专利名称：一种可远程驱动的传感器实验平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种可远程驱动的传感器实验平台，属于电子与信息领域， 主要应用于传感器实验的网络化、远程化系统。
背景技术：
传感器性能的验证性或测试性实验平台，是掌握传感器相关知识及获得传感 器性能的主要工具之一，在众多高校的工科院系、传感器研究者以及生产者中普遍存在。图l、图2、图3为现有传感器实验平台的结构示意图(图中仅给出了三 种传感器，根据实际需要，可以使用其它不同传感器)，其中l为实验平台台身， 2为搡作面板，3为面板上的各旋钮，4为螺旋测微头支架，5为螺旋测微头，6 为悬臂梁，7为悬臂梁支架，8为金属应变片传感器，9为霍尔式传感器的霍尔片， IO为电容式传感器的动片，ll为连接传感器的导线，12为电压表。该平台的使 用原理为使用者首先根据实验的要求，依据对应的实验电路图，在搡作面板2 上完成所需线路的连接(下文称为处理电路)；然后调节面板上的旋钮3，进行调 零操作；再调节螺旋测微头4，改变悬臂梁7的状态，进而引起固定于悬臂梁7 上的传感器8、 9、 IO输入量的改变，引起传感器输入量的改变，则传感器上获得 对应的输出量，该输出量由导线ll经由处理电路后，在电压表12上产生对应的 电压，即为传感器的输出数据；最后由使用者根据螺旋测微头5及电压表12上的 数据，获得实验中需要的传感器输入与输出数据，完成实验。其中读取传感器输 出数据的环节，又有人工直接读取和计算机采集两种方式，前者由使用者直接从 电压表获得，而后者是将传感器输出的模拟信号接入计算机中数据釆集卡的模拟量输入端(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的串口 )，由使用者在计算机上操作完成数据采集。综观现有技术，由于实验中存在接线、调零搡作、螺旋测微头5的调节操作， 使得实验者必须在传感器实验平台旁完成或参与相关的传感器性能实验，此现状存在着1) 平台装置数量与实验者及实验数量的严重不匹配问题传感器实验的现有 状况，受实验空间的限制，使得众多的实验者不可能同时利用一套平台装置，即 实际中存在平台装置少、实验数量与实验者多的问题，若想实现平台装置与实验 者及实验数量之间的匹配关系，这在高校中几乎是不可能之事；2) 平台装置的大量重复购置以及对摆放空间的大量需求问题传感器实验的现状，必然要求添置平台装置，而且是重复性的添置，同时又必然要求摆放的空间能够匹配，这对于贵重、大型的平台装置是不可能之事；3) 实验平台的故障率高、维护频繁众多人员在有限的空间内，与实验平台 近距离接触，对设备而言，本身就存在一定的安全隐患；实验过程中存在的手动 调节环节，对众多人员而言，又极大了增加了误操作的概率，过搡作、反搡作以 及不必要的同时搡作，是实验平台实际运行中经常出现的问题；4) 资源的利用率低、浪费严重问题对实验平台的非一直占有性及实验的间 息性，大量的平台装置及摆放空间必将造成资源、人力、物力的严重浪费。实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的缺陷，提供一种可 远程驱动的传感器实验平台。实验者利用该平台进行相关实验，可以通过远程调 节的方法实现实验过程中需要的调节搡作，从而有效解决现有传感器平台使用中存在的诸多问题。本实用新型一种可远程驱动的传感器实验平台，包括实验平台台身、螺旋测 微头支架、螺旋测微头、悬臂梁、悬臂梁支架、若干被测传感器、步进电机、进 电机支架、传动筒、传动栓、光电传感器、处理电路集成板；其特征是步进电机的输出轴通过传动简和螺旋旋测微头相连；光电传感器安装在悬臂梁的平衡位 置，且监控悬臂梁上端面的位置；处理电路集成板上集成了各被测传感器(由安 装于悬臂梁上的传感器种类决定)的处理电路，并预留了扩展电路区；处理电路 集成板的控制光电传感器、安装于悬臂梁上的被测传感器。通过传感器实验平台，使用者可以利用远程信号实现传感器实验过程中所需 要的动作一一螺旋测微头5的上下调节，使得实验平台的使用者不必在实验平台 周围即可完成传感器实验中需要的搡作，与现有的必须在实验平台旁进行现场实 验的现状完全不同，可以产生以下的有益效果1、 本发明采用微处理器以及A/D转换电路内置、共用的方式，使得现场部分成本低、性能可靠，其它部分又均为常用配置，使得整个平台具有成本低的特点；2、 利用本发明，实验者可以不必围绕在实验平台旁进行传感器的实验，从而解决了现有技术中存在的实验者实验时受实验平台安放现场空间限制的问题；3、 利用本发明进行传感器实验时，实验者不必再与传感器实验平台近距离接触，从而减少了设备的故障率，降低了设备的维护成本；4、 利用本发明进行传感器实验，实验者操作的远程化，改善了设备本身的 工作环境，环境的清洁成本、设备的使用寿命均能够得到改善与提高；5、 本发明在传感器实验平台上实现了远程驱动，能够直接代替现场的手工 调节，是一种自动化的实验平台，从而增加了实验平台的自动化程度，符合当前设备的发展趋势；6、 可远程驱动的传感器实验平台，是实现传感器实验的网络化、远程化的 必要条件，因此，本发明的使用将直接使得网络化、远程化的传感器实验成为可 能，进而能够提高设备的利用率。


图l是现有传感器实验平台结构示意图(主视图) 图2是现有传感器实验平台结构示意图(右视图)图3是现有传感器实验平台结构示意图(俯视图)图4是本实用新型可远程驱动的传感器实验平台(侧视图)图5是本实用新型可远程驱动的传感器实验平台(主视图)图6是本实用新型可远程驱动的传感器实验平台(俯视图)图7是处理电路集成板与控制箱间的连接关系及信号流向示意图图8为处理电路集成板的控制电路图图9为控制盒的控制电路图以及与光电传感器、步进电机、背板接头接口， 还给出了上位机串口的接线图具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详细说明。 图4、 5、 6所示意的是本实用新型可远程驱动的传感器实验平台。其中l为 实验平台台身，4为螺旋测微头支架，5为螺旋测微头，6为悬臂梁，7为悬臂梁 支架。悬臂梁上安装了三种被测传感器，分别是金属应变片传感器8，霍尔式传感器(9为霍尔片)，电容式传感器UO为动片)。ll为连接传感器的导线，13 为步进电机，14为步进电机支架，15为传动简，16为传动栓，17为光电传感器, 18为处理电路集成板，19为控制盒，20为背板接头。其中1、 步进电机釆用工作转速在100转/分到小于400转/分之间、带细分功 能、扭矩大于l. 5N'm、两相(或三相)步进电机系统；2、 光电传感器采用检测位置精度大于O. 01mm、NPN或PNP型光电传感器；3、 背板接头采用四芯接头；4、 传动简依据螺旋测微头的外径、上下移动的距离，采用屈服强度大 于200MPa、抗拉强度大于400MPa的金属(或非金属)棒材制成内径大于螺旋测 微头外径2mm到4mm、壁厚为3mm到4mm、内筒深度60mm到80mm、外简长度为84mm 到100mm的圆简状传动筒；5、 传动栓釆用屈服强度大于275MPa、抗拉强度大于450MPa的金属(或 非金属)棒材制成直径在2mm到5腿之间、长度在10mm到20mm之间的圆柱状传动栓；6、 步进电机支架 采用屈服强度大于200MPa、抗拉强度大于400MPa的 金属(或非金属)棒材制成厚度为4mm到6mm的U型结构，或采用支柱和垫板组 合的分体结构；7、 螺旋测微头改造依据传动栓的尺寸、螺旋测微头上下移动的极限位 置、传动栓与螺旋测微头紧配合以及螺旋测微头的本身结构，确定螺旋测微头上 所开孔的直径、深度、轴向的位置，对螺旋测微头进行改造。8、 控制盒 以单片微处理器(或Arm7以上芯片为核心的处理器)为主芯 片，设计制作控制盒中的电路及处理电路集成板，控制盒采用厚度为1.5mm到 2. 5mm、强度大于200MPa的金属板材制成。步进电机13的输出轴，通过传动简15以及传动栓16和螺旋旋测微头5相连,在步进电机驱动信号的作用下，可以实现螺旋测微头5的旋转，代替现有平台上的手动调节螺旋测微头；光电传感器17可以检测进入检测范围的物体，其安装在步进电机支架14上的安装槽内，且可以上下微调，安装时确保光电传感器安装在 悬臂梁6的平衡位置附近，且监控悬臂梁6上端面的位置，该传感器可以用于检 测实验平台正常与否、修正步进电机得电与失电时刻造成的螺旋测微头转动带来 的误差、修正输出轴到螺旋测微头之间由于机械结构及装配间隙引起的步进电机 正反转时在螺旋测微头上产生的回差；处理电路集成板18上集成了上述三种传感 器的处理电路，并预留了扩展电路区；该集成板与光电传感器17、安装于悬臂梁 上的三种被测传感器以及其它部分之间的连接关系见图7。参见图7，处理电路集成板18上除了 1—n的处理电路外，还有扩展电路区以及对应各处理电路的接线端子。每个处理电路对应的接线端子相同，均具有"电 源连接线"、"处理电路与传感器输出端的连接线"、"处理电路的输出线"；以对应 传感器i的处理电路i为例，其对外的接口为"处理电路i的接线端子"，该 端子上的"电源连接线"通过继电器il与电源相连、"处理电路与传感器输出端 的连接线"直接与传感器i的输出线相连、"处理电路的输出线"通过继电器i2 接入公用的A/D转换电路；继电器il和继电器i2与微处理器的i路控制信号 线相连，公用的A/D转换电路与微处理器上的A/D转换控制信号相连，光电传感 器17直接接入微处理器的中断口。除处理电路集成板18上的结构外，其它所有的电路、连接线以及微处理器均 置于控制盒19内，其对外的接口为背板接头20,微处理器的通讯接口接入背板 接头20,而背板接头20的另 一端可以与控制计算机的通讯口相连。图8与图9为对应图7的控制图。图8为处理电路集成板18的控制电路图，含有金属应变片传感器8、霍尔式传感器的霍尔片、电容式传感器动片IO三种处 理电路以及与控制盒、传感器之间接口；图9为控制盒19的控制电路图以及与光电传感器17、步进电机13、背板接头20接口，还给出了上位机串口的接线图。本实用新型可远程驱动的传感器实验平台工作原理如下 安装时1)光电传感器17在步进电机支架14上的安装槽内上下微调，使光 电传感器在悬臂梁平衡时检测悬臂梁6的上端面；2 )确定悬臂梁6的上下移动限， 在微处理器中以移动限的95%设定为实验中允许的悬臂梁上下限；3)设定各传感 器在平衡位置以及上下极限处的理论测试值；4)悬臂梁的位置在平衡位置附近。 未进行实验时控制盒19中的微处理器进行自检，以5分钟的间隔定时对实 验平台的健康性进行检测。微处理器首先发送对处理电路i (0 < i < n+l)的选 择信号，控制继电器il与继电器i2导通，处理电路i得电并接入A/D转换电 路；微处理器向步进电机控制器发送移动信号和方向信号。在光电传感器17产生 信号的时刻(上下运动方向上各一次)、悬臂梁上下限的时刻，分别由微处理向 A/D转换电路发送A/D转换控制信号，并读取A/D转换电路的结果，将结果与对 应传感器的设定值相比。当误差小于5%时，则认为实验装置正常，否则，微处理 器标记i传感器实验电路故障；然后微处理器进行重复该检测过程，进行+l 传感器的检测。实验时微处理器通过背板接头20获得来自上位控制计算机的实验信号，包 括依据传感器种类选择进行的实验选择信号、步进电机方向信号和转动脉冲数信 号、数据读取信号。依据实验选择信号，微处理器首先向对应的两个继电器发送 控制信号，将相应的处理电路和电源接通；然后进行调零修正和得失电的启停误 差修正，其后再依据步进电机的方向信号和转动脉冲数信号对步进电机控制器发 送相应信号，驱动步进电机动作；然后再由微处理器向A/D转换电路发送A/D转换控制信号，并读取A/D转换电路的结果，将该结果进行得失电启停误差修正以 及调零修正后进行保存；将步进电机的运动脉冲数，进行回差修正，获得螺旋测微头5的实际旋转量(即悬臂梁6的实际变形量)进行存储；最后执行上位控制计算机的数据读取信号，将两结果数据传给上位控制计算机，实验者即可获得现 行实验中需要的相关参数。调零修正原理悬臂梁6的悬臂结构，长时间放置会产生变形，从而对传感器 产生附加的输入，需要进行调零修正。该误差的修正方法为微处理器向步进电 机控制器发送方向信号与转动信号，使螺旋测微头5作上下方向的摆动，摆动幅 度以上限位置的5%递增，当接收到光电传感器17的输入信号时，则微处理器判 断悬臂梁是向下移动抑或是向上移动。如果向上移动，则光电传感器检测到了悬 臂梁6的上端面，否则，微处理器向步进电机控制器发送方向信号与转动信号， 使螺旋测微头5向上移动3倍悬臂梁厚度后再向下移动，检测到光电传感器的输 入信号后即停止。此时光电传感器17位于检测到悬臂梁6上端面的位置，由安装 可知，悬臂梁位于理论上的平衡位置。微处理器向A/D转换电路发送A/D转换控 制信号，读取此时传感器结果，此结果即为零点不正确在传感器上产生的附加输 入，在后续测量予以剔除，即可实现零点修正。启停误差修正原理步进电机的启停会造成螺旋测微头5的转动，从而产生 误差。采用与调零修正相同的方法，即重新确定螺旋测微头的位置，消除该误差， 残余部分并入零点修正。回差修正原理步进电机输出轴到螺旋测微头之间釆用了传动筒15和传动拴 16，由于机械结构本身以及装配间隙的原因，步进电机正反转时会产生回差。回 差分为上回差与下回差，前者为螺旋测微头由向下运动变为向上运动时产生的回 差，后者为螺旋测微头由向上运动变为向下运动时产生的回差。依据零点修正的过程，可知螺旋测微头5最后的动作是向上运动过程中停止，则由微处理器控制 步进电机13使螺旋测微头5继续向上运动，到达上极限停止，记录此过程中步进
电机13需要的脉冲数(记位A),再由微处理器控制步进电机13使螺旋测微头5 向下运动，检测到光电传感器17的信号后停止，记录此过程中步进电机13需要 的脉冲数(记为B),再由微处理器控制步进电机13使螺旋测微头5继续向上运 动，到达上极限停止，记录此过程中步进电机13需要的脉冲数(记位C),则B-A 为下回差，C-A为上回差。微处理器将上下回差保存，在实际实验中，在实验者 要求的步进电机脉冲数基础上进行回差处理，即可得到实际的螺旋测微头移动量。
权利要求1、一种可远程驱动的传感器实验平台，包括实验平台台身、螺旋测微头支架、螺旋测微头、悬臂梁、悬臂梁支架、若干被测传感器、步进电机、进电机支架、传动筒、传动栓、光电传感器、处理电路集成板；其特征是步进电机的输出轴通过传动筒和螺旋旋测微头相连；光电传感器安装在悬臂梁的平衡位置，且监控悬臂梁上端面的位置；处理电路集成板上集成了各被测传感器的处理电路，并预留了扩展电路区；处理电路集成板的控制光电传感器、安装于悬臂梁上的被测传感器。
专利摘要本实用新型公开了一种可远程驱动的传感器实验平台，包括实验平台台身、螺旋测微头支架、螺旋测微头、悬臂梁、悬臂梁支架、若干被测传感器、步进电机、进电机支架、传动筒、传动栓、光电传感器、处理电路集成板；步进电机的输出轴通过传动筒和螺旋旋测微头相连；光电传感器安装在悬臂梁的平衡位置，且监控悬臂梁上端面的位置；处理电路集成板上集成了各被测传感器(由安装于悬臂梁上的传感器种类决定)的处理电路，并预留了扩展电路区；处理电路集成板的控制光电传感器、安装于悬臂梁上的被测传感器。实验者利用该平台进行相关实验，可以通过远程调节的方法实现实验过程中需要的调节操作，从而有效解决现有传感器平台使用中存在的诸多问题。
文档编号G01D18/00GK201348517SQ20082023839
公开日2009年11月18日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者丽 冯, 菲 吴, 吴文婷, 夏春梅, 明 徐, 黄凤良 申请人:南京师范大学