红外测距原理实验
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七、实验思考题
1、思考红外测距对校准光束的发散角有什么要求，为什么？
答：校准光束的发散角不能太大也不能太小，因为发散角太大或太小的话，反射回来的光束不能被光电监测期间PSD检测器件检测到。
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？
答：滤光片的作用是滤光，使检测器PSD接受到的是红外单色光，而凸透镜则起汇聚光线的作用，不能去掉它们，使用它们的目的就是是反射光束打到 ＰＳＤ上时更容易被ＰＳＤ检测到，把它们去了，ＰＳＤ就不易检测到反射光束。
教师评语及评分：
签名：年月日
（式1-2）
得到：
（式1-3）
四、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。
五、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。
实验序号
实验三
实验名称
红外测距原理实验
实验时间
2016-4-20
实验室
同析楼三栋216实验室
一、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
二、实验仪器
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
2.4
2.3
实际距离
50cm
55cm
60cm
65cm
70cm
75cm
80cm
V
52.3
50.3
42.6
39.8
37.5
34.9
31.2
测量距离D(cm)
51.2
58.9
61.3
66.6
69.1
77.8
82.2
相对误差
1.2
3.9
1.3
1.6
0.9
2.8
2.2
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。
三、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：
（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。
六、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；
用MATLAB找点，去除误差较大的点，画V-D曲线如图：
2、计算测量距离与实际距离间的相对误差；（如表1-1）
3、分析产生误差可能的原因。
产生误差的原因有：目标物体不平整；卷尺测距不准，所测距不是实际距离；在整个试验中，目标物体会抖动，造成读数总是在跳动，使读数不准。
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。
表1-1 红外测距实验数据记录
实际距离
10cm
15cm
20cm
25cm
30cm
344.8
119.1
96.8
71.6
63.9
60.5
56.1
测量距离D(cm)
11.4
18.5
21.4
26.7
31.9
36.1
42.4
47.3
相对误差
1.4
3.5
1.4
1.7
1.9
1.1
2、三角测距原理
红外三角测距法的结构原理如图1-1所示，包括校准光束、准直透镜及光电位置检测器PSD元件。
图1-1 红外三角测距结构原理图
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：
1、思考红外测距对校准光束的发散角有什么要求，为什么？
答：校准光束的发散角不能太大也不能太小，因为发散角太大或太小的话，反射回来的光束不能被光电监测期间PSD检测器件检测到。
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？
答：滤光片的作用是滤光，使检测器PSD接受到的是红外单色光，而凸透镜则起汇聚光线的作用，不能去掉它们，使用它们的目的就是是反射光束打到 ＰＳＤ上时更容易被ＰＳＤ检测到，把它们去了，ＰＳＤ就不易检测到反射光束。
教师评语及评分：
签名：年月日
（式1-2）
得到：
（式1-3）
四、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。
五、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。
实验序号
实验三
实验名称
红外测距原理实验
实验时间
2016-4-20
实验室
同析楼三栋216实验室
一、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
二、实验仪器
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
2.4
2.3
实际距离
50cm
55cm
60cm
65cm
70cm
75cm
80cm
V
52.3
50.3
42.6
39.8
37.5
34.9
31.2
测量距离D(cm)
51.2
58.9
61.3
66.6
69.1
77.8
82.2
相对误差
1.2
3.9
1.3
1.6
0.9
2.8
2.2
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。
三、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：
（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。
六、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；
用MATLAB找点，去除误差较大的点，画V-D曲线如图：
2、计算测量距离与实际距离间的相对误差；（如表1-1）
3、分析产生误差可能的原因。
产生误差的原因有：目标物体不平整；卷尺测距不准，所测距不是实际距离；在整个试验中，目标物体会抖动，造成读数总是在跳动，使读数不准。
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。
表1-1 红外测距实验数据记录
实际距离
10cm
15cm
20cm
25cm
30cm
344.8
119.1
96.8
71.6
63.9
60.5
56.1
测量距离D(cm)
11.4
18.5
21.4
26.7
31.9
36.1
42.4
47.3
相对误差
1.4
3.5
1.4
1.7
1.9
1.1
2、三角测距原理
红外三角测距法的结构原理如图1-1所示，包括校准光束、准直透镜及光电位置检测器PSD元件。
图1-1 红外三角测距结构原理图
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：