CN201964902U

CN201964902U - 一种一体式传感器实验仪

Info

Publication number: CN201964902U
Application number: CN2010206753505U
Authority: CN
Inventors: 黄凤良; 吴文婷; 夏春梅
Original assignee: Nanjing Normal University
Current assignee: Nanjing Normal University
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2020-12-23

Abstract

本实用新型公开了一种一体式的实验仪器，能够广泛应用于传感器性能的验证性和测试性的实验，属于机电控制技术领域。该传感器实验仪不仅在现有实验仪的基础上增设了接线柱或接线孔，还包括转换与传输模块、操控平台以及运行模块，转换与传输模块置于传感器实验仪的内部，操控平台则通过连接部件固定于传感器实验仪的侧面，运行模块包括系统管理功能模块、数据采集功能模块、数据传输功能模块、数据显示与存储功能模块以及实验报告自动生成功能模块。本实用新型的传感器实验仪结构紧凑、操作简单、实验过程和实验结果可以一次性完成与获得，使得单次实验周期短、效率高，从而提高了实验的效果。

Description

一种一体式传感器实验仪

技术领域

本实用新型涉及一种一体式的实验仪器，能够广泛应用于传感器性能的验证性和测试性的实验，属于机电控制技术领域。

背景技术

传感器实验仪可以完成对传感器性能的验证性和测试性实验，是掌握传感器相关知识和获得传感器性能的主要工具之一，在工科院校、相关研究单位以及生产部门具有广泛的应用。图1中给出了一种典型的传感器实验仪结构，主要由以下几部分构成：实验仪台身、操作面板、旋钮、电压表头、悬臂梁支架、悬臂梁、各类传感器、连接导线、螺旋测微头支架以及螺旋测微头。使用时，实验者首先根据实验要求，依据对应的实验电路，在操作面板上完成所需线路的连接；然后通过调节旋钮进行调零；再调节螺旋测微头，改变悬臂梁的位置，进而引起固定于悬臂梁上的传感器输入量的改变，使得传感器上获得对应的输出量，该输出量由连接导线经处理电路后成为传感器的输出数据，由数据读取环节获得；最后结合螺旋测微头上的示数（即传感器输入数据），即可获得实验中所需的传感器输入输出数据，完成实验数据的获取。

依据数据读取环节的不同，传感器实验仪分为两种主要工作形式（参见图1中的（a）和（b））：一种是直接配接示波器，利用电压表头和示波器共同完成数据读取，即人工直接读取数据的方式；另一种是配备PC机，将传感器输出信号接入计算机中的数据采集卡输入端（或是在处理电路中增加A/D环节，出口数据直接接入计算机串口），利用PC机中的软件完成数据读取，电压表头起辅助作用，即计算机采集数据的方式。两种方式下获得的实验数据均需实验者离线处理，进而获得实验报告，以完成整个传感器实验过程。

综观现有技术，以上两种实验仪的使用形式中存在着如下不足：

1. 资源利用率低、浪费严重

传感器实验仪的使用具有功能单一性以及明显的非一直占有性和间歇性特点，作为配接使用的PC机或示波器，不仅只发挥了极少部分的功能，而且更多时候处于闲置状态，形成了设备资源的浪费；同时配接使用的PC机或示波器增加了传感器实验系统的占用空间和建设成本，造成了空间资源与资金的浪费。

2. 实验缺乏连续性

实验者在线完成的是实验的相关操作以及实验数据的获取，对于实验数据的处理以及实验最终结果的获得需要另行完成，这种方式一定程度上影响了实验的连续性、影响了实验的效果。

3. 实验系统的故障率高

实验系统由传感器实验仪、PC机或示波器等独立部件相连而成，作为常用仪器设备的示波器和PC机，在实验系统闲置时常被卸下挪作它用，从而增加了系统出故障的概率，一定程度上增加了维护成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种一体式传感器实验仪，在能实现现役传感器实验系统功能的同时，解决现有技术中存在的以上缺陷，即提高资源利用率、改善空间占有率、降低系统故障率以及强化实验效果。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种一体式传感器实验仪，包括实验仪台身、操作面板、旋钮、电压表头、悬臂梁支架、悬臂梁、各类传感器、连接导线、螺旋测微头支架以及螺旋测微头，还包括转换与传输模块、操控平台以及运行模块，并增设接线柱或接线孔；所述转换与传输模块置于传感器实验仪的内部；所述操控平台通过连接部件固定于传感器实验仪的侧面，其包括主板、输入输出设备、传输接口和文件交换接口，所述传输接口的一端连接至主板，另一端连接至所述转换与传输模块；所述运行模块包括系统管理功能模块、数据采集功能模块、数据传输功能模块、数据显示与存储功能模块以及实验报告自动生成功能模块，所述系统管理功能模块位于操控平台中的主板部分，并对数据采集功能模块、数据传输功能模块、数据显示与存储功能模块、实验报告自动生成功能模块进行协调管理，所述数据采集功能模块位于转换与传输模块中，并采集传感器的输出信号，所述数据传输功能模块同时位于转换与传输模块以及操控平台主板中，并接收操控平台的操作命令、采集数据向操控平台的发送以及操作命令向转换与传输模块的发送、接收来自转换与传输模块的采集数据，所述数据显示与存储功能模块位于操控平台中的主板部分，并显示由数据传输模块发送来的数据、提供数据记录表格、进行存储，所述实验报告自动生成功能模块位于操控平台中的主板部分，并在线完成实验报告。

本实用新型的一体式传感器实验仪与现役形式的传感器实验仪相比，具有以下有益效果：（1）资源利用率高：本实用新型的实验仪以完整单一的仪器设备形态出现，资源能够得到最大程度的利用，既节省了设备的成本，也降低了设备的空间占有率；（2）故障率低；能够完成实验过程中所需的各种操作，无需再外接其它任何硬件设备，能够有效降低设备的故障率，在极大改善设备的使用成本与维护成本的同时，也极大的提高了设备的使用寿命；（3）实验连续性强：实验者在现场完成实验数据读取、记录、处理的同时，利用实验报告自动生成功能模块可以直接获得完整实验报告，有助于实验者根据实验结果对现场传感器结构、电路与性能做深入全面的了解，在保证了实验操作与实验结果连续性的同时，能够明显的改善实验效果；（4）实验的效率高：结构紧凑、操作简单、实验过程和实验结果的一次性完成与获得等特点，使得基于一体式传感器实验仪的单次实验周期短、效率高，从而提高了实验的效果；（5）无纸化特点明显：基于本实用新型实验仪进行的传感器实验，从实验内容、实验目的、实验原理、实验步骤以及实验结果，对纸张的依赖几乎为零，能够真正实现无纸化的实验，从而对于实验结果的长期保存、实验室的现代化管理具有非常重要的意义。

附图说明

图1为现役传感器实验仪的两种工作形式（1：实验仪台身；2：操作面板；3：旋钮；4：电压表头；5：悬臂梁支架；6：悬臂梁；7：各类传感器；8：连接导线；9：螺旋测微头支架；10：螺旋测微头；11：示波器；12：PC机）。

图2为本实用新型实验仪的结构示意图。

图3为本实用新型实验仪的操作平台在非工作状态和工作状态下的结构示意图。

图4为本实用新型实验仪的原理框架图。

图5为本实用新型运行模块中系统管理功能模块功能图。

图6为本实用新型运行模块中数据采集功能模块功能图。

图7为本实用新型运行模块中数据传输功能模块功能图。

图8为本实用新型运行模块中数据显示与存储功能模块功能图。

图9为本实用新型运行模块中实验报告自动生成功能模块功能图。

图10为本实用新型实施例中接线孔的结构图。

图11为本实用新型实施例中连接部件的固定板结构示意图。

图12为本实用新型实施例中连接部件的滑动板结构示意图。

图13为本实用新型实施例中转换与传输模块的电路原理图。

图14为本实用新型实施例金属箔式应变片灵敏度实验的实验报告，（a）为实验报告开头的部分截图，（b）为实验报告结尾的部分截图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图2和图3所示，本实用新型在现役传感器实验仪的基础上，增加接线柱或接线孔15，用以增加输出信号输出端，从而在提供实验仪上所有实验输出信号统一接口的同时，为连接转换与传输模块13提供接口。在实验仪的侧面增加连接部件16，用于实现操控平台14与实验仪台身1的连接。图3（a）、（b）为操控平台14在非工作和工作状态时的示意图，操控平台14与所在水平面之间的角度可依据使用者的可视角度进行调整。

如图4，转换与传输模块13实现的功能是在与操控平台14进行信息交换的同时，将传感器实验输出的信号（包括模拟信号和数字信号）进行转换与传输，采用微处理器（包括单片机、DSP、ARM、FPGA、CPLD、PC104）+A/D转换芯片（AD574、ADS774、ADC0809）+放大电路（包含AD622、OP07、LF353组成的放大电路）以集成式或分列式的结构形式实现转换功能，传输功能采用ISA、PCI、USB、1394、PC104总线或串口形式连接到操控平台的传输接口实现，其中微处理器也是软件部分的数据采集功能模块和数据传输功能模块的载体。

操控平台14的主要组成部分有：

1）主板是以微处理器（包括单片机、DSP、ARM、FPGA、CPLD、PC104）为核心的集成电路板，主要负责连接输入输出设备、传输接口、文件交换接口以及预留接口，在协调相互之间工作的同时，提供转换与传输模块13需要的相关参数（如启停控制、采样方式、采样频率和采样点数等）、接收由转换与传输模块13通过传输接口传送来的传感器输出信号，并实现对所获数据的显示、整理、存储以及完整实验报告的生成；

2）输入输出设备采用触摸式显示屏，或者是普通显示屏和键盘/鼠标的组合，它连接至主板，实现包含操作命令、参数设置、结果显示等内容的操作界面显示，并接受参数设置与操作命令等输入或选择功能；

3）传输接口包括以ISA、PCI、USB、1394、PC104总线或串口形式出现的接口，其一端连接至主板，另一端连接至转换与传输模块13，是操控平台14同转换与传输模块13之间进行信息与数据交换的桥梁；

4）文件交换接口采用USB接口形式，实现操控平台14与移动存储介质之间的数据交换；

5）预留接口是可选部分，包含VGA接口和网络接口，以备大屏幕显示和联网之用。

本实用新型运行模块包括系统管理功能模块、数据采集功能模块、数据传输功能模块、数据显示与存储功能模块以及实验报告自动生成功能模块。

1）系统管理功能模块

系统管理功能模块位于操控平台14中的主板部分，实现本实用新型实验仪中操作界面的运行、退出、选择实验、提供操作命令（包括实验相关的操作命令、与移动存储介质进行数据交换的命令）、设置操作参数以及与移动存储介质交换数据等功能，并实现数据采集功能模块、数据传输功能模块、数据显示与存储功能模块、实验报告自动生成功能模块的协调管理，参见图5。

2）数据采集功能模块

数据采集功能模块位于转换与传输模块13中，受控于系统管理功能模块的协调管理，并依据操作命令及相关参数（如启停控制、采样方式、采样频率和采样点数等）实现传感器输出信号（包括模拟信号和数字信号）的采集，参见图6。

3）数据传输功能模块

数据传输功能模块同时位于转换与传输模块13以及操控平台14中的主板部分，在受控于系统管理功能模块协调管理的同时，分别完成来自操控平台14的操作命令接收、采集数据向操控平台14的发送以及操作命令向转换与传输模块13的发送、来自转换与传输模块13的采集数据接收的功能，参见图7。

4）数据显示与存储功能模块

数据显示与存储功能模块位于操控平台14中的主板部分，受控于系统管理功能模块的协调管理，同时将数据传输模块发送来的数据以数值、波形的方式进行显示，提供数据记录表格，以数据或波形形式进行存储等功能，参见图8。

5）实验报告自动生成功能模块

实验报告自动生成功能模块位于操控平台14中的主板部分，受控于系统管理功能模块的协调管理，同时实现以下功能：实验时，强制实验者阅读实验内容、实验目的、实验原理以及实验步骤等相关的实验信息；实验后，要求实验者在线完成实验报告，即实验者完成必要的数据处理并将处理结果进行保存后，自动生成本次实验的完整实验报告，参见图9。

本实用新型实验仪的工作原理如下：

1）实验者基于本实用新型一体式传感器实验仪的操控平台14，启动操作界面，选择将要进行的传感器实验类型后，阅读实验目的、实验原理以及实验的步骤。

2）根据实验的要求及电路图，在传感器实验仪的操作面板2上完成所需线路的连接，并通过调节旋钮3，进行调零操作。

3）实验者利用操控平台14中的输入输出设备在操作界面中完成实验参数的输入或选择、操作命令的选择等，然后由系统管理功能模块将参数和命令分别送往相应模块；

（a）通过数据传输功能模块发送到数据采集功能模块的参数和命令决定了转换与传输模块部分的功能：接收到操控平台14发送来的“开始采集”命令后，依据参数进行数据采集和向操控平台14的数据传送；当接收到的是“停止采集”命令时，则结束采集；

（b）数据显示与存储功能模块接收到命令后，将操控平台14接收的、由转换与传输模块部分发送来的采集数据在输出设备的操作界面上以数值或波形的方式显示，并依据存储命令将数据或波形进行存储。

4）实验者依据实验的要求和操作界面提供的记录表格，记录实验结果。

5）实验者将实验结果进行处理并保存后，执行“生成实验报告”命令，则由系统管理功能模块调用实验报告自动生成功能模块，自动生成本次实验的完整实验报告。

6）依据实验者的要求，利用移动存储介质实现实验数据和实验报告的保存，完成本次实验。

具体实施例：

本实施例的方法简单，通过改进现有的传感器实验仪，设计制作转换与传输模块13，购置（或由主板直接引出）输入输出设备、传输接口、文件交换接口、预留接口后设计制作主板或购置符合功能的主板，然后进行装配，即可获得本实用新型的一体式传感器实验仪。

1、实验仪的组成结构

（1）改进的传感器实验仪

本实例选用SY-2传感器实验仪获得改进的传感器实验仪部分，具体如下：

（a）接线孔15的结构如图10所示，用屈服强度大于120MPa、抗拉强度大于300Mpa的铜制成该接线孔15。在实验仪上（图3中标记15所在位置）加工两个φ4.5的孔，然后将接线孔15插入后用M4的薄螺母固定。

（b）连接部件16由设计加工的固定板（图11）、滑动板（图12）以及购买的铰链、螺钉及螺母构成，安装于传感器实验仪的右侧面（其上加工有相应的连接部件安装孔），用于连接实验仪和操控平台14。固定板和滑动板均选用抗拉强度大于180Mpa铝合金板加工制成。固定板上有4个安装孔a、转轴孔b和圆弧滑槽c（以转轴孔b为圆心、85mm为半径、弧度为10^o、宽度为4.5mm）；滑动板上有转轴孔b、铰链安装孔d和定位孔e。安装时将转轴插入固定板和滑动板的转轴孔b，定位销穿过圆弧滑槽c和定位孔e后用M4的螺母固定。

（2）转换与传输模块13

转换部分电路采用AT89C52单片机为微处理器，12位精度的A/D转换芯片AD574A，以及低功耗仪表放大器AD622，以分列式的形式实现电压范围在±10V的模拟信号到数字信号的转换功能；传输部分电路采用MAX232芯片实现电平转换，以RS232串口的形式向操控平台传送转换后的实验数据。转换与传输模块电路原理图参见图13。

（3）操控平台14

（a）主板：购置嵌入式工业主板PC104/LX801D，利用连接线引出主板上集成的VGA接口以及10/100M自适应网口，用于预留接口；

（b）输入输出设备：购置7.8寸18bit TFT 640x480真彩液晶屏（+12V DC供电）和7.8寸4线制电阻触摸屏（USB接口供电），构成触摸液晶屏，作为输入输出设备。液晶屏通过定制的数据线经TFT LCD显示接口与主板相连，触摸屏通过USB接口与主板相接；

（c）传输接口：利用定制的数据线，引出主板上集成的RS232串口，作为本实例中的传输接口；以9针串口为传输接口，利用两端均为9针串口形式的数据线实现转换与传输模块和主板的相连；

（d）文件交换接口：利用连接线引出主板上集成的USB接口，作为文件交换接口。

（4）其它组成部分

（a）电源：

采用输出电压/电流为5V/（1～6A）和±12V/1A的开关电源为本实例的电源，分别为主板、转换与传输模块13以及触摸液晶屏供电。主板接+5V直流电源，转换与传输模块接±12V和+5V直流电源，液晶屏接+12V电源，而触摸屏通过USB接口由主板供电。

（b）背板：本实例中背板直接基于SY-2型传感器实验仪背板、设计添加各接口和开关所需的对应尺寸孔而获得。主板上引出的各类接口通过螺母固定和卡扣的方式定位于背板上，背板上除有电源接口、电源开关外，还有为实现文件交换用的USB接口、预留的网络接口及VGA接口。

（c）操控平台安装盒：本实例中，采用厚度为2mm、抗拉强度大于200MPa的铝合金板制成操控平台安装盒，用于安放操控平台的相关硬件。

将上述各部分进行装配：转换与传输模块13放置在改进的传感器实验仪内部，通过铜柱与实验仪底板固定；操控平台14通过连接部件16安装在改进的传感器实验仪右侧面，即获得本实用新型的一体式传感器实验仪。

2、实验仪的使用与操作

本实用新型实验仪的使用与操作方法简单，现以金属箔式应变片灵敏度实验为例作简单介绍。

（1）实验过程

步骤1：实验者通过触摸屏操作启动操作界面，填写实验者信息后，选定传感器实验类型——金属箔式应变片；

步骤2：依据操作界面的显示，阅读金属箔式应变片实验的实验内容、实验目的、实验原理和实验步骤等相关信息；

步骤3：基于金属箔式应变片实验要求，在一体式传感器实验仪操作面板2上用导线8连接实验电路，并将传感器信号的输出连接到接线孔15；

步骤4：确定实验的采样方式、采样点数和采样频率，并在操作界面上进行设置；

步骤5：调节螺旋测微头10，使其处于一确定位置，然后执行“开始采集”命令，进行数据的采集；当实验数据在操作界面上显示时，利用触摸屏在数据记录表格中完成数据的记录；

步骤6：重复步骤5的过程，直至实验数据采集完毕；

步骤7：对实验数据进行保存，并对数据进行处理以获得灵敏度参数，将处理结果按规定的路径进行存放；

步骤8：实验者执行“生成实验报告”命令，即可获得一份内容完整的实验报告，完成实验。

（2）实验结果

利用本实用新型的一体式传感器实验仪，获得的金属箔式应变片灵敏度实验报告如图14所示。

Claims

1.一种一体式传感器实验仪，包括实验仪台身（1）、操作面板（2）、旋钮（3）、电压表头（4）、悬臂梁支架（5）、悬臂梁（6）、各类传感器（7）、连接导线（8）、螺旋测微头支架（9）以及螺旋测微头（10），其特征在于，传感器实验仪还包括转换与传输模块（13）、操控平台（14）以及运行模块，并增设接线柱或接线孔（15）；所述转换与传输模块（13）置于传感器实验仪的内部；所述操控平台（14）通过连接部件（16）固定于传感器实验仪的侧面，包括主板、输入输出设备、传输接口和文件交换接口，其中，所述传输接口的一端连接至主板，另一端连接至所述转换与传输模块（13）；所述运行模块包括系统管理功能模块、数据采集功能模块、数据传输功能模块、数据显示与存储功能模块以及实验报告自动生成功能模块，所述系统管理功能模块位于操控平台（14）中的主板部分，并对数据采集功能模块、数据传输功能模块、数据显示与存储功能模块、实验报告自动生成功能模块进行协调管理，所述数据采集功能模块位于转换与传输模块（13）中，并采集传感器的输出信号，所述数据传输功能模块同时位于转换与传输模块（13）以及操控平台（14）主板中，并接收操控平台（14）的操作命令、采集数据向操控平台（14）的发送以及操作命令向转换与传输模块（13）的发送、接收来自转换与传输模块（13）的采集数据，所述数据显示与存储功能模块位于操控平台（14）中的主板部分，并显示由数据传输模块发送来的数据、提供数据记录表格、进行存储，所述实验报告自动生成功能模块位于操控平台（14）中的主板部分，并在线完成实验报告。

2.根据权利要求1所述的一种一体式传感器实验仪，其特征在于，所述转换与传输模块（13）采用微处理器、A/D转换芯片和放大电路以集成式或分列式的结构形式实现转换功能；采用ISA、PCI、USB、1394、PC104总线或串口形式连接到操控平台（14）的传输接口实现传输功能。

3.根据权利要求2所述的一种一体式传感器实验仪，其特征在于：所述连接部件（16）由固定板、滑动板、转轴、铰链、螺钉及螺母等构成，固定板上设有安装孔、转轴孔和圆弧滑槽；滑动板上设有转轴孔、铰链安装孔和定位孔；转轴插入所述固定板和滑动板的转轴孔，定位销穿过所述固定板的圆弧滑槽和所述滑动板的定位孔后用螺母固定。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种一体式传感器实验仪，其特征在于，所述操控平台（14）还包括预留接口：VGA接口和网络接口。