CN104900119A - 一种光电测量应用实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电测量应用实验装置，包括机械传动结构和光电检测控制系统，所述光电检测控制系统中的光电传感器设置接在机械传动结构的码盘的两侧，所述光电检测控制系统由光电传感器、电源、显示模块、控制模块、函数信号发生器、信号调理电路和示波器组成，所述光电传感器和函数信号发生器连接信号调理电路的输入端，而信号调理电路的输出端连接显示模块和示波器，所述信号调理电路电连接控制模块。利用光电测量应用实验装置，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的测量过程，使学习者得到一个非常接近于实际的教学设备环境，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。

Description

一种光电测量应用实验装置

技术领域

    本发明涉及一种实验装置，具体是一种光电测量应用实验装置。

背景技术

光电检测装置是利用光电元件对光照变化引起电参数变化的性质，将光信号转换成电信号而构成的检测装置。一般电子检测系统是由传感器、信号调理器和输出环节三部分组成。传感器处于被测对象与检测系统的接口处，是一个信号变换器。它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化，并转化成便于测量的电参数。它不能直接满足输出的要求，需要进一步的变换、处理和分析，通过信号调理电路将其转换为标准的电信号，输出给输出环节。根据检测系统输出的目的和形式的不同，输出环节主要有显示与记录装置、数据通信接口和控制装置。传感器的信号调理电路是由传感器的类型和对输出信号的要求决定的。

光电检测装置以其高抗干扰能力、高可靠性、高性能价格比及使用简单，广泛地应用在自动测量系统中，因此培养掌握光电检测技术人材是十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光电测量应用实验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光电测量应用实验装置，包括机械传动结构和光电检测控制系统，所述光电检测控制系统中的光电传感器设置接在机械传动结构的码盘的两侧，所述光电检测控制系统由光电传感器、电源、显示模块、控制模块、函数信号发生器、信号调理电路和示波器组成，所述光电传感器和函数信号发生器连接信号调理电路的输入端，而信号调理电路的输出端连接显示模块和示波器，所述信号调理电路电连接控制模块。

作为本发明进一步的方案：所述机械结构包括底座一级从动带轮、二级传动轴、二级从动带轮、三级传动轴、码盘、底座、一级传动轴、主动皮带轮和手轮组件，所述底座上自右向左活动设置一级传动轴、二级传动轴和三级传动轴，其中二级传动轴和三级传动轴的表面设有皮带槽，用于皮带传动，所述一级传动轴的一端固连一级从动带轮，一级从动带轮通过皮带连接二级传动轴的皮带槽，而二级传动轴的一端固连二级从动带轮，从动带轮通过皮带连接三级传动轴上的皮带槽，所述三级传动轴的一端固连码盘，所述一级传动轴的另一端固连主动皮带轮。

作为本发明进一步的方案：使用机械传动结构进行实验的操作步骤如下：

（1）调整皮带轮的张紧力：皮带轮的张紧力应当调节至合适范围，不可太松或太紧。

（2）调整转速信号调理板的输入电压：转速信号调理板的输入电压不可过高，否则有可能烧毁光电传感器。使用可调稳压电源应当养成开机之前先将电压旋钮选址最小的习惯，在调节电压时逐渐升压。

（3）检查LM324芯片损坏：检查方法：在正常供电情况下，旋转转速输入手柄，用示波器双踪显示功能同时测试Pt端和P端信号，如果Pt端有脉冲输出而P端无脉冲变化信号，则可以首先考虑LM324芯片损坏。维修方法：直接更换LM324集成电路芯片。标准电流信号显示功能在首次使用之前应先调节“电流微调”电位器进行校准。否则显示结果可能存在较大误差。

（4）比较理论计算与实际测量值，通过调整减少误差。

作为本发明进一步的方案：所述主动皮带轮通过皮带连接手轮组件或者电机。

作为本发明进一步的方案：所述码盘上设有等分的50组黑白相间条纹。

作为本发明进一步的方案：所述光电传感器由发光二极管Df和三极管Qs构成，而发光二极管Df和三极管Qs设置在码盘的两侧，首先应连接好信号调理电路板的+10V供电电源，旋转机械传动结构的手柄，用示波器观察光电传感器的输出，以确定码盘的输出与透光、遮光的关系。

作为本发明进一步的方案：所述三极管Qs的集电极连接运算放大器，运算放大器为LM324集成运算放大器，而运算放大器的测试方法为：择反馈电阻，使放大倍数为-10倍。运算放大器供电电源：±10V，输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p = 0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V，双踪观察输入输出波形，记录实际输出uoep-p。绘制uip-p = 1.0V时的输入-输出波形，连续增大ui的幅值，记录出现饱和现象时输入、输出信号的峰峰值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在二级皮带轮传动加速的码盘上安装光电传感器、信号调理电路和信号显示电路，构成一个典型的信号测量机械平台，系统各机构的采用了机械传动、电子技术和检测技术。系统的每一工作单元都承担几项任务，各单元综合调试可以完成复杂测量任务。利用光电测量应用实验装置，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的测量过程，使学习者得到一个非常接近于实际的教学设备环境，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。

本发明采用模块组合式的结构，各工作单元是相对独立的模块，机械传动单元还原了测量装置的原始面貌，信号调理电路和信号显示电路分别展示各自的基本组成，一套实验装置可以灵活组合，完成光电、电子、单片机和机械传动，达到模拟测量功能和整合学习功能的目标，十分适合教学实训考核或技能竞赛的需要。改变了以往检测装置整体固化及封装的形式，一个实验装置只能够验证一个原理，无法系统训练测量系统的整体能力，本发明可以分别训练光电效应、运算放大器、单片机及配套信号源和示波器的技能，力求采用项目教学的方法，利用本装备所涉及的技术，使学生在知识的学习和综合应用，线路连接和仪器操作，传感器的安装与电路的调试等方面能收到较好的效果。

附图说明

图1为本发明的机械传动结构主视图。

图2为本发明的机械传动结构俯视图。

图3为本发明光电检测控制系统的结构示意图。

图4为码盘和光电传感器连接的结构示意图。

图5为运算放大器的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～4，本发明实施例中，一种光电测量应用实验装置，包括机械传动结构和光电检测控制系统，所述光电检测控制系统中的光电传感器10设置接在机械传动结构的码盘5的两侧，所述光电检测控制系统由光电传感器10、电源11、显示模块12、控制模块13、函数信号发生器14、信号调理电路15和示波器16组成，所述光电传感器10和函数信号发生器14连接信号调理电路15的输入端，而信号调理电路15的输出端连接显示模块12和示波器16，从而能够对最终测量速度的数据进行观察，所述信号调理电路15电连接控制模块13。

所述机械结构包括底座一级从动带轮1、二级传动轴2、二级从动带轮3、三级传动轴4、码盘5、底座6、一级传动轴7、主动皮带轮8和手轮组件9，所述底座6上自右向左活动设置一级传动轴7、二级传动轴2和三级传动轴4，其中二级传动轴2和三级传动轴4的表面设有皮带槽，用于皮带传动，所述一级传动轴7的一端固连一级从动带轮1，一级从动带轮1通过皮带连接二级传动轴2的皮带槽，而二级传动轴2的一端固连二级从动带轮3，从动带轮3通过皮带连接三级传动轴4上的皮带槽，所述三级传动轴4的一端固连码盘5，所述一级传动轴7的另一端固连主动皮带轮8，主动皮带轮8通过皮带连接手轮组件9或者电机。

所述码盘5上设有等分的50组黑白相间条纹，光电传感器10由发光二极管Df和三极管Qs构成，而发光二极管Df和三极管Qs设置在码盘5的两侧，通过发光二极管Df发光照射三极管Qs的基极，使得三极管Qs被导通，由于等分的50组黑白相间条纹，使得三极管Qs接收的光照是断断续续的，从而构成一组脉冲信号，通过改变码盘的速度，从而改变脉冲信号的频率，完成不同的测试。

所述三极管Qs的集电极连接运算放大器，运算放大器为LM324集成运算放大器，采用由运算放大器构成的比较器对光电对管输出波形进行整形，使其能够具有较好的上升和下降边沿。

所述机械传动结构和光电检测控制系统均是组装式，可以根据不同的教学需求进行自由组装。

实验一：光电传感器

光电器件的工作原理：电流的作用能使硅材料发出可见光或红外线，反之光的照射能改变硅材料的导电性能。光电传感器：把光信号转换为电信号的光电耦合器件，检测可见光和不可见光。包括光电二极管、光电三极管、集成光电传感器等。光电三极管具有开关特性，可以看作可控开关。

实验方法：首先应连接好信号调理电路板的+10V供电电源（+10V和GND端），旋转转速实验装置手柄，用示波器观察光电对管的输出（Pt端和GND端之间的电压信号），以确定光电码盘的输出与透光、遮光的关系。

实验二：运算放大器

理想运算放大器工作原理：如图5所示，运算放大器有两个输入端反相输入端，同相输入端和一个输出端。当电压U-加在反相输入端和公共端(公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。)之间，且其实际方向从反相输入端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向一个输出端，即两者的方向正好相反。当输入电压U+加在同相输入端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见，反相输入端和同相输入端分别用"-"和"+"号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。

实验内容： 

反相放大器的测试，选择反馈电阻，使放大倍数为-10倍。运算放大器供电电源：±10V，输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p = 0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V，双踪观察输入输出波形，记录实际输出uoep-p。绘制uip-p = 1.0V时的输入-输出波形，连续增大ui的幅值，记录出现饱和现象时输入、输出信号的峰峰值。

实验三：同相放大器的测试，选择反馈电阻，使得放大倍数为11倍。运算放大器供电电源：±10V，输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p = 0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V。双踪观察输入输出波形，记录实际输出uoep-p。绘制uip-p = 1.0V时的输入-输出波形。连续增大ui的幅值，记录出现饱和现象时输入、输出信号的峰峰值。

实验四：电压跟随器的测试运算放大器供电电源：±10V，输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p = 0.5V。双踪观察输入输出波形。连续改变uip-p ，双踪观察输入输出波形。

实验五：光电码盘与整形电路测试测试

首先应连接好信号调理电路板的+10V供电电源（+10V和GND端），旋转转速实验装置手柄，用示波器的双踪功能观察光电对管的输出（Pt端和GND端之间的电压信号）以及整形后的信号输出（P端和GND端之间的电压信号），注意确定两者的相位关系（反相）以及频率关系（相等），以确定反相比较器的整形功能正常。

实验六：F/V 转换特性的测试

首先应连接好信号调理电路板的+10V供电电源（+10V和GND端），使用函数信号发生器在Pin端和GND端之间输入一个直流电平为4V、峰峰值为8V的电压方波信号（即最小值为0V，最大值为8V），在0~4000Hz之间连续改变信号频率，记录信号输入频率和Vout端输出电压幅值的对应关系。此步骤用以确定频压转换电路的线性变换能力。如果线性比例系数不符合预期要求，可以调节“电压微调”电位器。

实验步骤：电路连接：电源：+ 10V、GND

电路板    信号发生器 万用表（直流电压测量）

Pin端子      信号输出端

GND       地线          黑表笔

Vout（ uo ）            红表笔

电路校准： fin = 0～2000Hz uo = 0～2V

校准信号（函数信号发生器）：方波，fin = 2000Hz，直流电平为+4V， uip-p = 8V

校准： 调节电压微调旋钮 Vout( uo )=2V；

频率－电压转换关系测试：

fin = 0～2000Hz，每隔200Hz测一个点，记录 uo 值。

在坐标纸上画出F/V转换电路的fin-uo曲线。

实验七：轴转速测试和显示

首先应连接好信号调理电路板的+10V供电电源（+10V和GND端），将整形后的信号（Pt端）接入到频压转换电路的输入Pin端。旋转转速实验装置手柄，用示波器或数字多用表测试Vout端输出电压的变化情况。然后将Vout端和GND端之间的输出电压接到信号显示板。信号显示板应使用中间的“速度/温度/压力显示单元”, 将功能选择开关拨到“速度显示”的位置。此时改变手柄的输入转速，显示板上的电压就回产生相应的电压和转速显示变化。

实验八：传动比

工作原理：由两个带轮和一条传动带组成，靠传动带与轮之间的摩擦力传递运动和力，一般用于两个平行轴之间传递定轴转动和力。主动轮也称原动轮、输入轮。从动轮也称被动轮、输出轮。输入轮常由电动机、内燃机等原动机拖动。带传动的主要优点：结构简单，可以缓冲、吸收振动、具有过载安全性，可以在距离较远的两个轴之间传递转动。缺点：传动带与轮之间存在相对滑动，使传动精度降低，不适于频繁改变转动方向的场合。为减少滑动，要增加传动带与带轮之间的摩擦，或将传动带张紧，但这将增大轮轴的径向压力，从而加剧轴和轴承的磨损，降低机械效率。

实验内容：认识传动装置，计算传动比。

实验装置组成：底座、支架板、二级带轮传动机构，手摇驱动，测量装置等。底座：主要起支撑总体作用；支架板：支撑固定手摇驱动结构、传动部分和测量装置；二级带轮增速：起到增速作用，每级的传动比为3，有二级增速；手摇驱动：驱动作用，产生最初转速：测量装置：采用增量式码盘测量增速后的速度。

实验九：传动比电路图

由于转速测试实验涉及信号处理和转换的环节较多，所以对于信号处理过程的各环节需要进行过逐一测试后，才能进行转速测试和显示。

使用本装置进行实验的操作步骤如下：

1、调整皮带轮的张紧力。皮带轮的张紧力应当调节至合适范围，不可太松（打滑）或太紧（影响转动）。

2、调整转速信号调理板的输入电压。转速信号调理板的输入电压不可过高（超过15V），否则有可能烧毁光电对管。使用可调稳压电源应当养成开机之前先将电压旋钮选址最小的习惯，在调节电压时逐渐升压。

3、检查LM324芯片损坏。检查方法：在正常供电情况下，旋转转速输入手柄，用示波器双踪显示功能同时测试Pt端和P端信号，如果Pt端有脉冲输出而P端无脉冲变化信号，则可以首先考虑LM324芯片损坏。维修方法：直接更换LM324集成电路芯片。标准电流信号显示功能在首次使用之前应先调节“电流微调”电位器进行校准。否则显示结果可能存在较大误差。

4、比较理论计算与实际测量值，通过调整减少误差。

实验十：单片机编程

信号调理电路版由PCB电路板、支撑塑料盒、固定螺丝构成，其中PCB电路板是其主要功能实现部件，信号显示电路板分为三个功能区：“流量/位移显示单元”；“ 速度/温度/力显示单元”；“湿度/标准电流显示单元”，每个单元采用一个STC12C5A6052单片机（s52系列）和两组4位数码管构成。信号显示电路板集成了本系列教学设备所有实验环节的显示功能，通过选用不同的功能单元和功能选择开关，可以实现不同测量结果的分别（或在兼容状态下的同时）显示。

单片机编程： 

编写切换程序，“流量/位移显示单元”功能、“ 速度/温度/力显示单元” 功能和“湿度/标准电流显示单元” 功能，同时对湿度电容传感器直接进行测量显示以及对4~20mA的标准电流进行显示。

   （1）本发明采用模块组合式的结构，改变了以往检测装置整体固化及封装的形式，各工作单元可以进行拆装和组合，整体操作可以测量机械摇臂转速，单独操作可以探究机械传动、信号调理电路和信号显示电路的基本组成，进行光电、电子、单片机和机械传动实验，培养学生动手操作能力，达到模拟测量功能和整合学习功能的目标，十分适合教学实训考核或技能竞赛的需要；

  （2）本发明可以分别训练光电效应、运算放大器、单片机及配套信号源和示波器的技能，各单元可以使用标准信号机型测试，也可以用采集信号进行测量，通过项目教学使学生在知识的学习和综合应用，线路连接和仪器操作，传感器的安装与电路的调试等方面能收到较好的效果.

   （3）本发明模拟一个与实际生产情况十分接近的测量过程，使学习者得到一个非常接近于实际的教学设备环境，帮助学生训练实际调试能力，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种光电测量应用实验装置，包括机械传动结构和光电检测控制系统，其特征在于，所述光电检测控制系统中的光电传感器设置接在机械传动结构的码盘的两侧，所述光电检测控制系统由光电传感器、电源、显示模块、控制模块、函数信号发生器、信号调理电路和示波器组成，所述光电传感器和函数信号发生器连接信号调理电路的输入端，而信号调理电路的输出端连接显示模块和示波器，所述信号调理电路电连接控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种光电测量应用实验装置，其特征在于，所述机械结构包括底座一级从动带轮、二级传动轴、二级从动带轮、三级传动轴、码盘、底座、一级传动轴、主动皮带轮和手轮组件，所述底座上自右向左活动设置一级传动轴、二级传动轴和三级传动轴，其中二级传动轴和三级传动轴的表面设有皮带槽，用于皮带传动，所述一级传动轴的一端固连一级从动带轮，一级从动带轮通过皮带连接二级传动轴的皮带槽，而二级传动轴的一端固连二级从动带轮，从动带轮通过皮带连接三级传动轴上的皮带槽，所述三级传动轴的一端固连码盘，所述一级传动轴的另一端固连主动皮带轮。

3.根据权利要求2所述的一种光电测量应用实验装置，其特征在于，所述机械传动结构进行实验的操作步骤如下：

（1）调整皮带轮的张紧力：皮带轮的张紧力应当调节至合适范围，不可太松或太紧；

（2）调整转速信号调理板的输入电压：转速信号调理板的输入电压不可过高，否则有可能烧毁光电传感器；使用可调稳压电源应当养成开机之前先将电压旋钮选址最小的习惯，在调节电压时逐渐升压；

（3）检查LM324芯片损坏：检查方法：在正常供电情况下，旋转转速输入手柄，用示波器双踪显示功能同时测试Pt端和P端信号，如果Pt端有脉冲输出而P端无脉冲变化信号，则可以首先考虑LM324芯片损坏；维修方法：直接更换LM324集成电路芯片；标准电流信号显示功能在首次使用之前应先调节“电流微调”电位器进行校准；否则显示结果可能存在较大误差；

（4）比较理论计算与实际测量值，通过调整减少误差。

4.根据权利要求1所述的一种光电测量应用实验装置，其特征在于，所述主动皮带轮通过皮带连接手轮组件或者电机。

5.根据权利要求1所述的一种光电测量应用实验装置，其特征在于，所述码盘上设有等分的50组黑白相间条纹。

6.根据权利要求1所述的一种光电测量应用实验装置，其特征在于，所述光电传感器由发光二极管Df和三极管Qs构成，而发光二极管Df和三极管Qs设置在码盘的两侧，首先应连接好信号调理电路板的+10V供电电源，旋转机械传动结构的手柄，用示波器观察光电传感器的输出，以确定码盘的输出与透光、遮光的关系。

7.根据权利要求6所述的一种光电测量应用实验装置，其特征在于，所述三极管Qs的集电极连接运算放大器，运算放大器为LM324集成运算放大器，而运算放大器的测试方法为：择反馈电阻，使放大倍数为-10倍；运算放大器供电电源：±10V，输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p = 0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V，双踪观察输入输出波形，记录实际输出uoep-p；绘制uip-p = 1.0V时的输入-输出波形，连续增大ui的幅值，记录出现饱和现象时输入、输出信号的峰峰值。