鋁電解電容器，C1、C3

16、、C4、C6、C7均可用瓷介、滌綸或玻璃釉電容器。B用0.250.5 W、5070 的內(nèi)磁式電動揚聲器。電源用4節(jié)1.5V的5號電池串聯(lián)，或者用9 V疊層電池(6F22型)經(jīng)78L05型集成穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定的5 V電壓作為BH1及ICl的電源。4.5 V電源用3節(jié)5號電池。這兩組電源相互獨立，有利于防止電路產(chǎn)生自激。 2022年9月18日 （3）制作 首先在集成電路實驗插板(如市售的SYB-130型面包板)上對電路進行試驗，再著手設(shè)計印刷電路板，或采用市售通用實驗印刷電路板作元器件布局設(shè)計。 ICl的輸入端(14腳)懸空或接觸不良、Rl接觸不良、R4及R5阻值過大等都會引起電路自激而影響正常工作

17、，找到原因后即可排除故障。BISS0001集成電路不得直接焊在電路板上，必須通過插座接插完成連接。 2022年9月18日 （4）調(diào)試 裝在熱釋電傳感器前面的菲涅爾透鏡或其代用品應(yīng)彎曲成圓柱面，傳感器位于菲涅爾透鏡焦距附近，通過多次探測試驗對比后確定它們之間的最佳相對位置。一般警戒距離可達4 m以上。 （5）應(yīng)用 電子警犬的安裝位置應(yīng)選擇能讓走動的人進人紅外探測器的可靠視場范圍之內(nèi)且不易被發(fā)現(xiàn)之處。根據(jù)實際需要，探測器和揚聲器也可以相距較遠分別安裝。 2022年9月18日9.3 超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性，實現(xiàn)自動檢測的測量元件。聲波是一種機械波。聲的發(fā)生是由于發(fā)聲體的機械振動

18、，引起周圍彈性介質(zhì)中質(zhì)點的振動由近及遠的傳播，這就是聲波。人耳所能聽聞的聲波其頻率在2020000Hz之間，頻率在2020000Hz以外的聲波不能引起聲音的感覺。頻率超過20000Hz的叫做超聲波，頻率低于20Hz的叫做次聲波。超聲波的頻率可以高達911Hz，而次聲波的頻率可以低達9-8Hz。 2022年9月18日 9.3.1 超聲波的發(fā)生 超聲波發(fā)生器將電磁能轉(zhuǎn)換成機械能。其結(jié)構(gòu)分為兩部分，一是產(chǎn)生高頻電流或電壓的電源，二是換能器，它將電磁振蕩變換成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波。 1.壓電式超聲波發(fā)生器 壓電式超聲波發(fā)生器就是利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成的。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷鋯鈦酸

19、鉛等。在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動，而產(chǎn)生超聲波，如右圖所示。2022年9月18日 2.磁致伸縮超聲波發(fā)生器 磁致伸縮效應(yīng)的大小，即伸長縮短的程度，不同的鐵磁物質(zhì)其情況不相同。鎳的磁致伸縮效應(yīng)最大，它在一切磁場中都是縮短的。如果先加一定的直流磁場，再加以交流電時，它可工作在特性最好的區(qū)域。 磁致伸縮超聲波發(fā)生器把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機械尺寸的交替變化，即機械振動，從而產(chǎn)生超聲波。 2022年9月18日 磁致伸縮超聲波發(fā)生器是用厚度為0.10.4mm的鎳片疊加而成的，片間絕緣以減少渦流電流損失。其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等，如下圖所示。磁致伸縮超聲波發(fā)生器的材料，除

20、鎳外，還有鐵鉆釩合金和含鋅、鎳的鐵氧體。磁致伸縮超聲波發(fā)生器只能用在幾萬Hz的頻率范圍以內(nèi)，但功率可達十萬W，聲強可達幾千Wcm2，能耐較高的溫度。 2022年9月18日9.3.2 超聲波的接收 在超聲波技術(shù)中，除了需要能產(chǎn)生一定的頻率和強度的超聲波發(fā)生器以外，還需要能接收超聲波的接收器。一般的超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)而進行工作的。 磁致伸縮超聲波接收器是利用磁致伸縮的逆效應(yīng)而制成的。當超聲波作用到磁致伸縮材料上時，使磁致材料伸縮，引起它的內(nèi)部磁場(即導(dǎo)磁特性)的變化。根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈獲得感應(yīng)電動勢，并將此電動勢送到測量電路及記錄顯示設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)也與發(fā)生器

21、差不多。 2022年9月18日9.3.3 超聲波的傳播特性 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的。設(shè)有某種彈性介質(zhì)及振蕩源，如下圖所示, a圖為橫向振蕩, b圖為縱向振蕩。橫向振蕩只能在固體中產(chǎn)生，而縱向振蕩可在固體、液體和氣體中產(chǎn)生。 2022年9月18日 超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)。對于液體及氣體，其傳播的速度為: 在固體中的傳播速度為: 超聲波的一種傳播特性是在通過兩種不同的介質(zhì)時，產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象，如右圖所示，圖中：2022年9月18日 超聲波的另一種傳播特性是在通過同種介質(zhì)時，隨著傳播距離的增加，其強度因介質(zhì)吸收能量而減弱。設(shè)超聲波

22、進入介質(zhì)時的強度為I0，通過介質(zhì)后的強度為I，如右下圖所示，則有： 對于液體介質(zhì)，超聲波能量的吸收系數(shù)為： 對于固體介質(zhì)，超聲波能量的吸收系數(shù)為：2022年9月18日9.3.4 超聲波在自動檢測中的應(yīng)用 超聲波已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)技術(shù)部門。下面舉幾個例子說明它在檢測技術(shù)中的應(yīng)用。 1.超聲波探傷 對高頻超聲波，由于它的波長短，不易產(chǎn)生繞射，碰到雜質(zhì)或分界面就會有明顯的反射，而且方向性好，能成為射線而定向傳播；在液體、固體中衰減小，穿透本領(lǐng)大。這些特性使得超聲波成為無損探傷方面的重要工具。 2022年9月18日 (1)穿透法探傷 穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的

23、方法。穿透法用兩個探頭，置于工件相對面，一個發(fā)射超聲波，一個接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。其工作原理如下圖所示。在探測中，當工件內(nèi)無缺陷時，接收能量大，儀表指示值大；當工件內(nèi)有缺陷時，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。2022年9月18日 (2) 反射法探傷 是以超聲波在工件中反射情況的不同，來探測缺陷的方法。檢測原理如下圖所示。超聲波以一定的速度向工件內(nèi)部傳播。一部分超聲波遇到缺陷F時反射回來；另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面B，也反射回來。由缺陷及底面反射回來的超聲波被探頭接收時，又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波f、缺陷波F及底波月經(jīng)放大后，在顯示器熒光屏上顯示出來。 2022

24、年9月18日 2.超聲波測液位 超聲波測液位是利用回聲原理進行工作的，如下圖所示。當超聲波探頭向液面發(fā)射短促的超聲脈沖，經(jīng)過時間t后，探頭接收到從液面反射回來的回音脈沖。因此探頭到液面的距離L可由下式求出：2022年9月18日 3.超聲波測厚度 在超聲波測厚技術(shù)中，應(yīng)用較為廣泛的是脈沖回波法，其工作原理如下圖所示。它通過測量超聲波脈沖通過工件所需的時間間隔，然后根據(jù)超聲波脈沖在工件中傳播的速度求出工件的厚度。若傳播速度c，時間間隔t，則試件厚度d可用下式求出：2022年9月18日9.3.5 超聲波測距電路設(shè)計與制作 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距

25、離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。 為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。可以利用超聲波傳感器結(jié)合單片機來設(shè)計三方向（前、左、右）的超聲波測距電路，為機器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境提供一個運動距離信息。 2022年9月18日9.3.5.1 超聲波測距原理 可用時間差測距法進行距離的測量，具體原理是：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波

26、在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：2022年9月18日9.3.5.2 超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計電路原理圖如下:2022年9月18日1、40kHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射 測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號，由單片機執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。 puzel： mov 14h, #12h；超聲波發(fā)射持續(xù)200ms here： cpl p1.0 ；輸出40kHz方波 nop ； nop ； nop ；

27、 djnz 14h，here； ret 2022年9月18日2、超聲波的接收與處理 接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，?jīng)運算放大器IC1A和IC1B兩級放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3，電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號大于25mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信號，送至單片機處理。 2022年9月18日3、計算超聲波傳播時間 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波

28、的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。 2022年9月18日9.3.5.3 超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖（a）（b）(c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。 可用面包板搭建超聲波放大電路，單片機可利用原有實驗箱，只要元件選擇恰當，電路搭建正確，就能獲得良好的測距效果。也可用萬用板

29、錫焊電路，效果更好些。這一電路不僅可用于移動機器人避障，也可用于其它測距系統(tǒng)中。 2022年9月18日2022年9月18日9.4 激光傳感器 激光技術(shù)是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果之一，目前已被成功地應(yīng)用于精密計量、軍事、宇航、醫(yī)學(xué)、生物、氣象等各領(lǐng)域。 激光傳感器雖然具有各種不同的類型，但它們都是將外來的能量(電能、熱能、光能等)轉(zhuǎn)化為一定波長的光，并以光的形式發(fā)射出來。激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應(yīng)的電路所組成的。 2022年9月18日9.4.1 激光的本質(zhì) 原子在得到外界能量后，由低能級向高能級躍遷的過程，叫做原子的激發(fā)。原子處于激發(fā)的時間是非常短的，處于激發(fā)狀態(tài)的原子能夠很

30、快地躍遷到低能級上去，同時輻射出光子，如下圖所示。2022年9月18日 如下圖所示，在一個入射光子影響下，會引起大量原子的受激輻射，它們所發(fā)射的光子在相位、發(fā)射方向、振動方向和頻率上都完全一樣，這一過程也稱為光放大，所以在受激發(fā)射時原子的發(fā)光過程不再是互不相關(guān)的，而是相互聯(lián)系的。 光的放大和吸收過程往往是同時進行的，總的結(jié)果可以是加強或減弱，這取決于這一對矛盾中哪一方處于支配地位。2022年9月18日9.4.2 激光的形成 激光是媒質(zhì)的粒子(原子或分子)受激輻射產(chǎn)生的，但它必須具備下述的條件才能得到。 1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 如下圖所示，要實現(xiàn)光的放大，必須要使N1N2 。這種不平衡狀態(tài)分布叫做粒子數(shù)

31、反轉(zhuǎn)。圖a表示媒質(zhì)中粒子能級的正常分布，圖b表示在外界激發(fā)的條件下形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 2022年9月18日 2.激光器的光振蕩放大 如下圖所示，當工作物質(zhì)產(chǎn)生受激輻射時，受激輻射光在兩反射鏡之間作一定次數(shù)的往返反射，而每次返回時都經(jīng)過建立了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)，這樣使受激輻射一次又一次地加強，這樣幾十次、幾百次的往返，直至能獲得單方向的強度非常集中的激光輸出為止。2022年9月18日 3.激光的輸出 激光光束在激光器的共振腔內(nèi)往返振蕩放大，那么怎樣輸出呢?共振腔內(nèi)反射鏡起著反射光束并使其往返振蕩的作用，從光放大角度看，反射率越高，光損失越小，放大效果越好。在實際設(shè)計中，將一側(cè)反射鏡設(shè)計得盡

32、量使它對激光波長的反射率接近100%，而另一側(cè)反射鏡則稍低一些，比如98%以上。這樣這一端的透鏡將有激光穿透，這一端即為激光的輸出端。 對于輸出端透鏡的反射率要適當選擇，如果反射率太低，雖然透光能力強了，但對腔內(nèi)光束損失太大，就會影響振蕩器放大倍數(shù)，這樣輸出必然減弱。目前最佳反射率一般在給定激光條件下由實驗來確定。 2022年9月18日9.4.3 激光的特點 1. 高方向性 高方向性就是高平行度，即光束的發(fā)散角小。激光束的發(fā)散角已達到幾分甚至可小到。所以通常稱激光是平行光。 2.高亮度 激光在單位面積上集中的能量很高。一臺較高水平的紅寶石脈沖激光器亮度比太陽的發(fā)光亮度高出很多倍。把這種高亮度的

33、激光束會聚后能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫。在這種高溫下，就是最難熔的金屬，在一瞬間也會熔化。 2022年9月18日 3.單色性好 單色光是指譜線寬度很窄的一段光波。用表示波長，表示譜線寬度，則越小，單色性越好。在普通光源中最好的單色光源是氪(Kr86)燈。它的波長是： 4.高相干性 相干性就是指相干波在疊加區(qū)得到穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)。激光是極好的相干光源。 由于激光具有上述特點，因此利用激光可以導(dǎo)向；做成激光干涉儀測量物體表面的平整度、測量長度、速度、轉(zhuǎn)角；切割硬質(zhì)材料等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光的應(yīng)用會更加普遍。 2022年9月18日9.4.4 激光器 激光器的種類很多。按其工作物質(zhì)可以分為氣體、液體、固體、半導(dǎo)體激光器。