THSRZ-2传感器系统综合实验装置
选配模块实验指导书
实验一 超声波测距实验
一、实验目的
学习超声波测距的方法； 二、实验仪器
超声波传感器实验模块、超声波发射接受器、反射板、直流稳压电源 三、实验原理
超声波是听觉阈值以外的振动，其频率范围10～10Hz，超声波在介质中可产生三种形式的振荡：横波、纵波和表面波，其中横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。超声波测距中采用纵波，使用超声波的频率为40kHz，其在空气中的传播速度近似340m/s。
当超声波传播到两种不同介质的分界面上时，一部分声波被反射，另一部分透射过界面。但若超声波垂直入射界面或者一很小的角度入射时，入射波完全被反射，几乎没有透射过界面的折射波。这里采用脉冲反射法测量距离，因为脉冲反射不涉及共振机理，与被测物体的表面光洁度关系不密切。被测D=CT/2，其中C为声波在空气中的传播速度，T为超声波发射到返回的时间间隔。为了方便处理，发射的超声波被调制成40KHz左右，具有一定间隔的调制脉冲波信号。测距系统框图如下图所示，由图可见，系统由超声波发送、接收、MCU和显示四个部分组成。
图1 超声波测距原理框图
四、实验内容与步骤
1．将超声波发射接收器引出线接至超声波传感器实验模块，并将+15V直流稳压电源接到超声波传感器实验模块；
2．打开实验台电源，将反射板正对超声波发射接收器，并逐渐远离超声波发射接收器。用直板尺测量超声波发射接收器到反射板的距离，从60mm至200mm每隔5mm记录一次超声波传感器实验模块显示的距离值，填入下表 距离(mm) 显示(mm) 五、实验报告
根据所记录实验数据，计算超声波传感器测量距离的相对误差。
76
天煌科技 天煌教仪
4
12
THSRZ-2传感器系统综合实验装置
实验二 扭矩传感器实验
一、实验目的：
了解力矩传感器的特性与应用 二、实验仪器：
扭矩传感器、应变实验模块、直流稳压电源、数显单元
三、实验原理：
在力矩测量中常用到扭转棒，如图为圆截面的扭转棒。当棒端承受力矩Mi时，在棒边面产生的
最大剪切应力为：?max?Mt（/式中 Mt为力矩
r为扭转棒圆半径
J为横截面对圆心的极惯性矩 图1.1 扭矩传感器原理结构图
上式表明，最大剪切力与作用的力矩Mt成正比，将金属箔失应变片贴在垂直于应力方向，组成全桥输出，则可线性的反映出扭矩的变化。 四、实验内容与步骤
1．差动放大器调零。从主控台接入±15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档）。将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V。关闭主控台电源。（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）
2．扭矩传感器的测量横杆装入扭矩传感器，引出线接入应变传感器模块，如图1.2所示；
图1.2 扭矩传感器接线图
77
天煌科技 天煌教仪
Jr， ） THSRZ-2传感器系统综合实验装置
3．扭矩传感器的应变片接成全桥，通过4根引线输出，每个桥臂的阻值均为700Ω，通过万用表测量找出两根引出线之间电阻为700Ω的两组引线，作为全桥的两个对角，接入应变传感器模块中，保持扭矩传感器不动，调节Rw1使Uo2输出为零。
4．将砝码盘挂在测量横杆的第一个刻槽内（5cm处），读取数显表数值，依次往砝码盘内加砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完（扭矩M=F.L=m.g.L从0.01N.M增加到0.1N.M），然后依次从砝码盘内取出砝码，记下实验结果，填入下表； 5．将砝码盘挂在横杆的不同刻槽内，重复步骤4； J(N.M) Uo(mV) 0.0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 五、实验报告
根据所记录实验数据，分别绘制扭矩传感器在不同量程（0.1N.m、0.2N.m 、0.3N.m 、0.4N.m 、0.5N.m ）的M（N.m）-Uo2（V）曲线并计算各自的非线性误差。 六、注意事项
扭矩传感器的量程范围为0～0.5N.m，最大扭矩150%F.S。
78
天煌科技 天煌教仪
THSRZ-2传感器系统综合实验装置
实验三 CCD传感器测径实验
一、实验目的
了解CCD传感器的原理与应用。 二、实验仪器
CCD传感器模块,+15V直流稳压电源，示波器 三、实验原理
CCD图像传感器
电荷耦合器件（Charge Coupled Devices，简称CCD）是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的，由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送的功能，而且集成度高、功耗低，已成为图像数字化处理必不可少的器件。
CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属-氧化物-半导体）电容器组成的阵列，其构造如下图所示。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约1200埃）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极，形成规则的MOS电容阵列。再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。
图1.1 CCD芯片的构造
CCD芯片驱动时序
若衬底是P型，在栅极加正电压，衬底接地，则在SiO2和衬底之间形成一个对电子来说的势阱，这个势阱具有储存电荷的功能。上图中每个光敏元（像素）对应的有三个转移栅电极，光照射到光敏元上，会产生电子-空穴对，入射光强则产生电荷多，弱则产生电荷少，电子被吸入势阱中。无光照的光敏元则无光生电荷。在没有转移时钟前，把光的强弱变成与其成正比例的电荷数量。
通过转移时钟φ1、φ2、φ3实现电荷的转移和输出，φ1、φ2、φ3的时序如图1.2所示，其工作原理是：t1时刻，φ1是高电平，于是在电极1下形成势阱，并将电子吸引在SiO2和衬底交界处，如第N-1个光敏元产生的电子，而φ2、φ3是低电平，形象的可称为垒起势壁；t2时刻，φ1高电平有所下降，φ2变成高电平，φ3仍是低电平，这样电极2下的势阱最深，且和电极1下面势阱交迭，因此存储在电极一下面势阱中的电荷逐渐扩散漂移到电极2下面的势阱区，电极3上的电平无变化，所以仍是高筑势垒，势阱里的电荷不能往电极3下面漂移扩散；t3时刻，φ1变成低电平，φ2变为高电平，φ3仍是低电平，电荷被完全转移到电极2下面的势阱中来；这样便完成了电荷从电极1到电极2的转移。如此继续下去，在最靠近输出端的第N个光敏元所产生的电荷被第一个输出，第N-1个光敏元的电荷被转移到第N个光敏元的势阱区，
79
天煌科技 天煌教仪
THSRZ-2传感器系统综合实验装置
就这样依次不断地向外输出，根据输出信号的先后顺序可辨别电荷是从哪个光敏元产生的，根据输出信号的大小可一判断该光敏元受光强弱。其电荷转移的过程如图1.3所示。
图1.2 图1.3
Ilx511是SONY公司生产的一种高灵敏度、低暗电流、1024像元的内置时钟信号发生器、采样保持电路和放大电路的线阵CCD图像传感器，每个像元宽14um，5V供电，最高输入时钟频率2MHz。CCD传感器的积分时间10mS。该传感器广泛应用于电子付款系统的条形码扫描和光学测量仪器。除了电源，ILX511需要两路时钟脉冲φROG和Φclk，其时序如下图，SHSW为采样保持电路选择。
图1.5 ILX511驱动时序
80
天煌科技 天煌教仪