CN103776491A - 室内环境场多场同时自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内环境场多场同时自动测量装置，包括三维运动系统、控制系统、数据采集系统；三维运动系统是将纵向直线模组、竖向直线模组、横向直线模组按照三维坐标轴的方式组合，并在其上设置能够安装测量仪器的仪器搭载平台；控制系统包括人机界面设备、可编程逻辑控制器、三个电机驱动器；数据采集系统包括所述测量仪器、所述可编程逻辑控制器、数据采集卡、计算机。本发明可实现环境场多场同时测量，减少多场测量时间上不同步带来的误差；实现控制测量一体化，减少人员对实验的影响，提高试验的精度和效率；简化人员操作，减少人工处理数据的时间及误差。

Description

室内环境场多场同时自动测量装置

技术领域

本发明属于一种测量装置，具体的说，是涉及一种用于室内环境场多场同时测试的三维自动测量装置。

背景技术

为了研究室内空气流动、温度分布、污染物传播规律等，确保室内环境的舒适健康，需要对特定空间内的温度场、速度场、浓度场等环境场进行测量。如何将各环境场测量仪器准确定位、实现高效测量成为特点空间内环境场测量的重点难点。

目前，特定空间内环境测量通常采用可调支架搭载测量仪器，使用标尺确定测点空间位置。使用这种人工测量的方法，首先会产生定位误差，导致实验的准确性降低，每次测量需要人为组装、挪动支架，人为使用标尺定位，这都会导致定位误差。其次，人员在环境场内的活动会对测量环境造成扰动，需要大量的等待时间消除扰动的影响，这就增加了实验时间及测量周期。第三，在复杂空间环境或有毒有害环境内，人工测量很难或不能实现。综上，人工需要花费巨大的时间、人力、物力，定位及测量精度也不能得到保证，因此需要借助机械测量，减少测量花费，提高测量精度。

发明内容

本发明要解决的是现有人工操作可调支架及标尺定位产生定位误差、实验人员在测量区域内活动导致测量场误差的技术问题，提供了一种室内环境场多场同时自动测量装置，采用三维运动系统代替人工操作，不仅可以进行精确定位，避免测量人员对流场的影响，还可以节省测量时间，减少测量人数，降低测量费用，提高测量效率，并且该自动测量装置能够对多个环境场进行同时测量、自动将测量仪器测得的环境场信息与测量仪器所在的空间坐标配对输出，减少由于多场测量时间的不同步带来的误差以及人工处理数据的时间。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种室内环境场多场同时自动测量装置，包括三维运动系统、控制系统、数据采集系统；

所述三维运动系统包括底座，底座上固定安装有纵向直线模组，纵向直线模组通过第一转接件连接有竖向直线模组，竖向直线模组通过第二转接件连接有横向直线模组，横向直线模组上安装有仪器搭载平台，仪器搭载平台用于安装环境场的测量仪器；

所述控制系统包括人机界面设备、可编程逻辑控制器、三个电机驱动器；所述可编程逻辑控制器用于接收人机界面设备传输的输入信号，并根据该输入信号通过所述纵向直线模组所对应的所述电机驱动器控制所述竖向直线模组在所述纵向直线模组上进行纵向移动，通过所述竖向直线模组所对应的所述电机驱动器控制所述横向直线模组在所述竖向直线模组上进行竖向移动，通过所述横向直线模组所对应的所述电机驱动器控制所述仪器搭载平台在所述横向直线模组上进行横向移动，使所述测量仪器依次移动到每个测量点；

所述数据采集系统包括所述测量仪器、所述可编程逻辑控制器、数据采集卡、计算机，所述数据采集卡用于接收所述测量仪器输出的当前测量点的环境场信号并传输给所述计算机，所述可编程逻辑控制器用于将输入信号中当前测量点的空间坐标传输给所述计算机，所述计算机调用判断函数对所述环境场信号和所述空间坐标进行匹配判断：若所述计算机接收所述环境场信号的时间和接收所述空间坐标的时间相差在1秒内，则认为所述环境场信号和所述空间坐标匹配，将匹配的“信号接收时间，空间坐标，环境场信息”写入文本文档；若所述计算机接收所述环境场信号的时间和接收所述空间坐标的时间相差在1秒以上，则认为所述环境场信号和所述空间坐标不匹配，不写入文本文档。

所述三维运动系统的底座为底部设置有支撑脚架和脚轮的框架结构。

所述三维运动系统中的所述纵向直线模组、所述竖向直线模组、所述横向直线模组均由伺服电机、驱动轴、从动轴、带轮、同步带、滑台、连接板、直线导轨、滑块、坐标架组成；所述坐标架的两端分别设置所述驱动轴和所述从动轴，所述驱动轴由所述伺服电机提供动力；两个所述同步带轮分别安装在所述驱动轴和所述从动轴上，随所述驱动轴的转动带动所述同步带运动；所述同步带固定有所述连接板，所述连接板上部固定有所述滑台、下部固定有所述滑块，所述滑块安装于所述坐标架上表面设置的所述直线导轨；

所述第一转接件将所述竖向直线模组连接在所述纵向直线模组的滑台上；所述第二转接件将所述横向直线模组连接在所述竖向直线模组的滑台上；所述仪器搭载平台安装在所述横向直线模组的滑台上。

所述三维运动系统中的所述仪器搭载平台底部设置有用于固定在所述横向直线模组上的安装孔，所述仪器搭载平台前面、后面、顶面和底面分别设置有安装槽，所述安装槽用于安装不同环境场的测量仪器。

所述三维运动系统中的所述纵向直线模组、所述竖向直线模组、所述横向直线模组的侧边分别设置有第一拖链、第二拖链、第三拖链。

本发明的有益效果是：

本发明的室内环境场多场同时自动测量装置，使用能够自动控制的三维运动系统代替人工操作，结构简单，操作方便，组装灵活。将仪器搭载平台安装于三维运动系统，仪器搭载平台上相邻位置可安装不同场的测量仪器，实现环境场多场同时测量，减少多场测量时间上不同步带来的误差。通过控制系统对测量仪器进行精确定位，实现控制测量一体化，减少人员对实验的影响，提高试验的精度和效率。通过数据采集系统及Labview编程将测量仪器测得的环境场信息和测量仪器所在的空间坐标一一对应并写入文本文档，简化人员操作，减少人工处理数据的时间及误差。

附图说明

图1是本发明所提供的室内环境场多场同时自动测量装置的立体结构示意图；

图2是本发明所提供的室内环境场多场同时自动测量装置的结构正视图；

图3是三维运动系统中底座的仰视图；

图4是三维运动系统中底座的主视图；

图5是三维运动系统中底座的俯视图；

图6是三维运动系统中横向直线模组的立体结构示意图；

图7是三维运动系统中第一转接件的立体结构示意图；

图8是三维运动系统中第二转接件的立体结构示意图；

图9是三维运动系统中仪器搭载平台的立体结构示意图；

图10是三维运动系统中仪器搭载平台的俯视图；

图11是三维运动系统中仪器搭载平台的端面视图；

图12是控制系统的结构示意图；

图13是数据采集系统的结构示意图。

图中：1：底座；101：框架结构；102：支撑脚架；103：脚轮；104：地脚；2：纵向直线模组；3：竖向直线模组；4：横向直线模组；401：伺服电机；402：驱动轴；403：从动轴；404：同步带轮；405：同步带；406：滑台；407：连接板；408：直线导轨；409：滑块；410：坐标架；2：纵向直线模组；5：第一转接件；6：第二转接件；7：仪器搭载平台；8：第一支板；9：第二支板；10：第三支板；11：第一拖链；12：第二拖链；13：第三拖链。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本实施例披露了一种室内环境场多场同时自动测量装置，主要由三维运动系统、控制系统、数据采集系统构成。

如图1和图2所示，三维运动系统主要由底座1、纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4、第一转接件5、第二转接件6、仪器搭载平台7构成。纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4按照三维坐标轴的方式通过第一转接件5和第二转接件6相互连接组合在一起，纵向直线模组2安装在底座1上，仪器搭载平台7安装在横向直线模组4上，仪器搭载平台7用于安装不同环境场的测量仪器。

如图3至图5所示，底座1由铝制型材通过螺栓连接构成长条形框架结构101，该框架结构101底部间隔设置有支撑脚架102，支撑脚架102能够使该框架结构在地面上放置稳定。框架结构101底部还设置有脚轮103和地脚104，脚轮103能够方便底座1带动整个测量装置进行移动，地脚104起到支撑作用，分担支撑脚架102的受力。

纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4的结构完全相同，本实施例仅以横向直线模组4为例进行详细介绍，而对纵向直线模组2、竖向直线模组3的具体结构不再赘述。

如图6所示，横向直线模组4主要由伺服电机401、驱动轴402、从动轴403、带轮404、同步带405、滑台406、连接板407、直线导轨408、滑块409、坐标架410组成。坐标架410为铝制型材制成的直线形结构，坐标架410的两端分别设置有驱动轴402和从动轴403，驱动轴402与伺服电机401的输出轴连接，由伺服电机401提供动力。两个同步带轮404分别安装在驱动轴402和从动轴403上，用于随驱动轴402的转动带动同步带405运动。同步带405上通过螺钉固定有连接板407，连接板407上部通过螺钉固定有滑台406，连接板407下部通过螺钉固定有两个滑块409，从而使滑台406及滑块409能与同步带405同步运行。坐标架410上表面设置有两条并列的直线导轨408，两个滑块409分别安装在这两条直线导轨408上，使同步带405能固定于坐标架410，并保证同步带405不会左右晃动。

如图7所示，第一转接件5由相互垂直的水平连接板和竖向连接板焊接构成，该水平连接板和该竖向连接板的两侧焊接有肋板。第一转接件5的水平连接板固定在纵向直线模组2的滑台上，竖向连接板固定在竖向直线模组3的坐标架底部，并且竖向连接板的底面与该坐标架底面基本齐平。

如图8所示，第二转接件6由相互垂直的水平连接板和竖向连接板焊接构成，该水平连接板和该竖向连接板的两侧焊接有肋板。第二转接件6的竖向连接板固定在竖向直线模组3的滑台上，水平连接板固定在横向直线模组4的坐标架410底部的重心位置处。

如图9至图11所示，仪器搭载平台7是0.4m*0.4m*1m的铝制型材制成的直线形结构，其底部设有安装孔701，安装孔701用于通过螺栓将仪器搭载平台7固定于横向直线模组4的滑台406上。仪器搭载平台7的前面、后面、顶面和底面分别设置有安装槽702，根据测量要求的位置和距离，可以将不同环境场的测量仪器通过螺栓和螺母固定在仪器搭载平台7的安装槽702中，从而实现多种环境场的同时测量，以及测量位置的灵活变动。

为了更好地梳理电线，在纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4的侧边分别设置有第一拖链11、第二拖链12、第三拖链13。第一拖链11、第二拖链12、第三拖链13分别采用恒众机电KJC90-B168-300R,KJC65-B150-200R,KJC65-B100-150R，以对设备用线起到牵引和保护的作用，防止设备用线随着竖向直线模组3、横向直线模组4和仪器搭载平台7的移动而发生缠绕。第一拖链11、第二拖链12、第三拖链13的具体安装方式如下：

底座1上固定有第一支板8，第一支板8与纵向直线模组2的坐标架平行。第一拖链11的一端固定在第一支板8上，另一端固定在第一转接件5上，以使第一拖链11的一部分可以搭在第一支板8上，另一部分可以随竖向直线模组3的移动而移动。

第一转接件5的肋板上固定有第二支板9，第二支板9与竖向直线模组3的坐标架平行。第二拖链12的一端固定在第二支板9上，另一端固定在第二转接件6上，以使第二拖链12的一部分可以倚靠在第二支板9上，另一部分可以随横向直线模组4的移动而移动。

第二转接件6上固定有第三支板10，第三支板10与横向直线模组4的坐标架平行。第三拖链13的一端固定在第三支板10上，另一端固定在仪器搭载平台7上，以使第三拖链13的一部分可以搭在第三支板10上，另一部分可以随仪器搭载平台7的移动而移动。

控制系统主要由人机界面设备（HMI）、可编程逻辑控制器（PLC）、三个电机驱动器组成。HMI采用计算机安装Soft Panel软件模拟真实的触摸屏完成。实验人员可根据HMI上的输入信号（具体为空间坐标、移动距离、移动速度、时间长度或手动点击位移）实现纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4的分别运动，从而实现空间内三维移动及定位。PLC采用欧姆龙CP1H-X40DT-D，其编程软件使用CX-Programmer，可以实现自动、半自动、手动运行，并根据需要调用功能块。

HMI根据输入信号生成文本文件，并将该文本文件导入PLC。PLC根据通讯协议读取HMI传来的输入信号，并发出脉冲控制信号分别传输到纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4的电机驱动器，三个电机驱动器将脉冲信号转换成电流信号分别控制纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4的伺服电机，进而分别控制纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4的运动，最终使测量仪器依次移动到每个测量点。

具体地，当使用自动运行模式时，在HMI上按规定格式输入每一个测点的（x，y，z）空间坐标，以及在该空间坐标停留的时间长度t，生成文本文件。将此文本文件导入PLC，PLC根据HMI传来的输入信号，发出脉冲信号送到纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4分别对应的电机驱动器。纵向直线模组2对应的电机驱动器通过纵向直线模组2的伺服电机控制其同步带的纵向移动，从而带动竖向直线模组3随纵向直线模组2的滑台进行纵向移动；竖向直线模组3对应的电机驱动器通过竖向直线模组3的伺服电机控制其同步带的竖向移动，从而带动横向直线模组4随竖向直线模组3的滑台进行竖向移动；横向直线模组4对应的电机驱动器通过横向直线模组4的伺服电机401控制其同步带405的横向移动，从而带动仪器搭载平台7随横向直线模组4的滑台406进行横向移动；最终实现测量仪器的三维方向运动控制，定位精度可达±0.05mm，时间精度可达1s。

当使用半自动模式时，在HMI上输入从当前测点到下一测点的移动距离，HMI将该移动距离的输入信号传入PLC，PLC发出脉冲信号送到电机驱动器，分别控制纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4的运动。

当使用手动模式时，在HMI上点击位移开始按钮，则可以手动控制纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4的开始进行位移；在HMI上点击位移停止按钮，则可以手动控制纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4的停止进行位移，从而手动控制纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4的运动过程。

另外在以上三种模式中，用户均可在HMI上输入移动速度，控制纵向直线模组2、竖向直线模组3、横向直线模组4的位移快慢。

数据采集系统由测量仪器、可编程逻辑控制器（PLC）、数据采集卡、数据线、网线、路由器、计算机组成。数据采集卡根据不同的实验仪器的输出信号可选用NI ENET-232/4、NI ENET-9163等。

测量仪器通过数据线连接到数据采集卡，数据采集卡通过网线连接路由器，路由器通过无线信号将数据传输给计算机；PLC通过数据线连接到计算机。测量仪器与数据采集卡连接的数据线采用RS232接口，PLC与计算机通讯的数据线采用RS485接口。一方面，测量仪器将当前测量点所测量的环境场信息由数据采集卡通过路由器传输给计算机；另一方面，PLC寄存器内当前测量点的空间坐标也同时传输给计算机。

这样在实验测量过程中，环境场信息与空间坐标不断地传输给计算机。计算机调用编程软件Labview中的判断函数，对所接收的环境场信息与空间坐标进行匹配判断：如果计算机接收空间坐标的时间与接收环境场信息的时间相差在1秒内，则认为该空间坐标与环境场信息匹配，将匹配的“信号接收时间，空间坐标，环境场信息”写入文本文档；如果计算机接收空间坐标的时间与接收环境场信息的时间相差在1秒以上，则认为该空间坐标与环境场信息不匹配，不写入文本文档。

在实验测量结束后，用户通过输出文档命令，将写有“信号接收时间，空间坐标，环境场信息”的文本文档输出，这样省去了大量人工处理数据的时间同时避免了人工差错。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种室内环境场多场同时自动测量装置，其特征在于，包括三维运动系统、控制系统、数据采集系统；

所述三维运动系统包括底座，底座上固定安装有纵向直线模组，纵向直线模组通过第一转接件连接有竖向直线模组，竖向直线模组通过第二转接件连接有横向直线模组，横向直线模组上安装有仪器搭载平台，仪器搭载平台用于安装环境场的测量仪器；

所述控制系统包括人机界面设备、可编程逻辑控制器、三个电机驱动器；所述可编程逻辑控制器用于接收人机界面设备传输的输入信号，并根据该输入信号通过所述纵向直线模组所对应的所述电机驱动器控制所述竖向直线模组在所述纵向直线模组上进行纵向移动，通过所述竖向直线模组所对应的所述电机驱动器控制所述横向直线模组在所述竖向直线模组上进行竖向移动，通过所述横向直线模组所对应的所述电机驱动器控制所述仪器搭载平台在所述横向直线模组上进行横向移动，使所述测量仪器依次移动到每个测量点；

所述数据采集系统包括所述测量仪器、所述可编程逻辑控制器、数据采集卡、计算机，所述数据采集卡用于接收所述测量仪器输出的当前测量点的环境场信号并传输给所述计算机，所述可编程逻辑控制器用于将输入信号中当前测量点的空间坐标传输给所述计算机，所述计算机调用判断函数对所述环境场信号和所述空间坐标进行匹配判断：若所述计算机接收所述环境场信号的时间和接收所述空间坐标的时间相差在1秒内，则认为所述环境场信号和所述空间坐标匹配，将匹配的“信号接收时间，空间坐标，环境场信息”写入文本文档；若所述计算机接收所述环境场信号的时间和接收所述空间坐标的时间相差在1秒以上，则认为所述环境场信号和所述空间坐标不匹配，不写入文本文档。

2.根据权利要求1所述的一种室内环境场多场同时自动测量装置，其特征在于，所述三维运动系统的底座为底部设置有支撑脚架和脚轮的框架结构。

3.根据权利要求1所述的一种室内环境场多场同时自动测量装置，其特征在于，所述三维运动系统中的所述纵向直线模组、所述竖向直线模组、所述横向直线模组均由伺服电机、驱动轴、从动轴、带轮、同步带、滑台、连接板、直线导轨、滑块、坐标架组成；所述坐标架的两端分别设置所述驱动轴和所述从动轴，所述驱动轴由所述伺服电机提供动力；两个所述同步带轮分别安装在所述驱动轴和所述从动轴上，随所述驱动轴的转动带动所述同步带运动；所述同步带固定有所述连接板，所述连接板上部固定有所述滑台、下部固定有所述滑块，所述滑块安装于所述坐标架上表面设置的所述直线导轨；

所述第一转接件将所述竖向直线模组连接在所述纵向直线模组的滑台上；所述第二转接件将所述横向直线模组连接在所述竖向直线模组的滑台上；所述仪器搭载平台安装在所述横向直线模组的滑台上。

4.根据权利要求1所述的一种室内环境场多场同时自动测量装置，其特征在于，所述三维运动系统中的所述仪器搭载平台底部设置有用于固定在所述横向直线模组上的安装孔，所述仪器搭载平台前面、后面、顶面和底面分别设置有安装槽，所述安装槽用于安装不同环境场的测量仪器。

5.根据权利要求1所述的一种室内环境场多场同时自动测量装置，其特征在于，所述三维运动系统中的所述纵向直线模组、所述竖向直线模组、所述横向直线模组的侧边分别设置有第一拖链、第二拖链、第三拖链。

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