一種可遠程驅動的傳感器實驗平臺的製作方法

2023-09-11 19:22:15

專利名稱：一種可遠程驅動的傳感器實驗平臺的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可遠程驅動的傳感器實驗平臺，屬於電子與信息領域， 主要應用於傳感器實驗的網絡化、遠程化系統。
背景技術：
傳感器性能的驗證性或測試性實驗平臺，是掌握傳感器相關知識及獲得傳感 器性能的主要工具之一，在眾多高校的工科院系、傳感器研究者以及生產者中普遍存在。圖l、圖2、圖3為現有傳感器實驗平臺的結構示意圖(圖中僅給出了三 種傳感器，根據實際需要，可以使用其它不同傳感器)，其中l為實驗平臺臺身， 2為搡作面板，3為面板上的各旋鈕，4為螺旋測微頭支架，5為螺旋測微頭，6 為懸臂梁，7為懸臂梁支架，8為金屬應變片傳感器，9為霍爾式傳感器的霍爾片， IO為電容式傳感器的動片，ll為連接傳感器的導線，12為電壓表。該平臺的使 用原理為使用者首先根據實驗的要求，依據對應的實驗電路圖，在搡作面板2 上完成所需線路的連接(下文稱為處理電路)；然後調節面板上的旋鈕3，進行調 零操作；再調節螺旋測微頭4，改變懸臂梁7的狀態，進而引起固定於懸臂梁7 上的傳感器8、 9、 IO輸入量的改變，引起傳感器輸入量的改變，則傳感器上獲得 對應的輸出量，該輸出量由導線ll經由處理電路後，在電壓表12上產生對應的 電壓，即為傳感器的輸出數據；最後由使用者根據螺旋測微頭5及電壓表12上的 數據，獲得實驗中需要的傳感器輸入與輸出數據，完成實驗。其中讀取傳感器輸 出數據的環節，又有人工直接讀取和計算機採集兩種方式，前者由使用者直接從 電壓表獲得，而後者是將傳感器輸出的模擬信號接入計算機中數據釆集卡的模擬量輸入端(或是在處理電路中增加A/D環節，出口數據直接接入計算機的串口 )，由使用者在計算機上操作完成數據採集。綜觀現有技術，由於實驗中存在接線、調零搡作、螺旋測微頭5的調節操作， 使得實驗者必須在傳感器實驗平臺旁完成或參與相關的傳感器性能實驗，此現狀存在著1) 平臺裝置數量與實驗者及實驗數量的嚴重不匹配問題傳感器實驗的現有 狀況，受實驗空間的限制，使得眾多的實驗者不可能同時利用一套平臺裝置，即 實際中存在平臺裝置少、實驗數量與實驗者多的問題，若想實現平臺裝置與實驗 者及實驗數量之間的匹配關係，這在高校中幾乎是不可能之事；2) 平臺裝置的大量重複購置以及對擺放空間的大量需求問題傳感器實驗的現狀，必然要求添置平臺裝置，而且是重複性的添置，同時又必然要求擺放的空間能夠匹配，這對於貴重、大型的平臺裝置是不可能之事；3) 實驗平臺的故障率高、維護頻繁眾多人員在有限的空間內，與實驗平臺 近距離接觸，對設備而言，本身就存在一定的安全隱患；實驗過程中存在的手動 調節環節，對眾多人員而言，又極大了增加了誤操作的概率，過搡作、反搡作以 及不必要的同時搡作，是實驗平臺實際運行中經常出現的問題；4) 資源的利用率低、浪費嚴重問題對實驗平臺的非一直佔有性及實驗的間 息性，大量的平臺裝置及擺放空間必將造成資源、人力、物力的嚴重浪費。實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是，克服現有技術存在的缺陷，提供一種可 遠程驅動的傳感器實驗平臺。實驗者利用該平臺進行相關實驗，可以通過遠程調 節的方法實現實驗過程中需要的調節搡作，從而有效解決現有傳感器平臺使用中存在的諸多問題。本實用新型一種可遠程驅動的傳感器實驗平臺，包括實驗平臺臺身、螺旋測 微頭支架、螺旋測微頭、懸臂梁、懸臂梁支架、若干被測傳感器、步進電機、進 電機支架、傳動筒、傳動栓、光電傳感器、處理電路集成板；其特徵是步進電機的輸出軸通過傳動簡和螺旋旋測微頭相連；光電傳感器安裝在懸臂梁的平衡位 置，且監控懸臂梁上端面的位置；處理電路集成板上集成了各被測傳感器(由安 裝於懸臂梁上的傳感器種類決定)的處理電路，並預留了擴展電路區；處理電路 集成板的控制光電傳感器、安裝於懸臂梁上的被測傳感器。通過傳感器實驗平臺，使用者可以利用遠程信號實現傳感器實驗過程中所需 要的動作一一螺旋測微頭5的上下調節，使得實驗平臺的使用者不必在實驗平臺 周圍即可完成傳感器實驗中需要的搡作，與現有的必須在實驗平臺旁進行現場實 驗的現狀完全不同，可以產生以下的有益效果1、 本發明採用微處理器以及A/D轉換電路內置、共用的方式，使得現場部分成本低、性能可靠，其它部分又均為常用配置，使得整個平臺具有成本低的特點；2、 利用本發明，實驗者可以不必圍繞在實驗平臺旁進行傳感器的實驗，從而解決了現有技術中存在的實驗者實驗時受實驗平臺安放現場空間限制的問題；3、 利用本發明進行傳感器實驗時，實驗者不必再與傳感器實驗平臺近距離接觸，從而減少了設備的故障率，降低了設備的維護成本；4、 利用本發明進行傳感器實驗，實驗者操作的遠程化，改善了設備本身的 工作環境，環境的清潔成本、設備的使用壽命均能夠得到改善與提高；5、 本發明在傳感器實驗平臺上實現了遠程驅動，能夠直接代替現場的手工 調節，是一種自動化的實驗平臺，從而增加了實驗平臺的自動化程度，符合當前設備的發展趨勢；6、 可遠程驅動的傳感器實驗平臺，是實現傳感器實驗的網絡化、遠程化的 必要條件，因此，本發明的使用將直接使得網絡化、遠程化的傳感器實驗成為可 能，進而能夠提高設備的利用率。


圖l是現有傳感器實驗平臺結構示意圖(主視圖) 圖2是現有傳感器實驗平臺結構示意圖(右視圖)圖3是現有傳感器實驗平臺結構示意圖(俯視圖)圖4是本實用新型可遠程驅動的傳感器實驗平臺(側視圖)圖5是本實用新型可遠程驅動的傳感器實驗平臺(主視圖)圖6是本實用新型可遠程驅動的傳感器實驗平臺(俯視圖)圖7是處理電路集成板與控制箱間的連接關係及信號流向示意圖圖8為處理電路集成板的控制電路圖圖9為控制盒的控制電路圖以及與光電傳感器、步進電機、背板接頭接口， 還給出了上位機串口的接線圖具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本實用新型作進一步詳細說明。 圖4、 5、 6所示意的是本實用新型可遠程驅動的傳感器實驗平臺。其中l為 實驗平臺臺身，4為螺旋測微頭支架，5為螺旋測微頭，6為懸臂梁，7為懸臂梁 支架。懸臂梁上安裝了三種被測傳感器，分別是金屬應變片傳感器8，霍爾式傳感器(9為霍爾片)，電容式傳感器UO為動片)。ll為連接傳感器的導線，13 為步進電機，14為步進電機支架，15為傳動簡，16為傳動栓，17為光電傳感器, 18為處理電路集成板，19為控制盒，20為背板接頭。其中1、 步進電機釆用工作轉速在100轉/分到小於400轉/分之間、帶細分功 能、扭矩大於l. 5N'm、兩相(或三相)步進電機系統；2、 光電傳感器採用檢測位置精度大於O. 01mm、NPN或PNP型光電傳感器；3、 背板接頭採用四芯接頭；4、 傳動簡依據螺旋測微頭的外徑、上下移動的距離，採用屈服強度大 於200MPa、抗拉強度大於400MPa的金屬(或非金屬)棒材製成內徑大於螺旋測 微頭外徑2mm到4mm、壁厚為3mm到4mm、內筒深度60mm到80mm、外簡長度為84mm 到100mm的圓簡狀傳動筒；5、 傳動栓釆用屈服強度大於275MPa、抗拉強度大於450MPa的金屬(或 非金屬)棒材製成直徑在2mm到5腿之間、長度在10mm到20mm之間的圓柱狀傳動栓；6、 步進電機支架 採用屈服強度大於200MPa、抗拉強度大於400MPa的 金屬(或非金屬)棒材製成厚度為4mm到6mm的U型結構，或採用支柱和墊板組 合的分體結構；7、 螺旋測微頭改造依據傳動栓的尺寸、螺旋測微頭上下移動的極限位 置、傳動栓與螺旋測微頭緊配合以及螺旋測微頭的本身結構，確定螺旋測微頭上 所開孔的直徑、深度、軸向的位置，對螺旋測微頭進行改造。8、 控制盒 以單片微處理器(或Arm7以上晶片為核心的處理器)為主芯 片，設計製作控制盒中的電路及處理電路集成板，控制盒採用厚度為1.5mm到 2. 5mm、強度大於200MPa的金屬板材製成。步進電機13的輸出軸，通過傳動簡15以及傳動栓16和螺旋旋測微頭5相連,在步進電機驅動信號的作用下，可以實現螺旋測微頭5的旋轉，代替現有平臺上的手動調節螺旋測微頭；光電傳感器17可以檢測進入檢測範圍的物體，其安裝在步進電機支架14上的安裝槽內，且可以上下微調，安裝時確保光電傳感器安裝在 懸臂梁6的平衡位置附近，且監控懸臂梁6上端面的位置，該傳感器可以用於檢 測實驗平臺正常與否、修正步進電機得電與失電時刻造成的螺旋測微頭轉動帶來 的誤差、修正輸出軸到螺旋測微頭之間由於機械結構及裝配間隙引起的步進電機 正反轉時在螺旋測微頭上產生的回差；處理電路集成板18上集成了上述三種傳感 器的處理電路，並預留了擴展電路區；該集成板與光電傳感器17、安裝於懸臂梁 上的三種被測傳感器以及其它部分之間的連接關係見圖7。參見圖7，處理電路集成板18上除了 1—n的處理電路外，還有擴展電路區以及對應各處理電路的接線端子。每個處理電路對應的接線端子相同，均具有"電 源連接線"、"處理電路與傳感器輸出端的連接線"、"處理電路的輸出線"；以對應 傳感器i的處理電路i為例，其對外的接口為"處理電路i的接線端子"，該 端子上的"電源連接線"通過繼電器il與電源相連、"處理電路與傳感器輸出端 的連接線"直接與傳感器i的輸出線相連、"處理電路的輸出線"通過繼電器i2 接入公用的A/D轉換電路；繼電器il和繼電器i2與微處理器的i路控制信號 線相連，公用的A/D轉換電路與微處理器上的A/D轉換控制信號相連，光電傳感 器17直接接入微處理器的中斷口。除處理電路集成板18上的結構外，其它所有的電路、連接線以及微處理器均 置於控制盒19內，其對外的接口為背板接頭20,微處理器的通訊接口接入背板 接頭20,而背板接頭20的另 一端可以與控制計算機的通訊口相連。圖8與圖9為對應圖7的控制圖。圖8為處理電路集成板18的控制電路圖，含有金屬應變片傳感器8、霍爾式傳感器的霍爾片、電容式傳感器動片IO三種處 理電路以及與控制盒、傳感器之間接口；圖9為控制盒19的控制電路圖以及與光電傳感器17、步進電機13、背板接頭20接口，還給出了上位機串口的接線圖。本實用新型可遠程驅動的傳感器實驗平臺工作原理如下 安裝時1)光電傳感器17在步進電機支架14上的安裝槽內上下微調，使光 電傳感器在懸臂梁平衡時檢測懸臂梁6的上端面；2 )確定懸臂梁6的上下移動限， 在微處理器中以移動限的95%設定為實驗中允許的懸臂梁上下限；3)設定各傳感 器在平衡位置以及上下極限處的理論測試值；4)懸臂梁的位置在平衡位置附近。 未進行實驗時控制盒19中的微處理器進行自檢，以5分鐘的間隔定時對實 驗平臺的健康性進行檢測。微處理器首先發送對處理電路i (0 < i < n+l)的選 擇信號，控制繼電器il與繼電器i2導通，處理電路i得電並接入A/D轉換電 路；微處理器向步進電機控制器發送移動信號和方向信號。在光電傳感器17產生 信號的時刻(上下運動方向上各一次)、懸臂梁上下限的時刻，分別由微處理向 A/D轉換電路發送A/D轉換控制信號，並讀取A/D轉換電路的結果，將結果與對 應傳感器的設定值相比。當誤差小於5%時，則認為實驗裝置正常，否則，微處理 器標記i傳感器實驗電路故障；然後微處理器進行重複該檢測過程，進行+l 傳感器的檢測。實驗時微處理器通過背板接頭20獲得來自上位控制計算機的實驗信號，包 括依據傳感器種類選擇進行的實驗選擇信號、步進電機方向信號和轉動脈衝數信 號、數據讀取信號。依據實驗選擇信號，微處理器首先向對應的兩個繼電器發送 控制信號，將相應的處理電路和電源接通；然後進行調零修正和得失電的啟停誤 差修正，其後再依據步進電機的方向信號和轉動脈衝數信號對步進電機控制器發 送相應信號，驅動步進電機動作；然後再由微處理器向A/D轉換電路發送A/D轉換控制信號，並讀取A/D轉換電路的結果，將該結果進行得失電啟停誤差修正以 及調零修正後進行保存；將步進電機的運動脈衝數，進行回差修正，獲得螺旋測微頭5的實際旋轉量(即懸臂梁6的實際變形量)進行存儲；最後執行上位控制計算機的數據讀取信號，將兩結果數據傳給上位控制計算機，實驗者即可獲得現 行實驗中需要的相關參數。調零修正原理懸臂梁6的懸臂結構，長時間放置會產生變形，從而對傳感器 產生附加的輸入，需要進行調零修正。該誤差的修正方法為微處理器向步進電 機控制器發送方向信號與轉動信號，使螺旋測微頭5作上下方向的擺動，擺動幅 度以上限位置的5%遞增，當接收到光電傳感器17的輸入信號時，則微處理器判 斷懸臂梁是向下移動抑或是向上移動。如果向上移動，則光電傳感器檢測到了懸 臂梁6的上端面，否則，微處理器向步進電機控制器發送方向信號與轉動信號， 使螺旋測微頭5向上移動3倍懸臂梁厚度後再向下移動，檢測到光電傳感器的輸 入信號後即停止。此時光電傳感器17位於檢測到懸臂梁6上端面的位置，由安裝 可知，懸臂梁位於理論上的平衡位置。微處理器向A/D轉換電路發送A/D轉換控 制信號，讀取此時傳感器結果，此結果即為零點不正確在傳感器上產生的附加輸 入，在後續測量予以剔除，即可實現零點修正。啟停誤差修正原理步進電機的啟停會造成螺旋測微頭5的轉動，從而產生 誤差。採用與調零修正相同的方法，即重新確定螺旋測微頭的位置，消除該誤差， 殘餘部分併入零點修正。回差修正原理步進電機輸出軸到螺旋測微頭之間釆用了傳動筒15和傳動拴 16，由於機械結構本身以及裝配間隙的原因，步進電機正反轉時會產生回差。回 差分為上回差與下回差，前者為螺旋測微頭由向下運動變為向上運動時產生的回 差，後者為螺旋測微頭由向上運動變為向下運動時產生的回差。依據零點修正的過程，可知螺旋測微頭5最後的動作是向上運動過程中停止，則由微處理器控制 步進電機13使螺旋測微頭5繼續向上運動，到達上極限停止，記錄此過程中步進
電機13需要的脈衝數(記位A),再由微處理器控制步進電機13使螺旋測微頭5 向下運動，檢測到光電傳感器17的信號後停止，記錄此過程中步進電機13需要 的脈衝數(記為B),再由微處理器控制步進電機13使螺旋測微頭5繼續向上運 動，到達上極限停止，記錄此過程中步進電機13需要的脈衝數(記位C),則B-A 為下回差，C-A為上回差。微處理器將上下回差保存，在實際實驗中，在實驗者 要求的步進電機脈衝數基礎上進行回差處理，即可得到實際的螺旋測微頭移動量。
權利要求1、一種可遠程驅動的傳感器實驗平臺，包括實驗平臺臺身、螺旋測微頭支架、螺旋測微頭、懸臂梁、懸臂梁支架、若干被測傳感器、步進電機、進電機支架、傳動筒、傳動栓、光電傳感器、處理電路集成板；其特徵是步進電機的輸出軸通過傳動筒和螺旋旋測微頭相連；光電傳感器安裝在懸臂梁的平衡位置，且監控懸臂梁上端面的位置；處理電路集成板上集成了各被測傳感器的處理電路，並預留了擴展電路區；處理電路集成板的控制光電傳感器、安裝於懸臂梁上的被測傳感器。
專利摘要本實用新型公開了一種可遠程驅動的傳感器實驗平臺，包括實驗平臺臺身、螺旋測微頭支架、螺旋測微頭、懸臂梁、懸臂梁支架、若干被測傳感器、步進電機、進電機支架、傳動筒、傳動栓、光電傳感器、處理電路集成板；步進電機的輸出軸通過傳動筒和螺旋旋測微頭相連；光電傳感器安裝在懸臂梁的平衡位置，且監控懸臂梁上端面的位置；處理電路集成板上集成了各被測傳感器(由安裝於懸臂梁上的傳感器種類決定)的處理電路，並預留了擴展電路區；處理電路集成板的控制光電傳感器、安裝於懸臂梁上的被測傳感器。實驗者利用該平臺進行相關實驗，可以通過遠程調節的方法實現實驗過程中需要的調節操作，從而有效解決現有傳感器平臺使用中存在的諸多問題。
文檔編號G01D18/00GK201348517SQ20082023839
公開日2009年11月18日 申請日期2008年12月30日 優先權日2008年12月30日
發明者麗 馮, 菲 吳, 吳文婷, 夏春梅, 明 徐, 黃鳳良 申請人:南京師範大學