传感器与智能仪表

这一次,我来到精密仪器系的大楼(据说以前叫做9003大楼),进行本单元的学习。这个单元的主题是传感器和智能仪表,老师先用几个例子,讲解了传感器和智能仪表的理论知识。

首先,是传感器的部分。传感器就是将各种各样的物理量(温度、湿度、光照度或距离等等)转换为电信号的装置,一般有电压输出、电流输出和频率输出。传感器可以分为两个部分,敏感元件直接负责测量,转换元件负责将测量的量转换为电信号。传感器的性能指标分为两种,静态特性和动态特性,其中老师重点讲解了灵敏度,是输出电信号和被测量的比值。灵敏度越大,则当被测量有微小改变时,输出的改变量越大。老师与我们讨论了灵敏度是大好还是小好,一般认为,灵敏度越大越好,但老师提醒我们,灵敏度大的话,同样的输出电压范围,对应更小的被测量范围,灵敏度小的话可以实现更大量程。

然后,老师讲解了三个传感器实例。

超声波传感器。能够利用换能晶片发出超声波,超声波遇到障碍物反射后,利用接收器接收,测量发射和接收的时间间隔,就可以计算出障碍物的距离。此外,超声波还可以用来测厚度、探伤以及避障等。

红外传感器。红外传感器也分为发射和接收两部分,发射器能够发射波长大于760 nm的红外光,接收器能够接收这样的红外光,并产生一些反应,处理器检测到这些反应后可以运行一些程序来控制。通过发出一束红外光,然后检测是否有反射的红外光,就可以检测颜色为白或黑、障碍有或无,从而实现寻迹和避障等功能。

温度传感器。这节课讲的温度传感器是输出电流的温度传感器,配合一个模拟运算电路(包括运算放大器等),可以转换为电压输出,进行进一步利用。温度传感器的应用场景比较常见,限于篇幅,这里不再赘述。

讲解的最后一部分是智能仪表。智能仪表实际上由传感器、单片机和执行机构组成。通过编写不同的单片机程序,可以实现不同的智能仪表。老师指出,事实上,智能仪表的“智能”就体现在“程序”中。

讲解之后,老师带我们观看了几个智能车比赛的视频。这些视频中,比赛的地图都相对复杂,参赛者的智能车都能很快、很好的完成比赛项目,包括寻迹同时测量、停车入库、复杂弯道快速寻迹等,效果都十分震撼。上文提到,这些都是由程序实现,那么写出这些程序的人一定是更厉害的。

本单元还有实际操作的环节。实验是利用超声波传感器测距离,比较它和尺子测量的差异。实验电路为一个方波发生器和一个HC-SR04超声波测距模块,该模块在输入方波的下降沿开始测量,测量后输出一个正脉冲,持续时间即为发射到反射的时间差。实验时,我们使用示波器测量正脉冲的持续时间,然后利用公式计算出距离,再和使用米尺测量出的距离比较。本次实验测量了20 cm~100 cm之间的共8个点。我们小组的实验结果表明,两个距离值之间有大约2 cm的偏移量。

最后,老师还演示了用超声波避障的小车、用红外寻迹的小车以及用红外实现跟随的小车。

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