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| 編輯推薦： |
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1.内容新颖。在内容安排上，将机器人通用平台制作作为一个整体项目，将相关硬件电路制作及调试作为子项目，以模块化的形式展开教学。2.结构合理。在项目结构上，突出应用为本、学以致用，首先就让同学动手实践，完成相应电路的制作与调试，再进一步讲解相关的知识点，*后进行巩固练习。在教学实践中，教学组织方法对教学效果有着直接而重要的影响。传统知识体系枯燥乏味，不利于学生学习。鉴于此，本书引入国际工程教育理念，开展CDIO项目教学实践，项目教学以项目目标为导向，以项目为核心开展教学，这种教学方式打破了教室和实验室的界限，实现了理论教学与实践教学、知识与能力的高度融合。通过做项目，培养学生的创新精神与团队合作意识，使学生通过做项目学会做事，学会合作。
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| 內容簡介： |
机器人技术是一门应用广泛的实用技术，本书系统介绍了机器人通用平台的设计与制作过程。本书由浅入深地介绍了机器人主体结构的组装与调试、机器人驱动电路的组装与调试、机器人传感电路的组装与调试、机器人主控电路的组装与调试、机器人转向电路的组装与调试，构成了机器人完整的系统平台。内容详尽，范例简单实用，使读者能够迅速掌握机器人通用平台的设计和制作方法。
本书可作为应用型本科院校自动化、电气自动化、通信工程、电子信息等本科专业教材或教学参考书，也可供相关专业的工程技术人员参考。
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| 目錄：
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目录
项目导入你好，机器人
一、 项目的提出
一 机器人的发展
二 机器人组成
三 机器人竞赛
二、 项目任务及团队组成
一 项目目标
二 项目指标
三 项目要求
四 项目团队组成
五 团队成果评定方法
六 个人成绩评定方法
三、 项目的构成
四、 实施项目的预备知识
五、 本项目的实施
六、 后续项目
七、 阅读材料
一 机器人的由来
二 全国大学生机器人大赛
三 全国大学生飞思卡尔杯智能车竞赛
子项目1机器人主体结构的组装与调试
一、 项目目标
二、 项目结构
三、 项目实施
一 元器件清单
二 元器件
三 操作步骤
四、 知识拓展
一 直流稳压电源基本原理
二 电机的分类及特点
三 装配工具及使用方法
五、 实操训练
一 直流稳压电源面板的介绍
二 直流稳压电源的使用方法
三 固定5V输出
四 由主路输出0~30V直流电压
五 由从路输出0~30V直流电压
六 电流输出
六、 项目总结
七、 阅读材料
一 直流稳压电源的发展及应用现状
二 工业机器人的发展及应用现状
八、 巩固练习
子项目2机器人驱动电路的组装与调试
一、 项目目标
二、 项目结构
三、 项目实施
一 元器件清单
二 连接图
三 操作步骤
四、 知识拓展
一 常用电机驱动模块
二 数字电压表的工作原理
五、 实操训练
一 万用表前面板介绍
二 直流电压测量
三 交流电压测量
四 直流电流测量
五 交流电流测量
六 电阻测量
七 电容测量
八 频率测量
九 三极管电流放大系数测量
十 二极管测试
十一 通断测试
十二 数据保持
十三 自动断电
六、 项目总结
七、 阅读材料
一 万用表的发展及应用现状
二 测量及其误差
八、 巩固练习
子项目3机器人传感电路的组装与调试
一、 项目目标
二、 项目结构
三、 项目实施
一 元器件清单
二 连接图
三 操作步骤
四、 知识拓展
一 传感器的基本原理
二 常用元件及参数的测量
五、 实操训练
一 电路元件参数的测量
二 电路元件的识别
六、 项目总结
七、 阅读材料
一 传感器的发展及应用现状
二 红外传感器的原理与应用
八、 巩固练习
子项目4机器人主控电路的制作与调试
一、 项目目标
二、 项目结构
三、 项目实施
一 元器件清单
二 连接图
三 操作步骤
四、 知识拓展
一 电子示波器
二 数字存储示波器
三 示波器测量实例
五、 实操训练
一 熟悉示波器的面板及操作界面
二 示波器三大系统的测量
三 垂直系统的通道设置
四 垂直系统的数学运算
五 设置水平系统
六 光标测量
七 简单信号测量
八 观察正弦波信号通过电路产生的延迟和畸变
九 捕捉单次信号
十 减少信号上的随机噪声
六、 项目总结
七、 阅读材料
一 数字示波器的发展及应用现状
二 单片机的发展及应用现状
八、 巩固练习
子项目5机器人转向电路的组装与调试
一、 项目目标
二、 项目结构
三、 项目实施
一 元器件清单
二 连接图
三 操作步骤
四、 知识拓展
一 舵机的基本工作原理
二 信号发生器的基本工作原理
五、 实操训练
一 CA1645型合成函数信号源面板的主要部分
二 产生一定幅度和频率的正弦波
三 产生一定幅度和频率的方波
四 产生一定幅度和频率的三角波
五 产生TTL输出
六 应用举例
六、 项目总结
七、 阅读材料
一 信号发生器
二 交流电
三 用电安全
八、 巩固练习
附录A电阻器、电容器的标称系列值
附录B小电流低电压硅整流二极管
附录C国标半导体集成电路型号命名方法
附录D各部分电路原理图
附录E常用学习网址
附录F部分习题参考答案
参考文献
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| 內容試閱：
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前言
目前大部分院校仍然使用理论性较强的教材，技术应用型人才培养所需的教材却很少。本教材根据高素质技术技能应用型人才的培养目标，以必需、够用为度，精选必需的内容，其余内容引导学生根据兴趣和需要有目的、有针对性地自学。本书是电子测量技术基础教材，以机器人通用平台制作为牵引，介绍了机器人主体结构、机器人驱动电路、机器人传感电路、机器人转向电路、机器人主控电路等相关内容，内容简洁，逻辑关系清晰。基于上述各部分内容，详细讲解了电子测量常用元器件的测量方法、常用电参数的测量方法、常用电子仪器的使用方法，使原本枯燥的测量知识变得生动有趣，充分调动了学生的学习热情。本书力求从可操作性入手，采用项目化教学，侧重对学生动手能力的培养，真正做到项目引领教学，应用技能速成。本书的编写突出了以下特点。（1） 在结构安排上，将机器人通用平台作为一个整体项目，将相关结构和硬件电路作为各个子项目。（2） 在内容选取上，突出应用为本、学以致用，首先让同学动手实践，完成相应电路的制作与调试，再进一步讲解相关的知识点。通过各个子项目的学习，可以提高学生的动手能力及分析问题、解决问题的能力，从课程层面上体现了CDIO项目教学的教育理念，CDIO代表构思Conceive、设计Design、实现Implement和运作Operate，它以产品研发到产品运行的周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。全书共分6大部分，第1部分由沈阳工学院耿欣老师负责编写； 第2部分由沈阳理工大学刘寅生副教授、沈阳工学院商俟平老师负责编写； 第3部分由耿欣、商俊平、张文静负责编写； 第4部分由耿欣、刘寅生、张可菊负责编写； 第5部分由商俊平、刘寅生负责编写； 第6部分由耿欣、商俊平负责编写。全书由耿欣统稿。由于时间仓促，作者水平有限，书中难免存在疏漏和不妥之处，敬请读者批评指正。作者2016年7月
子项目3机器人传感电路的组装与调试
一、 项目目标 掌握红外传感器的使用方法和电路原理； 学会端口状态判断方法； 掌握利用红外传感器检测障碍物的方法。二、 项目结构以红外光电传感器为核心，组装并调试障碍物检测电路，并对相关元器件进行测试，具体实施过程如图3.1所示。三、 项目实施一 元器件清单
元器件清单如表3.1所示。
图3.1项目具体过程图
表3.1元器件清单表
元器件名称型号数量
光电传感器NPN型1直流稳压电源UTP37031
二 连接图检测电路相当于系统的输入通道，是控制器获取外界信息的桥梁和纽带，该电路需要电源电路供电，同时利用显示模块进行显示，检测电路连接如图3.2所示。
图3.2检测电路连接图
三 操作步骤光电传感器模块包含三条引线，下面对具体操作步骤进行描述。1 观察光电传感器模块的结构，电源引脚2个，输出引脚1个，传感器模块结构示意图如图3.3所示。2 给红外传感器供5V电源，即红线接 5V，黑线接地。3 在传感器前放置障碍物，通过示波器观察波形变化，将结果填入表3.2中第1行。障碍物检测示意图如图3.4所示。
图3.3传感器模块结构示意图
图3.4障碍物检测示意图
4 把传感器前障碍物移开，通过示波器观察波形变化，将结果填入表3.2中第2行。
表3.2传感器测试结果表
序号障碍物（有、无）输 出 电 压125 把一个传感器安装在机器人小车的正前方。动脑筋： 将一个传感器安装在小车的正前方，当没有障碍时，小车向前运行； 当遇到障碍时，小车立即停止。请设计一种方案，实现上述功能。
6 把两个传感器安装在机器人小车的前方，左右侧各一个。
动脑筋： 将两个传感器安装在小车正前方的左右两侧，当两个传感器都没有检测到障碍时，小车向前运行； 当左侧传感器遇到障碍时，小车右转； 当右侧传感器遇到障碍时，小车左转； 当两个传感器同时遇到障碍时，小车立即停止。请设计一种方案，实现上述功能。
四、 知识拓展一 传感器的基本原理1. 传感器的定义
国家标准GB7665.87对传感器的定义是： 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的输出信号多为易于处理的电量，如电压、电流、频率等。传感器的组成框图如图3.5所示。
图3.5传感器的组成框图
图3.5中敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件。即被测量通过传感器的敏感元件转换成一个与之有确定关系、更易于转换的非电量。这一非电量通过转换元件被转换成电参量。转换电路的作用是将转换元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。应该指出，有些传感器将敏感元件与转换元件合二为一了。
2. 传感器分类根据某种原理设计的传感器可以同时检测多种物理量，而有时一种物理量又可以用几种传感器测量，传感器有很多种分类方法。但目前对传感器尚无一个统一的分类方法，比较常用的有如下三种。1 按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、湿度、流量等传感器。2 按传感器的工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。3 按传感器输出信号的性质分类，可分为： 输出为开关量1和0或开和关的开关型传感器、输出为模拟型传感器、输出为脉冲或代码的数字型传感器。3. 传感器数学模型传感器检测被测量，应该按照规律输出有用信号，因此，需要研究其输出和输入之间的关系及特性，理论上用数学模型来表示输出和输入之间的关系和特性。传感器可以检测静态量和动态量，由于输入信号的不同，传感器表现出来的关系和特性也不尽相同。在这里将传感器的数学模型分为动态和静态两种，本书只研究静态数学模型。静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量之间的一种函数关系。表示为
y=a0 a1x a2x2 anxn3.1
式中，x输入量；y输出量；a0零输入时的输出，也称零位误差；a1传感器的线性灵敏度，用K表示；a2，，an非线性项系数。根据传感器的数学模型，一般把传感器分为三种。1 理想传感器，静态数学模型表现为y=a1x；2 线性传感器，静态数学模型表现为y=a0 a1x；3 非线性传感器，静态数学模型表现为y=a0 a1x a2x2 anxna2，，an中至少有一个不为零。4. 基本特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间的关系。因为输入量和输出量都和时间无关，它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等，传感器的参数指标决定了传感器的性能以及选用传感器的原则。1 传感器的灵敏度传感器的灵敏度示意图如图3.6所示。灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化对输入量变化的比值。
图3.6传感器的灵敏度示意图
K=yx3.2
式中，K灵敏度；x输入变化量；y输出变化量。
如果传感器的输出和输入之间呈线性关系，则灵敏度K是一个常数，即特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间呈非线性关系，则灵敏度K不是一个常数，灵敏度的量纲是输出量、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mVmm。当传感器的输出量、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性也往往越差。
例3.1某一型号温度传感器，量程为0~300℃，输出信号为直流电压1~5V。当温度T= 150℃时，输出电压Uo= 3.004V。求：① 写出该传感器理想的静态特性方程式；② 该传感器在温度T=150℃时，输出的绝对误差。解： ① 该传感器理想的静态特性是一个线性方程，即
Uo－1T－0=5－1300－03.3
整理上式得
Uo=175T 13.4
将T=150代入式3.4得到该温度点输出的真值为
Uo=175150 1=3V3.5
② 该温度点输出的绝对误差
U=Uo－Uo=3.004－3=0.004V3.6
例3.2已知某一压力传感器的量程为0~10MPa，输出信号为直流电压1~5V。求：① 该压力传感器的静态特性表达式；② 该压力传感器的灵敏度。解： ① 由于压力传感器是一线性检测装置，所以输入输出应符合下列关系：
V－1P－0=5－110－03.7
整理上式得
V=0.4P 13.8
② 对该特性方程式求导得灵敏度：
S=dVdP=0.43.9
图3.7传感器的线性度示意图
2 传感器的线性度线性度是指实际特性曲线近似于理想特性曲线的程度。通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线。拟合直线的选取有多种方法，如将零输出和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线，线性度就是这个近似程度的一个性能指标。传感器的线性度示意图如图3.7所示。
r=LmaxYFS100%3.10
式中，r线性度；Lmax实际曲线和拟合直线之间的最大差值；YFS传感器的量程。
3 传感器的分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。4 传感器的重复性传感器的重复性是在输入量按同一方向进行全量程多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。传感器重复性的示意图如图3.8所示。
图3.8传感器的重复性的示意图
E=max2YFS100%3.11
式中，E重复性；max多次测量曲线之间的最大差值；YFS传感器的量程。5 传感器的迟滞性传感器的迟滞性是指传感器在正向行程输入量增大和反向行程输入量减小期间，特性曲线不一致的程度。传感器的迟滞性示意图如图3.9所示。
图3.9传感器的迟滞性示意图
E=max2YFS100%3.12
式中，E迟滞误差；max正向曲线与反向曲线之间的最大差值；YFS传感器的量程。
6 传感器的漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移分为零点漂移和灵敏度漂移等。漂移还可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移是指环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移。
二 常用元件及参数的测量电路元件如电阻器、电容器、电感器、晶体二极管、晶体三极管和集成电路等是组成电子电路最基本的元件，它们的质量和性能的好坏直接影响电路的性能。电路元件的测量必须保证测试条件与规定的标准工作条件相符合。1. 电阻的测量电阻的作用在电路中多用来进行限流、分压、分流以及阻抗匹配等，是电路中应用最多的元件之一。1 电阻的参数电阻的参数包括标称阻值、额定功率、精度、最高工作温度、最高工作电压，主要参数为标称阻值和额定功率。标称阻值是指电阻上标注的电阻值； 额定功率是指电阻在一定条件下长期连续工作所允许承受的最大功率。① 电阻规格的直标法直标法是将电阻的类别和主要技术参数的数值直接标注在电阻的表面上。② 电阻规格的色环法色环法是将电阻的类别和主要技术参数的数值用颜色标注在电阻的表面上。其中，第1、2色环表示电阻被乘数量值，第3环为倍乘的量值； 它们分别用X、Y、Z表示，则电阻值为
R=10X Y10Z3.13
色环法示意图如图3.10所示。
图3.10色环法示意图
其中各种颜色表示的数值如表3.3所示。
表3.3各种颜色表示的数值
颜色黑棕红橙黄绿蓝紫灰白金银无表示数值012345678910-110-2表示误差%123451020
2 常规测试方法当对电阻值的测量精度要求很高时，可用直流电桥法进行测量，直流电桥测电阻示意图如图3.11所示。
图3.11直流电桥测电阻示意图
其中R1，R2是固定电阻，称为比率臂，比例系数K=R1R2，可通过量程开关进行调节； Rn为标准电阻，称为标准臂； Rx为被测电阻； G为检流计。测量时，接上被测电阻，再接通电源，通过调节K和标准电阻，使电桥平衡，即检流计指示为0，此时，读出K和标准电阻的值，即可求得被测电阻值：
RX=R1R2Rn=KRn3.14
伏安法测量原理有电流表内接和电流表外接两种测量电路。伏安法测电阻示意图如图3.12所示。
图3.12伏安法测电阻示意图
电流表内接法： 内接时，电流表的读数I等于被测电阻Rx中流过的电流Ix，电压表的读数等于被测电阻Rx上的电压与电流表上的电压之和。被测电阻的测值为
R=UI=Ux UAIa=Rx RA=Rx1 RARx
3.15
式中，Rx被测电阻的实际值；RA电流表内阻。动脑筋： 有两块电流表，内阻分别为10和50，采用电流表内接法测量电阻时，选择哪种阻值的表更合适？
电流表外接法： 电流表外接时，电压表的读数U等于被测电阻Rx两端的电压Ux，电流表的读数则是I=Ix IU，此时，被测电阻的测量值为
R=UI=UxIx IURx1-RxRU
3.16
式中，Rx被测电阻的实际值；RU电压表内阻。动脑筋： 有两块电压表，内阻分别为10M和50M，采用电流表外接法测量电阻时，选择哪种阻值的表更合适？用伏安法测电阻，由于电阻接入的方法不同，测量值与实际值有差异。一般地，当1kRx，可采用电流表外接电路。小提示： 非线性电阻的测量光敏、气敏、压敏、热敏电阻器等，它们的阻值随着外界光线的强弱、气体浓度的高低、压力的大小、电压的高低、温度的高低而变化。一般可采用伏安法，即逐点改变电压的大小，然后测量相应的电流，最后作出伏安特性曲线。
2. 电容的测量电容器的作用在电路中多用来滤波、隔直、交流耦合、交流旁路及与电感元件构成振荡电路等，是电路中应用最多的元件之一。
1 电容的参数和标注方法电容器的参数主要有容量、允许误差、额定工作电压、漏电电阻和漏电电流，各参数具体含义如表3.4所示。
表3.4电容的主要参数表
序号参数含义
1容量标注在电容器上的电容量，称作标称电容量2允许误差电容器的实际电容量与标称电容量的允许最大偏差范围，称为允许误差3额定工作电压在规定的温度范围内，电容器能够长期可靠工作的最高电压。分为直流工作电压和交流工作电压4漏电电阻和漏电电流电容器的漏电流越大，绝缘电阻越小。当漏电流较大时，电容器会发热，发热严重时，电容器会因过热而损坏
2 常规测试方法电容的实际等效电路如图3.13a所示。在工作频率较低时，等效电路可简化为如图3.13b所示。
图3.13电容的等效电路
① 谐振法测量电容交流信号源、交流电压表、标准电感和被测电容连成如图3.14所示的并联电路。
图3.14谐振法测电容示意图
② 电容的数字化测量方法一般采用电容电压转换器实现电容的数字化测量，转换器如图3.15所示。
图3.15电容电压转换电路
3. 电感的测量电感线圈在电路中多与电容一起组成滤波电路、谐振电路等。1 主要参数
① 电感量L线圈的电感量L也叫自感系数或自感，是表示线圈产生自感应能力的一个物理量。② 品质因数Q线圈的品质因数Q也叫Q值，是表示线圈品质质量的一个物理量。它是指线圈在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。即
Q=LR=2fLR3.17
2 测量原理和常规测试方法等效电路如图3.16a所示。当C较小，工作频率较低时，分布电容可忽略不计。等效电路简化为如图3.16b所示。
图3.16电感的等效电路
① 谐振法测量电感将交流信号源、交流电压表、标准电容和被测电感连成如图3.17所示的并联电路。
图3.17谐振法测电感示意图
② 电感的数字化测量方法一般采用电感电压转换器实现电感的数字化测量，该转换器如图3.18所示。
图3.18电感电压转换电路
4. 半导体二极管参数的测量二极管的作用： 二极管是整流、检波、限幅、钳位等电路中的主要器件。1 半导体二极管的特性和主要参数二极管最主要的特性是单向导电特性，即二极管正向偏置时导通，反向偏置时截止。二极管的外形如图3.19所示。
图3.19二极管的外形图
二极管的主要参数如表3.5所示。
表3.5二极管的主要参数表
参数含义最大整流电流指管子长期工作时，允许通过的最大正向平均电流反向电流指在一定温度条件下，二极管承受了反向工作电压、又没有反向击穿时，其反向电流值反向最大工作电压指管子运行时允许承受的最大反向电压直流电阻指二极管两端所加的直流电压与流过它的直流电流之比。良好的二极管的正向电阻约为几十到几k； 反向电阻大于几十k到几百k交流电阻二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化量与相应电流变化量之比
2 常规测试方法PN结的单向导电性是进行二极管测量的根本依据。① 模拟式万用表测量二极管正、反向电阻的测量： 通常小功率锗二极管正向电阻值为300~500，硅管为1k或更大。锗管反向电阻为几十k，硅管反向电阻在500k以上大功率二极管的数值要小得多。正反向电阻的差值越大越好。极性的判别： 根据二极管正向电阻小、反向电阻大的特点可判别二极管的极性。管型的判别： 硅二极管的正向压降一般为0.6~0.7V，锗二极管的正向压降一般为0.1~0.3V，通过测量二极管的正向导通电压，就可以判别被测二极管的管型。② 数字式万用表测量二极管实际测量的是二极管的直流压降。测量电路如图3.20所示。
图3.20发光二极管测量电路图
5. 半导体三极管参数的测量半导体三极管是内部含有2个PN结、外部具有3个电极的半导体器件。三极管的外形如图3.21所示。
图3.21三极管的外形图
1 三极管的主要参数① 直流电流放大系数定义为集电极直流电流与基极直流之比。② 交流电流放大系数三极管在有信号输入时，定义为集电极电流的变化量与基极电流的变化量之比。2 常规测试方法① 模拟万用表测量三极管可判断b、c、e，并估测电流放大倍数。② 基极的判定： 利用PN结的单向导电性进行判别。③ 发射极和集电极的判别： 判别发射极和集电极的依据是发射区的杂质浓度比集电区的杂质浓度高，因而三极管正常运用时的值比倒置运用时要大得多。五、实操训练一 电路元件参数的测量1. 电阻的测量
1 将万用表表笔插入对应小孔，黑色表笔插入黑色写有COM的小孔，红色表笔插入红色对应写有欧姆符号的小孔，将旋钮调至欧姆挡，如图3.22所示。
图3.22测电阻时表笔接线及旋钮档位示意图
2 用表笔接触待测电阻两端的导线，左手拇指和食指捏住电阻体，右手以拿筷子的方式拿住两根表笔，笔头搭在电阻两端的导线上，此时屏幕上显示电阻值，待测量结果稳定后，读数即为要测量电阻的阻值，如图3.23所示。
图3.23表笔与电阻接触示意图
2. 电解电容的测量1 将表笔插入对应小孔，黑色表笔插入黑色写有COM的小孔，红色表笔插入红色对应写有电容符号的小孔，将旋钮调至电容挡，如图3.24所示。
图3.24测电容时表笔接线及旋钮档位示意图
2 将红表笔头接触电容长端引脚，黑表笔头接触短端引脚，示数稳定后记录数据，如图3.25所示。
图3.25表笔与电容接触示意图
3. 按键的测量1 将表笔插入对应小孔，黑色表笔插入黑色写有COM的小孔，红色表笔插入红色对应写有蜂鸣符号的小孔，将旋钮调至蜂鸣档，如图3.26所示。
图3.26测按键时表笔接线及旋钮档位示意图
2 将红黑表笔碰触到按键的任意两个引脚，如图3.27所示。
图3.27表笔与按键接触示意图
万用表发出响声说明两个引脚内部导通，反之说明内部不导通。4. 发光二极管的测量1 准备LED灯、直流稳压电源、红黑导线。2 将LED正极长的一端与红色导线连接，红色导线另一端连接到电源 3V端； LED负极短的一端与黑色导线连接，黑色导线另一端连接到电源负极端，如图3.28所示。
图3.28发光二极管接线示意图
3 用数字万用表检测LED两端的电压，将红表笔与黑表笔分别插入正极孔电压与负极孔COM孔。4 将旋钮旋至电压档，用红黑表笔碰触的正负两极。如果电压在1.4-3V之间且发光亮度正常，说明发光正常。如果电压是0V或3V，且不发光，则说明二极管已坏，如图3.29所示。
图3.29发光二极管测试示意图
二 电路元件的识别1. 电阻的识别
1 电阻的定义电阻是最常用最基本的电子元件之一，利用电阻对电能的吸收作用，可使电路中各个元件按需要分配电能，稳定和调节电路的电流和电压。在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻元件的电阻值大小还与温度有关。2 电阻的分类按阻值特性可分为固定电阻、可调电阻、特种电阻敏感电阻；按制造材料可分为碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻、无感电阻、薄膜电阻等；按安装方式可分为插件电阻、贴片电阻；按功能可分为负载电阻、采样电阻、分流电阻、保护电阻等。3 电阻的主要参数标称阻值： 标称在电阻器上的电阻值称为标称值。单位为,k,M，标称值是根据国家制定的标准系列标注的,不是生产者任意标定的，不是所有阻值的电阻器都存在。允许误差： 电阻器的实际阻值对于标称值的最大允许偏差范围称为允许误差。误差代码为F、G、J、K等。常见的误差范围有0.01%、0.05%、0.1%、0.5%、0.25%、1%、2%、5%等。额定功率： 指在规定的环境温度下,假设周围空气不流通,在长期连续工作而不损坏或基本不改变电阻器性能的情况下,电阻器上允许的消耗功率。常见的有116W、18W、14W、12W、1W、2W、5W、10W。4 数码法用三位数字表示元件的标称值。从左至右，前两位表示有效数位，第三位表示10nn=0~8。例如： 471=470105=1M2R2=2.2塑料电阻器的103表示10103=10k。片状电阻多用数码法标示，如512表示5.1k。2. 电容的识别1 电容的定义电容或称电容量是表征电容器容纳电荷本领的物理量。我们把电容器两极板间的电势差增加1V所需的电量，叫做电容器的电容。电容是具有存储电能的元件，具有充放电特性和通交流隔直流的能力。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。2 电容的分类按照功能可分为涤纶电容、云母电容、高频瓷介电容、独石电容、电解电容等；按照安装方式可分为插件电容、贴片电容；按电路中电容的作用可分为耦合电容、滤波电容、退耦电容、高频消振电容、谐振电容、负载电容等。3 电容的主要参数电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。电容的基本单位用法拉F表示。其他单位还有毫法mF、微法F、纳法nF、皮法pF。其中，1F=1000mF，1 mF =1000F，1F =1000nF，1nF=1000pF。4 表示方法容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示，如10F16V，4700F50V字母表示法： 1m=1000F1P2=1.2pF1n=1000pFP33=0.33pF3U3=3.3F三位数字的表示法也称电容量的数码表示法。三位数字的前两位数字为标称容量的有效数字，第三位数字表示有效数字后面零的个数，它们的单位都是pF； 102表示标称容量为1000pF； 221表示标称容量为220pF； 224表示标称容量为22104pF。在这种表示法中有一个特殊情况，就是当第三位数字用9表示时，是用有效数字乘以10-1来表示容量大小。
如： 229表示标称容量为2210-1pF=2.2pF。3. 电感的识别1 电感的定义电感器电感线圈和变压器均是用绝缘导线例如漆包线、纱包线等绕制而成的电磁感应元件。电感的结构： 电感器一般由骨架、绕组、屏蔽罩、封装材料、磁心或铁心等组成。2 电感的分类按工作频率分类可分为高频电感器、中频电感器和低频电感器；按用途分类可分为振荡电感器、校正电感器、显像管偏转电感器、阻流电感器、滤波电感器、隔离电感器、被偿电感器等；按结构分类可分为线绕式电感器和非线绕式电感器，还可分为固定式电感器和可调式电感器。3 电感的主要参数电感器的主要参数有电感量、允许偏差、品质因数、分部电容及额定电流等。允许偏差是指电感器上标称的电感量与实际电感的允许误差值。一般用于振荡或滤波等电路中的电感器要求精度较高，允许偏差为0.2%~0.5%； 而用于耦合、高频阻流等线圈的精度要求不高； 允许偏差为10%~15%。品质因数也称Q值或优值，是衡量电感器质量的主要参数。它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。电感器品质因数的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关。分布电容是指线圈的匝与匝之间、线圈与磁心之间存在的电容。电感器的分布电容越小，其稳定性越好。额定电流是指电感器正常工作时反允许通过的最大电流值。若工作电流超过额定电流，则电感器就会因发热而使性能参数发生改变，甚至还会因过流而烧毁。4 电感的表示法电感量也称自感系数，是表示电感器产生自感应能力的一个物理量。电感器电感量的大小，主要取决于线圈的圈数匝数、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等。通常，线圈圈数越多、绕制的线圈越密集，电感量就越大； 有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大； 磁心导磁率越大的线圈，电感量也越大。电感量的基本单位是亨利简称亨，用字母H表示。常用的单位还有毫亨mH和微亨H，它们之间的关系是： 1H=1000mH，1mH=1000H。4. 二极管的识别1 二极管的定义二极管又称晶体二极管,简称二极管。它是只往一个方向传送电流的电子零件。二极管分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、发光二极管等。2 二极管的分类根据用途分类可分为检波二极管、整流二极管、变容二极管、稳压二极管、发光二极管等；根据特性分类可分为一般用点接触型二极管、高反向耐压点接触型二极管、高反向电阻点接触型二极管；根据构造分类可分为点接触型二极管、平面型二极管等。
3 二极管的主要参数最大电流： 是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。最高反向工作电压： 加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力，该值即是最高反向工作电压。反向电流： 反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。5. 三极管的识别1 三极管的定义三极管全称为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管,是一种电流控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号,也用作无触点开关。2 三极管的分类按材质分可分为硅管、锗管；按结构分可分为NPN、PNP；按功能分可分为开关管、功率管、达林顿管、光敏管等；按功率分可分为小功率管、中功率管、大功率管；按工作频率分可分为低频管、高频管、超频管；按结构工艺分可分为合金管、平面管；按安装方式可分为插件三极管、贴片三极管。3 三极管的特性晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量，这是三极管最基本和最重要的特性。我们将IcIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号表示。电流放大倍数对于某只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化，也会有一定的改变。4 三极管的工作状态截止状态： 当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压时，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，这时三极管失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态。
放大状态： 当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数＝IcIb，这时三极管处于放大状态。饱和导通状态： 当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并且基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。
六、 项目总结本项目为机器人主体结构的组装与调试，按照项目实施、知识拓展、实操训练、项目总结的顺序展开讲解。通过本项目的学习，学生应该掌握如下实践技能和重点知识：1 能利用光电传感器制作一个光电检测电路。2 会进行常用元器件的测量。3 掌握传感器的工作原理和基本特性。以项目小组为单位，进行项目总结汇报，制作PPT，每组派一人进行讲解。七、 阅读材料一 传感器的发展及应用现状1. 传感器的发展历史
传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。输出信号有不同形式，如电压、电流，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。如果把计算机比作大脑，那么传感器则相当于五官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输出量，对系统的质量起决定性作用。自动化程度越高，系统对传感器的要求越高。在今天的信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、处理三部分，即传感技术、通信技术、计算机技术。现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展，已经非常发达，这不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息量提出越来越高的要求，还要求其成本低廉且使用方便。显然传统传感器因功能、特性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。世界许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发，并且已取得极大的突破。2. 传感器的发展方向如今传感器新技术的发展，主要有以下几个方面。1 发现并利用新现象利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单，可用于磁成像技术，有广泛推广价值。抗体和抗原在电极表面上相遇复合时会引起电极电位的变化，利用这一现象可制出免疫传感器。用这种抗体制成的免疫传感器可对某生物体内是否有这种抗原进行检查。如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝炎，诊断既快速又准确。美国加州大学已研制出这类传感器。2 利用新材料传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器； 光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器； 用陶瓷制成压力传感器。高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。高分子电介常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，其有以下特点： 测湿范围宽； 温度范围宽，可达-40℃~ 1500℃； 响应速度快； 尺寸小，可用于小空间测湿。陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷技术、厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量小于0.1%FS，温漂小于0.15%10K，抗过载强,可达量程的数百倍。德国E H公司和美国Kavlio公司的产品处于领先地位。光导纤维的应用是传感材料的重大突破，其最早用于光通信技术。在光通信利用中发现，当温度、压力、电场、磁场等环境条件变化时，会引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变化，测量光波量的变化，就可知道导致这些光波量变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小，利用这些原理可研制出光导纤维传感器。光纤传感器与传统传感器相比有许多特点： 灵敏度高、结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。光纤传感器方面日本处于先进水平，如IdecIzumi公司和Sunx公司。光纤传感器与集成光路技术相结合，加速了光纤传感器技术的发展。3 微机械加工技术半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺，这些都已引入传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制压力传感器等。日本横河公司利用各向导性腐蚀技术进行高精度三维加工，制成全硅谐振式压力传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个谐振梁组成，两个谐振梁的频差对应不同的压力，用频率差的方法测压力，可消除环境温度等因素带来的误差。当环境温度变化时，两个谐振梁频率和幅度变化相同，将两个频率作差后，其相同变化量就能够相互抵消。其测量最高精度可达0.01%FS。美国SMI公司开发了一系列低价位、线性度在0.1%~0.65%范围内的硅微压力传感器，其以硅为材料制成，具有独特的三维结构，轻细微机械加工，和多次蚀刻制成惠斯登电桥于硅膜片上，当硅片上方受力时，其产生变形，电阻产生压阻效应而失去电桥平衡，输出与压力成比例的电信号。这样的硅微传感器是当今传感器发展的前沿技术，其基本特点是敏感元件体积为微米量级，是传统传感器的几十、几百分之一。在工业控制、航空航天、生物医学等方面有重要的应用，如在飞机上利用可减轻飞机重量，减少能源。另一特点是能测量敏感微小被测量，可制成血压压力传感器。中国航空总公司北京测控技术研究所研制的CYJ系列溅谢膜压力传感器是采用离子溅射工艺加工成的金属应变计，它克服了非金属式应变计易受温度影响的缺点，具有高稳定性，适用于各种场合，被测介质范围广，还克服了传统粘贴式带来的精度低、迟滞大、蠕变等缺点，具有精度高、可靠性高、体积小的特点，广泛用于航空、石油、化工、医疗等领域。4 集成传感器集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅是一个简单的传感器，还将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，可降低成本、增加产量。5 智能化传感器智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多优点。① 具有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补偿，因而提高测量精度； 可实现多传感器多参数测量。② 有自诊断和自校准功能，提高可靠性； 测量数据可存取，使用方便。③ 有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。可以把传感器、信号调节电路、单片机集成在一片芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器。美国Honywell公司的ST3000型智能传感器，芯片尺寸才有342mm3，采用半导体工艺，在同一芯片上制成CPU、EPROM、静压、压差、温度等敏感元件。3. 传感器的应用传感器是利用各种物理、化学、生物现象将非电量转换为电量的器件，传感器可以检测自然界所有的非电量，它在社会生活中发挥着不可替代的作用。传感器技术是自动控制技术的核心技术。当今社会的发展，就是信息技术的发展。早在20世纪80年代，美国首先认识到世界已进入传感器时代，日本也将传感器技术列为十大技术之首，我国将传感器技术列为国家八五重点科技攻关项目，建成了传感器技术国家重点实验室、国家传感器工程中心等研究开发基地。传感器产业已被国内外公认为是具有发展前途的高技术产业，以其技术含量高、经济效益好、渗透力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。随着现代科技技术的高速发展，人们生活水平的迅速提高，传感器技术越来越受到重视，它的应用已渗透到国民经济的各个领域。1 在工业生产中的应用在工业生产过程中，必须对温度、压力、流量、液位等参数进行检测，实现对工作状态的监控，诊断生产设备的各种情况，使生产系统处于最佳状态，从而保证产品质量，提高效益。传感器与微机、通信技术的结合，使工业监测实现了自动化。如果没有传感器，现代工业生产自动化程度会大大降低。举例来说，自动化生产线要保证食用油能准确地注入油桶，并能控制一定的重量，装完后能拧好顶盖，然后在合适的位置贴好商标，整个过程都需要通过仪器检测出油桶的位置，注油量、油桶盖的安装位置以及商标粘贴位置，以达到自动化控制的目的。现代化的生产过程大都采用自动计数系统，轻而易举地解决了生产中工件数目繁多、难以计数的问题，光电计数机运用光电传感器，可实现自动计数、缺料报警及剔除不良计数工件的功能。工业用光电计数机实物图如图3.30所示。
图3.30工业用光电计数机实物图
2 在汽车电控系统中的应用随着人们生活水平的提高，汽车已走进千家万户。传感器在汽车中相当于感官和触角，只有它才能采集汽车工作状态的信息，提高自动化程度。汽车传感器主要分布在发动机控制系统、地盘控制系统和车身控制系统中。汽车配备的传感器数量在不断增加。举例来说，仅发动机的燃料喷射系统就需要配备15个传感器，再加上车辆控制系统、车身控制系统以及信息通信系统，一台汽车上的传感器数量甚至会超过150个，就是将汽车称为诸多传感器的集合体也不为过。混合动力车及电动汽车因电动部件增加，传感器的定位就更高。汽车传感器应用示意图如图3.31所示。
图3.31汽车传感器应用示意图
3 在现代医学领域中的应用医学传感器作为拾取生命体征信息的五官，其作用日益显著，并得到广泛应用。在图像处理、临床化学检验、生命体征参数监护、疾病的诊断与治疗方面，使用十分普遍。医学传感器分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。被测量生理参数均为低频或超低频信息，频率分布范围在直流0~300Hz。生理参数的信号微弱，测量范围分布在V~mV数量级。传感器在现代医学中已无处不在。举例来说，医用传感器在医学上的用途主要是检测、监护、控制。检测即测量正常或异常生理参数，如先天性病人手术前须用血压传感器测量心内压力，估计缺陷程度。监护即连续测定某些生理参数是否处于正常范围，以便及时预报，如在ICU病房，对危重病人的体温、脉搏、血压、呼吸、心电等进行连续监护的监护仪。控制即利用检测到的生理参数控制人体的生理过程。例如，用同步呼吸器抢救病人时，要检测病人的呼吸信号，以此来控制呼吸器的动作与人体呼吸同步。家庭医用监护仪示意图如图3.32所示。
图3.32家庭医用监护仪示意图
4 在环境监测方面的应用我们的工作、生活、娱乐等场所都需要一个安全的环境。家庭中对煤气泄漏的及时发现、公共场所对火灾初期情况的及时掌握，对人员疏散、最大限度减少生命及财产损失至关重要。近年来，环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，传感器满足了人们的要求。目前，已有相当一部分传感器应用于环境监测。举例来说，二氧化硫是酸雨形成的主要原因，传统的方法很多，现在将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，可对酸雨、酸雾溶液进行检测，大大简化了检测方法。环境监测站示意图如图3.33所示。
图3.33环境监测站示意图
5 在军事中的应用传感器在军事上的应用极为广泛，可以说无时不用、无处不用，大到飞机、舰船、坦克、火炮等装备系统，小到单兵作战武器，从参战的武器系统到后勤保障，遍及整个作战系统及作战的全过程。传感器在军用电子系统中的运用促进了武器、作战指挥、控制、监视和通信方面的智能化。传感器在远方战场监视系统、防控系统、雷达系统、导弹系统等方面，都有广泛的应用，是提高军事战斗力的重要因素。举例来说，美国航天飞机上的传感器有100多种4000多个； 用于陆军单兵作战的多功能电子设备，包括各类微型电子机械系统传感器，如夜视仪、红外瞄准器等； 有多种微型传感器的机器人坦克、自主式地面车辆已投入使用。红外夜视仪效果图如图3.34所示。
图3.34红外夜视仪效果图
6 在家用电器中的应用随着电子技术的兴起，家用电器正向自动化、智能化的方向发展。自动化和智能化的重心就是研制计算机和各种类型的传感器组成的控制系统。举例来说，一台空调器采用微型计算机控制配合传感器技术，可以实现压缩机的启动、停机、风扇摇头、风门调节、换气等，从而对温度、湿度和空气浊度进行控制。测量空调压缩机转速示意图如图3.35所示。
图3.35测量空调压缩机转速示意图
7 在智能建筑领域中的应用智能建筑是未来建筑的必然趋势，它涵盖自动化、信息化、生态化等多方面的内容，具有微型集成化、高精度、数字化特征的智能传感器将在智能建筑中占据重要位置。举例来说，闭路监控系统、防盗报警系统、楼宇对讲系统、停车场管理系统、小区一卡通系统、红外周界报警系统、电子围栏、巡更系统、考勤门禁系统、电子考场系统、智能门锁等。防盗报警系统示意图如图3.36所示。
图3.36防盗报警系统示意图
二 红外传感器的原理与应用1. 红外光电传感器的原理
红外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。光敏二极管的外形与一般二极管一样，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＜A，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。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。光敏三极管的外形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Iceo=1 Icbo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Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=1 Ib，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，接收器出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作为光源。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作为指示灯来用。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的光电传感器能做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。不同于白炽灯，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，并能到达更远的检测距离。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，开关频率可达到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，如果使用其他的传感器，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，它就能正常动作。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作为光源，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远的检测距离，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位置的。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。4 光纤安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下，可以考虑使用光纤。光纤与传感器配套使用，是无源元件，另外，光纤不受任何电磁信号的干扰，并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一层金属外皮。这层金属外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。光束照在这两种材料的边界处入射角在一定范围内，被全部反射回来。根据光学原理，所有光束都可以由光纤来传输。两条入射光束入射角在接收角以内沿光纤长度方向经多次反射后，从另一端射出。另一条入射角超出接收角范围的入射光，损失在金属外皮内。这个接收角比两倍的最大入射角略大，这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响弯曲半径要大于最小弯曲半径。大多数光纤是可弯曲的，很容易安装在狭小的空间。① 玻璃光纤玻璃光纤由一束非常细直径约50m的玻璃纤维丝组成。典型的光缆由几百根单独的带金属外皮的玻璃光纤组成，光缆外部有一层护套保护。光缆的端部有各种尺寸和外形，并且浇铸了坚固的透明树脂。检测面经过光学打磨，非常平滑。这道精心的打磨工艺能显著提高光纤束之间的光耦合效率。玻璃光纤内的光纤束可以是紧凑布置的，也可以是随意布置的。紧凑布置的玻璃光纤通常用在医疗设备或管道镜上。每一根光纤从一端到另一端都需要精心布置，这样才能在另一端得到非常清晰的图像。由于这种光纤费用非常昂贵，而多数的光纤应用场合并不需要得到一个非常清晰的图像，所以多数的玻璃光纤其光纤束是随意布置的，这种光纤就非常便宜了，当然其所得到的图像也只是一些光。玻璃光纤外部的保护层通常是柔性的不锈钢护套，也有的是PVC或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纤可用于特殊的空间或环境，其检测头做成不同的形状以适用于不同的检测要求。玻璃光纤坚固并且性能可靠，可使用在高温和有化学成分的环境中，它可以传输可见光和红外光。常见的问题就是由于经常弯曲或弯曲半径过小而导致玻璃丝折断，对于这种应用场合，我们推荐使用塑料光纤。② 塑料光纤塑料光纤由单根的光纤束典型光束直径为0.25~1.5mm构成，通常有PVC外皮。它能安装在狭小的空间并且能弯成很小的角度。多数的塑料光纤其检测头都做成探针形或带螺纹的圆柱形，另一端未进行加工以方便客户根据使用将其剪短。邦纳公司的塑料光纤都配有一个光纤刀。不同于玻璃光纤，塑料光纤具有较高的柔性，带防护外皮的塑料光纤适于安装在往复运动的机械结构上。塑料光纤吸收一定波长的光波，包括红外光，因而塑料光纤只能传输可见光。与玻璃光纤相比，塑料光纤易受高温、化学物质和溶剂的影响。对射式和直反式玻璃光纤和塑料光纤既有单根对射式，也有分叉直反式。单根光纤可以将光从发射器传输到检测区域，或从检测区域传输到接收器。分叉式的光纤有两个明显的分支，可分别传输发射光和接收光，使传感器既可以通过一个分支将发射光传输到检测区域，同时又通过另一个分支将反射光传输回接收器。直反式的玻璃光纤，其检测头处的光纤束是随意布置的，其光纤束沿光纤长度方向一根挨一根布置。③ 光纤的特殊应用由于光纤受使用环境影响小，并且抗电磁干扰，因而能用在一些特殊的场合，如适用于真空环境下的真空传导光纤VFT和适用于爆炸环境下的光纤。在这两个应用中，特制的光纤安装在特殊的环境中，经一个法兰引出来接到外面的传感器上，光纤和法兰的尺寸多种多样。本安型传感器，如NAMUR型的传感器，可直接用在特殊或有爆炸性危险的环境中。
八、 巩固练习1. 利用光电传感器制作一个检测电路，写出元件清单，并画出电路图。2. 简述传感器的应用领域。3. 简述传感器的发展方向。
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