CN202473025U - 多种传感器在检测技术中的应用物理演示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种传感器在检测技术中的应用物理演示装置，演示多种常见传感器的原理和应用。该物理演示实验装置由底座平台上的步进电机驱动的同步齿形带传动机构、传感器及其控制系统组成。传感器包括：光电编码器、霍尔传感器、位置敏感器件PSD、电容式接近开关和光电传感器。连接在步进电机轴上的光电编码器用于测量步进电机转速、角速度及角度等。安装在从动皮带轮旁边的霍尔传感器用于测量与从动皮带轮同轴固定的圆盘转速。安装在同步齿形带旁的光电传感器控制电机的转速。用固定在同步齿形带上的激光笔和位置敏感器件PSD配合，演示光电精确定位。电容式接近开关和激光笔组合实现自动计数演示。

Description

多种传感器在检测技术中的应用物理演示装置

技术领域

本实用新型属于物理原理演示与应用领域，是一种将多种传感器在检测技术中的应用通过一套机械传动装置，将自动检测计量结果、所实现的控制，生动、形象展现出来，从而揭示了几种常见传感器的物理原理及其在检测技术中的应用。 

背景技术

物理演示实验教学是大学物理教学中不可缺少的重要教学手段。高校几乎都开设。目前国内的演示实验仪器都偏重原理、基本概念的演示，反映传感器在检测技术中的应用方面的物理演示仪器几乎空白。在物理演示实验中，增加这方面的内容，可以使学生将物理学理论与工程实际应用有机结合起来，激发低年级学生对专业学习的兴趣，可以拓展低年级本科生的知识结构，有利于激发学生的创新性，让学生受到科研工作的基本训练，全面提高学生的科学素养和综合能力。 

本实用新型即为演示几种传感器的原理及在检测技术中的应用和控制的物理演示教学装置。 

发明内容

本实用新型的目的是提供一种多传感器在检测技术中的应用物理演示装置。主要由底座平台和用于采集信息的传感器以及控制系统组成，其特征在于，所述传感器包括：光电编码器、光电传感器、霍尔传感器、位置敏感器件PSD和电容式接近开关；光电编码器(5)和步进电机(1)相连，用于测量步进电机(1)的转速、角速度和角度；光电传感器的发射端(15)和光电传感器接收端(18)分别固定在光电传感器支座I(16)和光电传感器支座II(17)上，用于控制步进电机(1)的转速；霍尔传感器(21)用于测量与从动皮带轮(11)同轴固定的转盘(20)的转速；位置敏感器件PSD(12)固定于位置敏感器件PSD支座(22)上，用于判断固定于同步齿形带(9)上的激光笔(10)的位置；电容式接近开关(13)固定于电容式接近开关支座(23)上，用于实现激光笔(10)经过次数的计数。 

本实用新型发明是一个以步进电机(1)驱动同步齿形带(9)为基本模型，配合多种传感器以测量和控制这一基本模型的相关物理量。本实用新型发明所述的步进电机(1)固定于步进电机支座(2)上，光电编码器(5)和步进电机(1)相连，用于测量步进电机(1)的转速、角速度和角度，并将测量信息显示于数据显示区(8)。由于光电编码器(5)同时 与主动皮带轮(6)相连，而主动皮带轮(6)的直径已知，这样通过光电编码器(5)的角速度与转角也能够测量同步齿形带(9)的移动线速度。 

所述的霍尔传感器(21)固定于霍尔传感器支座(19)上，固定在从动皮带轮(11)同轴的转盘(20)上有小磁铁(14)，霍尔传感器(21)通过检测小磁铁(14)的磁场，实现转盘(20)的转速测量。由于从动皮带轮(11)和主动皮带轮(6)几何参数相同，所以其转速相同。这样通过比较霍尔传感器(21)和光电编码器(5)的检测结果，使学生了解同一个物理量用不同传感器计量，所测量的精度不同，成本差异很大。 

所述光电传感器的发射端(15)和光电传感器接收端(18)分别固定在同步齿形带(9)两侧的光电传感器支座I(16)和光电传感器支座II(17)上，当光电传感器发射端(15)和光电传感器接收端(18)间无物体遮挡时，光电传感器发射端(15)发出的光线能够被光电传感器接收端(18)接收，光电传感器接收端(18)有高电平输出；当光电传感器发射端(15)和光电传感器接收端(18)间有物体遮挡时，光电传感器发射端(15)发出的光线不能够被光电传感器接收端(18)接收，光电传感器接收端(18)有低电平输出，这样通过高低电平的输出来控制步进电机(1)的转速，模拟商场和公共场所的自动节能扶梯有人与无人乘梯时运行速度快慢的不同。 

所述同步齿形带(9)上固定了激光笔(10)，在与同步齿形带(9)上平面等高并且垂直的一定距离处安装位置敏感器件PSD(12)，位置敏感器件PSD(12)固定在位置敏感器件PSD支座(22)上，固定于同步齿形带(9)上的激光笔(10)发出的光照射到位置敏感器件PSD(12)上，当激光笔(10)在不同位置时，位置敏感器件PSD(12)的输出信号不同，位置敏感器件PSD(12)通过处理实现对激光笔(10)的位置判断及定位。数据显示区(8)显示激光笔(10)的位置。 

所述同步齿形带(9)侧边安装了电容式接近开关(13)，电容式接近开关(13)固定于电容式接近开关支座(23)上，当激光笔(10)经过时，电容式接近开关(13)的介电常数发生变化，这样就可以实现对激光笔通过次数的自动计数，模拟生产线上自动计量产品的数量。 

本实用新型发明所述的控制系统都安装于底座平台(4)中，测量的结果和运行的状态通过数据显示区(8)显示。键盘输入区(7)可以输入相关的信息与演示，操作十分简便，演示现象非常直观。该演示装置还配有教学软件，查阅可更详细了解各种传感器的原理、应用、参数及适用范围。 

本专利的有益效果是：清晰的演示了多种常见传感器的工作原理和控制过程，直观、生动的演示加深学生对每种传感器在检测技术上的应用的了解。同时，使学生能了解同一个物理量用不同传感器计量，所测量的精度不同，成本差异很大，培养学生具体问题具体分析的习惯和加强工程意识。 

附图说明

图1总体结构正面示意图 

图2总体结构后侧面示意图 

图3光电编码器测量转速、角速度、角度示意图 

图4霍尔传感器测量转速示意图 

图5电容式接近开关实现计数示意图 

图6固定光电传感器组示意图 

图7光电自动定位示意图 

1-步进电机 2-步进电机支座 3-联轴节 4-底座平台 5-光电编码器 6-主动皮带轮 7-键盘输入区 8-数据显示区 9-同步齿形带 10-激光笔 11-从动皮带轮 12-位置敏感器件PSD13-电容式接近开关 14-小磁铁 15-光电传感器发射端 16-光电传感器支座I 17-光电传感器支座II 18-光电传感器接收端 19-霍尔传感器支座 20-转盘 21-霍尔传感器 22-位置敏感器件PSD支座 23-电容式接近开关支座 24-控制系统 25-主动皮带轮轴承支座 26-从动皮带轮轴承支座 

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进一步说明本实用新型的具体内容及实施方式。 

根据图1和图2所述，当在键盘输入区(7)输入运行指令后，步进电机(1)以较慢的速度运行，同时，各传感器开始正常工作，在数据显示区(8)分别显示光电编码器(5)检测的步进电机(1)的转速、角速度、角度和同步齿形带(9)的线速度结果，霍尔传感器(21)检测的转盘(20)转速结果，电容式接近开关(13)检测的激光笔(10)通过电容式接近开关(13)次数的计数结果，步进电机(1)运行的状态参数。当激光笔(10)运行至位置敏感器件PSD(12)位置时，数据显示区(8)显示激光笔(10)运行位置。当用手遮挡光电传感器发射端(15)和光电传感器接收端(18)时，步进电机(1)加速，在延时一段时间后，步进电机(1)又开始缓慢转动，从而模拟出商场和公共场所的自动节能扶梯在有人与无人乘梯时运行速度快慢不同。 

本实用新型实施具体采用如下的技术路线： 

1、光电编码器测量转速、角速度、角度、线位移的技术路线 

根据图3所示，步进电机(1)固定在步进电机支座(2)上，步进电机(1)的输出轴通过联轴节(3)与光电编码器(5)输入轴相连，用于测量步进电机(1)的转速、角速度和角度，并将测量信息显示于数据显示区(8)。编码器(5)的输出轴连接主动皮带轮(6)，主动皮带轮旋转轴用主动皮带轮轴承支座(25)支撑，当步进电机(1)转动时，带动光电编码器(5)转动，光电编码器(5)将角位置等信息输送至光电编码器控制系统(24)，同时，控制系统(24)与数据显示区(8)相连，用于显示步进电机(1)的转速、角速度、 角度及其同步齿形带(9)的线速度。控制系统(24)也和步进电机(1)相连接，可以控制步进电机(1)的转速。 

2、霍尔传感器测量转速的技术路线 

根据图4所述，从动皮带轮旋转轴两侧用从动皮带轮轴承支座(26)支撑，在从动皮带轮(11)轴上安装一个转盘(20)，转盘(20)上粘一个很薄的小磁铁(14)，与小磁铁(14)中轴垂线一定距离的霍尔传感器支座(19)上安装霍尔传感器(21)。当转盘(20)转动时，小磁铁(14)每经过霍尔传感器(21)时，霍尔传感器(21)通过检测小磁铁(14)的磁场，其信号会发生跳变，将其输出的信号输入至控制系统(24)中，经过控制系统(24)处理后，测出转盘(20)转速，并显示于数据显示区(8)上。 

3、电容式接近开关自动计数的技术路线 

根据图5所述，在同步齿形带(9)旁边安装一个电容式接近开关(13)，电容式接近开关(13)固定于电容式接近开关支座(23)上。当激光笔(10)通过电容式接近开关(13)时，由于电容式接近开关(13)的介电常数发生变化。电容式接近开关(13)将信号输入至控制系统(24)，控制系统(24)通过处理，记录激光笔(10)通过次数，实现自动计数，同时将计数结果输出到数据显示区(8)显示。 

4、模拟节能自动扶梯的技术路线 

根据图6所述，光电传感器安装在从动皮带轮(11)旁边，当光电传感器发射端(15)和光电传感器接收端(18)间无物体遮挡时，光电传感器发射端(15)发出的光线能够被光电传感器接收端(18)接收，光电传感器接收端(18)有高电平输出；当光电传感器发射端(15)和光电传感器接收端(18)间有物体遮挡时，光电传感器发射端(15)发出的光线不能够被光电传感器接收端(18)接收，光电传感器接收端(18)有低电平输出，这样通过控制系统(24)判断光电传感器接收端(18)输出信号来判断是否有物体遮挡，同时控制步进电机(1)的转速，模拟商场和公共场所的自动节能扶梯有人时转速较快，无人乘梯时运行速度慢。控制系统(24)同时将当前的运行状态输出到数据显示区(8)显示。 

5、光电自动定位技术路线 

根据图7所述，在同步齿形带(9)的中间，安置激光笔(10)，在与其等高并且垂直的一定距离处安装位置敏感器件PSD(12)。当激光笔(10)移动到位置敏感器件PSD(12)上不同位置时，固定于同步齿形带(9)上的激光笔(10)发出的光照射到位置敏感器件PSD(12)上，位置敏感器件PSD(12)输出信号不同。将位置敏感器件PSD(12)的输出信号输入至控制系统(24)，控制系统(24)经过处理后，判断激光笔(10)的位置，设置位置敏感器件PSD(12)位置坐标，当激光笔(10)运行到所设位置时，电机停止运转，实现定位。当关闭此项功能时，其他功能正常运行。 

Claims (6)

1.一种传感器在检测技术中的应用物理演示装置，主要由底座平台和用于采集信息的传感器以及控制系统组成，其特征在于，所述传感器包括：光电编码器、光电传感器、霍尔传感器、位置敏感器件PSD和电容式接近开关；光电编码器(5)和步进电机(1)相连，用于测量步进电机(1)的转速、角速度和角度；光电传感器的发射端(15)和光电传感器接收端(18)分别固定在光电传感器支座I(16)和光电传感器支座II(17)上，用于控制步进电机(1)的转速；霍尔传感器(21)用于测量与从动皮带轮(11)同轴固定的转盘(20)的转速；位置敏感器件PSD(12)固定于位置敏感器件PSD支座(22)上，用于判断固定于同步齿形带(9)上的激光笔(10)的位置；电容式接近开关(13)固定于电容式接近开关支座(23)上，用于实现激光笔(10)经过次数的计数。

2.根据权利要求1所述的一种传感器在检测技术中的应用物理演示装置，其特征在于，所述的光电编码器(5)和步进电机(1)相连，用于测量步进电机(1)的转速、角速度和角度，并将测量信息显示于数据显示区(8)。

3.根据权利要求1所述的一种传感器在检测技术中的应用物理演示装置，其特征在于，所述的光电传感器发射端(15)和光电传感器接收端(18)分别固定于光电传感器支座I(16)和光电传感器支座II(17)上，通过判断光电传感器发射端(15)和光电传感器接收端(18)间是否有遮挡来控制步进电机(1)的转速。

4.根据权利要求1所述的一种传感器在检测技术中的应用物理演示装置，其特征在于，所述的霍尔传感器(21)固定于霍尔传感器支座(19)上，固定在从动皮带轮(11)同轴的转盘(20)上有小磁铁(14)，霍尔传感器(21)通过检测小磁铁(14)的磁场，实现转盘(20)的转速测量。

5.根据权利要求1所述的一种传感器在检测技术中的应用物理演示装置，其特征在于，所述的位置敏感器件PSD(12)固定在位置敏感器件PSD支座(22)上，固定于同步齿形带(9)上的激光笔(10)发出的光照射到位置敏感器件PSD(12)上，位置敏感器件PSD

(12)通过处理实现对激光笔(10)的位置判断及定位。

6.根据权利要求1所述的一种传感器在检测技术中的应用物理演示装置，其特征在于，所述的电容式接近开关(13)固定于电容式接近开关支座(23)上，当激光笔(10)经过时，电容式接近开关(13)介电常数变化，实现对激光笔通过次数的自动计数。 

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