实验三红外测距原理实验

物理与电子信息学院——电子信息实验技术光电成像器件实验光电成像器件实验报告实验题目实验三红外测距原理实验日期2016.4.20姓名杨智超组别双2班级13光电子班学号134090340【实验目的】1、掌握红外测距的三角测距原理；2、掌握红外测距仪的光学通路结构；3、学会分析红外测距三角结构中各元件的作用。【实验器材】光电技术创新综合实验平台一台红外测距实验模块1块连接导线若干挡板1块卷尺1把【实验原理】红外测距仪是一种光电传感器，它通过发射红外线并测量红外线被反射回来的时间或相位来计算被测物体和测距模块之间距离，以电压大小的形式输出给主控制器，得出测量距离。1、红外测距结构原理红外测距主要通过三种原理来实现。其中最直接的方法是往返测时法，它通过测量红外线发射到红外线接收的时间间隔t，即可得到测量距离D为：𝐷=𝐶∙𝑡2（式1-1）这种方法快速直接，且距离D与时间t成线性关系，理论上可测出任意范围的距离。但由于光速C很大，时间间隔t将很小，受电子技术及电子器件速度的限制，实际上无法无穷小的测量时间，故该方法仅适合远距离测量（大于1km）。相位测距仪是在往返测距仪的基础上发展出来的。它通过高频调制发射光，利用相位计比较发射信号与接收信号的相位，得到调制光在往返时引起的相移，从而得到往返时间t，求出距离D。这种方法的测量范围在300m--1km，它虽然不需要高速待腻子器件来测量时间，但其测量精度依赖于频率产生电路与差频测量电路，从而造成其电路造价的升高。三角测量原理利用发射光源、测量物体与接收器形成的三角关系，来计算目标物体的距离。该方法简单易行，造价低，测量范围在几厘米到几米之间，适合于近距离测量，主要用于机器人障碍识别、汽车避障等。本实验即采用三角测距法来实现红外测距模块，为学生提供组装、测试、调试红外测距的实验平台，帮助学生牢固的掌握红外测距的基本原理与实现方法。2、三角测距原理校准光束距离DfxLD中心线中心线准直透镜SDP目标物体滤光片滤光片图1红外三角测距结构原理图物理与电子信息学院——电子信息实验技术光电成像器件实验红外三角测距法的结构原理如图1所示，包括校准光束、准直透镜及光电位置检测器PSD元件。校准光束为发射光源，采用红外发射器，并按照一定的角度发射红外光束，当遇到目标物体以后，光束会反射回来，如图1.1所示。反射回来的红外光线被光电位置检测器件PSD检测到以后，会获得一个偏移值x，由三角关系可知，在知道了中心矩LD、凸透镜的焦距f以后，测量出偏移距x，则传感器到物体的距离D即可通过几何关系：/2DDfLx（式1-2）得到：.12DfLDx（式1-3）【实验步骤及注意事项】实验步骤：1、检查实验模块是否断电，在断电情况下进行实验。2、用2#连接导线将“PSD_Vo”端口与数据采集与处理单元中的“A/D”端口相连。3、打开实验模块电源，观察液晶屏是否工作正常，观察液晶屏是否有示数显示。4、将挡板放置在结构件探测前端10cm-80cm范围内，且使挡板与传感器垂直；在10cm-80cm的距离范围内，水平移动挡板距离，观察液晶屏显示的电压数值与距离数据是否变化。5、将挡板放置在垂直放置在传感器10cm处，由近到远水平移动挡板，5cm为间距，记录相应位置的电压V、液晶屏显示距离D。6、重复实验步骤5。7、关闭实验仪电源，拆除实验连线，还原实验平台。实验注意事项：1、实验过程中严禁用导体接触实验仪裸露元器件及其引脚；2、实验模块带电时，严禁插、拔实验连线及可拆卸元件；3、实验过程中，注意电源及信号连线的对应连接，请勿误接。数据处理：1、数据列表，并电压与距离间的变化关系，并画出V-D曲线；2、计算测量距离与实际距离间的相对误差；3、分析产生误差可能的原因。物理与电子信息学院——电子信息实验技术光电成像器件实验【实验结果与数据处理】表1红外测距实验数据记录实际距离10cm15cm20cm25cm30cm35cm40cm45cmV2.2861.5301.3021.0550.8810.8080.7890.634测量距离D(cm)10.217.120.826.731.035.839.846.6相对误差2.00%14.00%4.00%6.80%3.33%2.29%0.50%3.56%实际距离50cm55cm60cm65cm70cm75cm80cmV0.5860.5710.5080.4760.4250.3910.372测量距离D(cm)50.752.658.964.870.876.481.2相对误差1.40%4.36%1.83%0.31%1.14%1.87%1.50%图2V-D曲线产生误差可能的原因：（1）红外光在传播的过程中容易发散，所以随着测量距离的增加，误差会逐渐增大。（2）电路设计的无完美，比如滤波过程也有可能造成红外信号被滤掉，从而造成实验误差。（3）单片机程序如果算法不够精良，也会带来测量上的误差。【实验结论与分析】1、思考红外测距对校准光束的发散角有什么要求，为什么？解：由于红外测距的原理是发射红外信号后，红外接收端又要对反射过来的信号进行接收和测距处理。所以要求误差小，精度高。因此校准光束发散角不能过大，因为如果发散角太大的话，红外光会随着距离的增大而分散的越来越多，造成反射光过少，也就造成了测量距离短，测量精度低的缺陷。2、思考红外测距结构中的滤光片、凸透镜的作用，去掉他们是否可行，为什么？解：滤光片在本测量系统中有相当重要的作用，由于在接收端需要检测出发射信号，所以要求发射光能够保留较好的距离信息，所以为了避免大气中杂散光的影响，加入滤光片是很有必要的。而凸透镜具有汇聚光束的作业，可以将分散的红外光汇聚起来，让探测器检测到光束更集中的红外反射光。所以，红外测距结构中的滤光片、凸透镜可以提高测量进度，保证测量结果的准确性。