设计实验--光电传感器测转速

第⼀部分产品简介

⼀、DH-SJ2物理设计性实验基本型传感器

实验装置主要由五部分组成：传感器实验台⼀、九孔板接⼝平台、频率振荡器DH-WG2、直流恒压源DH-VC2和处理电路模块。

传感器实验台⼀部分：装有双平⾏振动梁（包括应变⽚上下各2⽚、梁⾃由端的磁钢）、双平⾏梁测微头及⽀架、振动盘（装有磁钢，⽤于固定霍尔传感器的⼆个半圆磁钢、差动变压器的可动芯⼦、电容传感器的动⽚组、磁电传感器的可动芯⼦、压电传感器），具体安装部位参看第三部分结构安装说明。

九孔板接⼝平台部分：九孔板作为开放式和设计性实验的⼀个桥梁（平台）；频率振荡器DH-WG2部分：包括⾳频振荡器和低频振荡器；直流恒压源DH-VC2部分：提供实验时所必须的电源；

处理电路模块部分：电桥模块（提供元件和参考电路，由学⽣⾃⾏搭建）、差动放⼤器、电容放⼤器、电压放⼤器、移相器、相敏检波器、电荷放⼤器、低通滤波器、调零、增益、移相等模块组成。

本套实验仪器的设计思想主要是：①、九孔板接⼝平台可以培养学⽣动⼿、动脑的能⼒，从中建⽴起创新能⼒以适应社会发展的需要；

②、传感器已经成为各个领域的关键部分，为此我们以传感器作为实验的对象，让学⽣了解和掌握传感器的基本知识及其应⽤，为今后的学习、⼯作和⽣活打下扎实的基础。

本套仪器的特点：具有设计性、趣味性、开放性和可扩展性，实验时⼤量重复的接线和调试以及后续的数据处理、分析，可以加深学⽣对实验仪器构造和原理的理解，同时培养学⽣耐⼼仔细的实验习惯和严谨的实验态度。⾮常适合⼤中专院校开展开放性实验室。仪器采⽤了性能⽐较稳定、品质较⾼的敏感器件和较为合理、成熟的电路设计。⼆、主要技术参数、性能及说明（⼀）、传感器实验台⼀部分：

双平⾏振动梁的⾃由端及振动盘装有磁钢，通过测微头或激振线圈接⼊低频振荡器V0可做静态或动态测量。应变梁：应变梁采⽤不锈钢⽚，双梁结构端部有较好的线性位移。传感器：1、差动变压器

量程:≥5mm；直流电阻：5Ω～10Ω；由⼀个初级、⼆个次级线圈绕制⽽成的透明空⼼线圈，铁芯为软磁铁氧体。2、霍尔式传感器

量程: ±≥2mm；直流电阻：激励源端⼝：800Ω～1.5KΩ；输出端⼝：300Ω～500Ω。3、电容式传感器

量程：±≥2mm；由两组定⽚和⼀组动⽚组成的差动变⾯积式电容。4、压阻式压⼒传感器

量程：10Kpa(差压)；供电电压：≤6V；直流电阻：V s+－V s-：5KΩ～5.5KΩ；V o+－V o-：5KΩ～5.5KΩ。5、压电加速度计

PZT-5双压电晶⽚和铜质量块构成；谐振频率：≥10KHz；电荷灵敏度：q≥20pc/g。6、应变式传感器

箔式应变⽚阻值：350Ω；应变系数：2。7、磁电式传感器

Ф0 .21×1000；直流电阻：30Ω～40Ω；由线圈和动铁（永久磁钢）组成；灵敏度：0.5v/ms。8、光电传感器

由⼀只红外发射管与接收管组成。9、⽓敏传感器MQ3

适⽤⽓体：酒精；测量范围：50～2000ppm。10、湿敏电阻

⾼分⼦薄膜电阻型：R H⼏MΩ～⼏KΩ；响应时间：吸湿、脱湿⼩于10秒。湿度系数：0.5R H%/℃；测量范围：10％～95％；⼯作温度：0℃～50℃。11、热释电传感器

远红外式，主要由传感探测元、⼲涉滤光⽚和场效应管匹配器三部分组成。（⼆）、信号处理及变换：

1、电桥模块：提供相关参数的器件，由学⽣根据实验需要⾃⾏搭建。

2、差动放⼤器：通频带0～10kHz可接成同相、反相，差动结构，增益为1～100倍的直流放⼤器。

3、电容变换器：由⾼频振荡，放⼤和双T电桥组成的处理电路。4、电压放⼤器：增益约为7.8倍，同相输⼊，通频带0～10KHz。5、移相器：允许最⼤输⼊电压10V P-P，移相范围≥±20o。

6、相敏检波器：可检波电压频率0～10kHz，允许最⼤输⼊电压10V P-P，由极性反转整形电路与电⼦开关构成的检波电路。7、电荷放⼤器：电容反馈型放⼤器，⽤于放⼤压电传感器的输出信号。8、低通滤波器：由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。（三）、频率振荡器DH-WG2部分：

1、⾳频振荡器：0.4KHz～10KHz输出连续可调，V P-P值20V，180°、0°反相输出，Lv 端最⼤功率输出电流0.5A。2、低频振荡器：1～30Hz输出连续可调，V P-P值20V，最⼤输出电流0.5A。（四）、振动梁、测微头：

双平⾏式悬臂梁⼀副（装有应变⽚与振动盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进⾏压⼒位移与振动实验。

（五）、直流恒压源DH-VC2部分：直流±15V，主要提供给各芯⽚电源；

±2V、±4V、±6V分三档输出，提供给实验时的直流激励源；0～12V：Max 1A作为电机电源或作其它电源。三、附录

附录部分主要包括实验时的结构安装图⽰和各模块的电⽓连接图⽰说明，以及实验中的相关参考信息。

在进⾏实验之前，请认真仔细阅读本讲义及相关注意事项。实验时，请严格按照实验步骤和接线图完成实验内容。由于各模块是完全独⽴的，所以接线⽐较繁琐，请各位同学要认真检查之后，确认接线正确之后，⽅可通电实验，否则，会烧坏芯⽚。设计和思考问题部分，同学可以查阅相关资料或请教⽼师完成所要求的内容。

特别说明：直流恒压源DH-VC2 做实验时，所需要⽤到的地都需要接在⼀起。实验时不要晃动或者摇动实验桌以及相关的仪器设备和线路，以免导致线路接触不良，使实验⽆法正常进⾏。

第⼆部分实验部分

实验2 光电传感器测转速实验【实验⽬的】

了解光电传感器测转速的基本原理及运⽤。【所需模块及仪器设备】

光电式、直流恒压源、⽰波器、差动放⼤器、电压放⼤器、频率计和九孔板接⼝平台。【基本原理】1.光电传感器原理

光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光敏⼆极管是最常见的光传感器。光敏⼆极管的外型与⼀般⼆极管⼀样，只是它的管壳上开有⼀个嵌着玻璃的窗⼝，以便于光线射⼊，为增加受光⾯积，PN结的⾯积做得较⼤，光敏⼆极管⼯作在反向偏置的⼯作状态下，并与负载电阻相串联，当⽆光照时，它与普通⼆极管⼀样，反向电流很⼩（＜µA），称为光敏⼆极管的暗电流；当有光照时，载流⼦被激发，产⽣电⼦-空⽳，称为光电载流⼦。在外电场的作⽤下，光电载流⼦参与导电，形成⽐暗电流⼤得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的⼤⼩与光照强度成正⽐，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化⽽变化的电信号。

图1 光电传感器分类

光敏三极管除了具有光敏⼆极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放⼤的功能。光敏三级管的外型与⼀般三极管相差不⼤，⼀般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗⼝，以便光线射⼊。为增⼤光照，基区⾯积做得很⼤，发射区较⼩，⼊射光主要被基区吸收。⼯作时集电结反偏，发射结正偏。在⽆光照时管⼦流过的电流为暗电流(1)ceo cbo I I β=+（很⼩），⽐⼀般三极管的穿透电流还⼩；当有光照时，激发⼤量的电⼦-空⽳对，使得基极产⽣的电流b I 增⼤，此刻流过管⼦的电流称为光电流，集电极电流(1)c b I I β=+，可见光电三极管要⽐光电⼆极管具有更⾼的灵敏度。

2.光电传感器的应⽤

光电传感器是⼀种⼩型电⼦设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的⽤来检测物体有⽆的光电传感器是⼀种⼩的⾦属圆柱形设备，发射器带⼀个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器电缆将这套装置接到⼀个真空管放⼤器上。在⾦属圆筒内有⼀个⼩的⽩炽灯做为光源。这些⼩⽽坚固的⽩炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。（1）LED （发光⼆极管）

发光⼆极管最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电⽓和电⼦设备上看到这些⼆极管做为指⽰灯来⽤。LED 就是⼀种半导体元件，其电⽓性能与普通⼆极管相同，不同之处在于当给LED 通电流时，它会发光。由于LED 是固态的，所以它能延长传感器的使⽤寿命。 因⽽使⽤LED 的光电传感器能被做得更⼩，且⽐⽩炽灯传感器更可靠。不象⽩炽灯那样，LED 抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外，LED 所发出的光能只相当于同尺⼨⽩炽灯所产⽣光能的⼀部分。（激光⼆极管除外，它与普通LED 的原理相同，但能产⽣⼏倍的光能，并能达到更远的检测距离）。LED 能发射⼈眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或⽩光。（2）经调制的LED 传感器

1970年，⼈们发现LED 还有⼀个⽐寿命长更好的优点，就是它能够以⾮常快的速度来开关，开关速度可达到KHz 。将接收器的放⼤器调制到发射器的调制频率，那么它就只能对以此频率振动的光信号进⾏放⼤。

我们可以将光波的调制⽐喻成⽆线电波的传送和接收。将收⾳机调到某台，就可以忽略其他的⽆线电波信号。 经过调制的LED 发射器就类似于⽆线电波发射器，其接收器就相当于收⾳机。

⼈们常常有⼀个误解：认为由于红外光LED 发出的红外光是看不到的，那么红外光的能量肯定会很强。经过调制的光电传感器的能量的⼤⼩与LED 光波的波长⽆太⼤关系。⼀个LED 发出的光能很少，经过调制才将其变得能量很⾼。⼀个未经调制的传感器只有通过使⽤长焦距镜头的机械屏蔽⼿段，使接收器只能接收到发射器发出的光，才能使其能量变得很⾼。相⽐之下，经过调制的接收器能忽略周围的光，只对⾃⼰的光或具有相同调制频率的光做出响应。

未经调制的传感器⽤来检测周围的光线或红外光的辐射，如刚出炉的红热瓶⼦，在这种应⽤场合如果使⽤其它的传感器，可能会有误动作。如果⼀个⾦属发射出的光⽐周围的光强很多的话，那么它就可以被周围光源接收器可靠检测到。周围光源接收器也可以⽤来检测室外光。但是并不是说经调制的传感器就⼀定不受周围光的⼲扰，当使⽤在强光环境下时就会有问题。例如，未经过调制的光电传感器，当把它直接指向阳光时，它能正常动作。我们每个⼈都知道，⽤⼀块有放⼤作⽤的玻璃将阳光聚集在⼀张纸上时，很容易就会把纸点燃。设想将玻璃替换成传感器的镜头，将纸替换成光电三极管，这样我们就很容易理解为什

么将调制的接收器指向阳光时它就不能⼯作了，这是周围光源使其饱和了。

调制的LED改进了光电传感器的设计，增⼤了检测距离，扩展了光束的⾓度，⼈们逐渐接受了这种可靠易于对准的光束。到1980年，⾮调制的光电传感器逐步就退出了历史舞台。

红外光LED是效率最⾼的光束，同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束。但是有些传感器需要⽤来区分颜⾊（如⾊标检测），这就需要⽤可见光源。

在早期，⾊标传感器使⽤⽩炽灯做光源，使⽤光电池接收器，直到后来发明了⾼效的可见光LED。现在，多数的⾊标传感器都是使⽤经调制的各种颜⾊的可见光LED发射器。经调制的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离，这是因为检测距离是⼀个⾮常重要的参数。未经调制的传感器可以⽤来检测⼩的物体或动作⾮常快的物体，这些场合要求的响应速度都⾮常快。但是，现在⾼速的调制传感器也可以提供⾮常快的响应速度，能满⾜⼤多数的检测应⽤。（3）超声波传感器

超声波传感器所发射和接收的声波，其振动频率都超过了⼈⽿所能听到的范围。它是通过计算声波从发射，经被测物反射回到接收器所需要的时间，来判断物体的位置。对于对射式超声波传感器，如果物体挡住了从发射器到接收器的声波，则传感器就会检测到物体。与光电传感器不同，超声波传感器不受被测物透明度和反光率的影响，因此在许多使⽤超声波传感器的场合就不适合使⽤光电传感器来检测。

光电传感器由红外发射⼆极管、红外接收管、达林顿输出管及波形整形组成。发射管发射红外光经电机转页间隙，接收管接收到反射信号，经放⼤，波形整形输出⽅波，再经转换测出其频率。

图2 光电传感器测转速

图3 测转速⽰意图【实验内容与步骤】

1、先将差动放⼤器调零，按图1接线；

图1

2、光电式+、-端分别接⾄直流恒压源0～12V的+、-端；

3、V i+、V i-分别接直流恒压源的+6V和GND,并与±15V处的GND相连；4、调节电压粗调旋钮使电机转动；

5、根据测到的频率及电机上反射⾯的数⽬算出此时的电机转速；即：N＝频率计显⽰值÷6×60 （n/min）6、实验完毕，先关闭直流恒压源电源。【问题】

光电传感器测转速产⽣误差⼤的和稳定性差的原因是什么？主要有哪些因素。【思考】

通过本实验的学习，是否能够实现对家⽤电风扇测速?如果可⾏，如何实现，需要注意哪些问题，请给出⽅案和必要的电路图和⽂字说明。

第三部分结构安装及相关说明

⼀、传感器实验台⼀各部分名称及安装图⽰

1、机箱

2、平⾏梁压块及座

3、激励线圈及螺母4、磁棒5、器件固定孔

6、应变⽚组信号输出端7、激励信号输⼊端8、振动盘

9、振动盘锁紧螺钉 10、垫圈 11、测微头座 12、双平⾏梁 13、⽀杆锁紧螺钉 14、测微头 15、连接板锁紧螺钉 16、⽀杆锁紧螺钉 17、⽀杆 18、连接板 19、应变⽚（中间⼀⽚为备⽤）20、磁棒锁紧螺钉(在隔块后⾯) 21、隔块及固定螺钉

说明：①、在做静态实验需要将测微头装上，做动态实验不需要测微头；

②、使⽤振动盘时，须先卸下振动盘，再装上所需的结构，不要在没有卸下之前，装上其它结构。

差动变压器安装图⽰

说明：差动式连接板与磁电式通⽤。

霍尔实验安装图⽰

注意：调节霍尔⽚与磁场距离时，⼀定要保证磁场与霍尔⽚不能接触固定好磁场使其不能晃动，⽅盒四只脚不需要完全插⼊定位孔中，以⽅便调整位置。

磁电式安装图⽰说明：差动式连接板与磁电式通⽤。

压电实验安装图⽰

⼆、电源及信号源的说明

三、各模块说明及其组合

差动放⼤器组合

电容变换器组合（增益为1K电位器）

电压放⼤器组合（增益为4.7K电位器）

移相器组合