一种传感信号检测转换实验箱及传感器容纳箱转让专利
申请号 : CN201610705644.X
文献号 : CN106097851A
文献日 : 2016-11-09
发明人 : 王晓燕 , 秦海鹏 , 丁启胜
申请人 : 江苏师范大学
摘要 :
一种传感信号检测转换实验箱，该实验箱包括主机箱和传感器容纳箱，主机箱体设置有传感信号检测转换调理模块、传感信号数字化处理模块和系统供电模块。三个模块分别制作电路板。本发明优点：传感信号检测转换调理模块包括各种类型传感器检测转换电路和三种典型的模拟信号调理电路。各功能电路虽统一制板，但各自独立运行，使用者可根据具体的传感信号处理要求，选择合适的信号调理电路，实现对实验测试电路的灵活设计。主实验箱与计算机联机运行有三种数据通信方式可供选择。系统硬件体积更加小巧、紧凑；硬件升级与维护方便，可面向高校工科多门专业课程实验教学，有利于学生工程实践能力和发散创新型思维的培养。
权利要求 :
1.一种传感信号检测转换实验箱，其特征在于：该实验箱包括主机箱(1)，所述主机箱(1)内设置有传感信号检测转换调理模块(3)、传感信号数字化处理模块(4)和系统供电模块(5)，所述传感信号数字化处理模块(4)将传感信号检测调理模块(3)输出的模拟信号进行数字化的分析、处理、显示，并可以直接通过RS232、RS485串行数据接口，或通过ECS8405CP USB转RS232/RS485转换器与计算机实现数据通信；
所述传感信号检测转换调理模块(3)和传感信号数字化处理模块(4)之间通过主机箱(1)内部的固定条进行拼接固定；
所述系统供电模块(5)安装在主机箱(1)的内部，并固定在传感信号检测转换调理模块(3)和传感信号数字化处理模块(4)的下方。
2.根据权利要求1所述的一种传感信号检测转换实验箱，其特征在于：所述传感信号检测转换调理模块(3)包括传感器信号检测转换电路和增益可调的传感信号调理电路；传感器信号检测转换电路与传感信号调理电路虽统一制板，但分开设计，各自独立运行。
3.根据权利要求2所述的一种传感信号检测转换实验箱，其特征在于：所述传感器信号检测转换电路包括霍尔传感器检测转换电路、电容传感器检测转换电路、温度传感器检测转换电路、电涡流传感器检测转换电路、电阻应变片传感器检测转换电路。
4.根据权利要求3所述的一种传感信号检测转换实验箱，其特征在于：所述传感器信号检测转换电路中的传感器为霍尔式位移传感器、电容式位移传感器、集成温度传感器AD590、集成温度传感器DS18B20、K型热电偶、Pt100铂电阻温度传感器、电涡流传感器、电阻应变片传感器。
5.根据权利要求4所述的一种传感信号检测转换实验箱，其特征在于：所述传感器信号检测转换电路中配置的霍尔式位移传感器、电容式位移传感器的外壳封装材料均为透明材质。
6.根据权利要求2至5任一项所述的一种传感信号检测转换实验箱，其特征在于：所述增益可调的传感信号调理电路包括三运放高共模抑制比仪用放大电路、差分比例运算电路、比例与加法模拟信号幅值调整运算电路。
7.根据权利要求1所述的一种传感信号检测转换实验箱，其特征在于：所述传感信号数字化处理模块(4)包括MSP430F147单片机、4×4矩阵键盘、LM24016RFW液晶显示器、SP3232E串行通信芯片、SP3485EN串行通信芯片。
8.根据权利要求1或7所述的一种传感信号检测转换实验箱，其特征在于：所述传感信号数字化处理模块(4)能够对采集到的传感检测信号进行软件滤波、非线性校正、标度变换、存储、显示处理，也能够将数据传输给计算机，实现数据分析处理的智能化与网络化。
9.根据权利要求1所述的一种传感信号检测转换实验箱，其特征在于：所述系统供电模块(5)分别向传感信号检测转换调理模块和传感信号数字化处理模块供电，两部分供电电路实现完全的电气隔离，提高系统工作可靠性。
10.一种用于容纳权利要求1中所述的传感信号检测转换实验箱中传感器的容纳箱，包括箱体(7)，其特征在于：所述箱体(7)内设置有成型海绵垫，所述海绵垫上设置有用于不同封装类型传感器的传感器容纳槽(8)、10个200g砝码容纳槽(9)、塑料托盘容纳槽(10)和金属测试片容纳槽(11)。
说明书 :
一种传感信号检测转换实验箱及传感器容纳箱
技术领域
[0001] 本发明涉及一种传感信号检测转换实验箱及传感器容纳箱，属于高校工科教学实验领域。
背景技术
[0002] 通过前期的市场调研发现，目前市场上存在的有关传感器检测与转换的教学用实验设备，主要存在以下问题：单箱体便携式的传感器检测转换装置配置的传感器类型少，功能单一；配置传感器类型多的传感器检测转换装置多为台式设备，体积大，价位高。而且普遍存在系统开放性差，不完全开放传感器信号检测转换电路的工作原理和数字化信号处理部分的程序源代码。此类实验设备不能让学生真正全面、透彻的了解和掌握传感器信号转换与检测的工作原理；不能让学生灵活设计实验测试电路，不利于培养锻炼学生的创新型发散性思维；不利于实验向开放性实验转型；此外产品后续功能的扩展升级与维修等方面均存在较大困难。
发明内容
[0003] 为了解决上述技术问题，使系统配置灵活，体积小巧、功能扩展空间大、技术升级方便，后续维护方便，提高实验教学效果，本发明提供一种组装式教学用传感信号检测转换实验箱，并涉及其应用方法。
[0004] 本发明按以下技术方案实现：一种传感信号检测转换实验箱，该实验箱包括主机箱和传感器容纳箱，所述主机箱内设置有传感信号检测转换调理模块、传感信号数字化处理模块和系统供电模块，所述传感信号数字化处理模块将传感信号检测调理模块输出的模拟信号进行数字化的分析、处理、显示，并可以直接通过RS232、RS485串行数据接口，或通过ECS8405CP USB转RS232/RS485转换器与计算机实现数据通信，实现数据分析处理的智能化与网络化。
[0005] 所述传感信号检测转换调理模块和传感信号数字化处理模块之间通过主机箱体内部的固定条进行拼接固定，两者电路独立，方便拆卸；系统供电模块安装在两模块下方。
[0006] 优选的是，所述传感信号检测转换调理模块包括传感器信号检测转换电路和增益可调的传感信号调理电路。传感器检测转换电路与信号调理电路虽统一制板，但分开设计，各自独立运行；三种信号调理电路各自具有典型的电路特征，但均能实现增益可调的线性放大、幅值调整、抑制共模信号等功能；使用者可根据具体的传感信号处理要求，选择合适的信号调理电路。
[0007] 优选的是，所述传感器信号检测转换电路包括霍尔传感器检测转换电路、电容传感器检测转换电路、温度传感器检测转换电路、电涡流传感器检测转换电路、电阻应变片传感器检测转换电路。
[0008] 优选的是，所述传感器信号检测转换电路中的传感器为霍尔式位移传感器、电容式位移传感器、集成温度传感器AD590、集成温度传感器DS18B20、K型热电偶、Pt100铂电阻温度传感器、电涡流传感器、电阻应变片传感器。
[0009] 优选的是，所述传感器信号检测转换电路中的霍尔式位移传感器与电容式位移传感器外壳封装材料为透明材质。
[0010] 优选的是，所述增益可调的传感信号调理电路包括三运放高共模抑制比仪用放大电路、差分比例运算电路、比例与加法模拟信号幅值调整运算电路。
[0011] 优选的是，所述传感信号数字化处理模块包括MSP430F147单片机、4×4矩阵键盘、LM24016RFW液晶显示器、SP3232E串行通信芯片、SP3485EN串行通信芯片。
[0012] 优选的是，所述传感信号数字化处理模块可以对采集到的传感检测信号进行软件滤波、非线性校正、标度变换、存储、显示处理。
[0013] 优选的是，传感信号数字化处理模块可以通过RS232或RS485串行数据接口，或通过ECS8405CP USB转RS232/RS485转换器与计算机实现数据通信，实现数据分析处理的智能化与网络化。多种通信方式供选择，应用更加方便灵活。
[0014] 优选的是，所述系统供电模块分别向传感信号检测转换调理模块和传感信号数字化处理模块供电，两部分供电电路实现完全的电气隔离。
[0015] 一种传感信号检测转换实验箱中传感器的容纳箱，箱体内设置有成型海绵垫，所述海绵垫上设置有用于不同封装类型传感器的传感器容纳槽、10个200g砝码容纳槽、塑料托盘容纳槽和金属测试片容纳槽。
[0016] 本发明有益效果：传感信号检测转换调理模块中的传感器检测转换电路与信号调理电路虽统一制板，但分开设计，各自独立运行，使用者可根据具体的传感信号处理要求选择合适的信号调理电路。此种电路整合处理方式与其它同类产品相比较，具有电路硬件紧凑、简洁、应用灵活等特点，有助于培养和提高本科学生模块化设计电路的工程思想与实践能力；该实验箱有三种与上位机进行数据传输的方式，使用更加灵活方便。能够帮助学生较好的建立起传感器信号检测转换应用领域和仪器仪表技术领域清晰、完整、最新的技术知识与技术架构。系统总体硬件模块化设计、配置灵活；功能扩展、技术升级、后续维护方便。实验电路与课堂教学紧密结合，具有典型性与代表性，能有效提高实验课教学效果。
[0017] 传感信号检测转换调理模块可单独使用，也可与传感信号数字化处理模块级联使用，构成传感信号的数字采集转换系统，还可以进一步与计算机通信，对采集转换的传感信号进行更复杂、深入的分析与处理。
[0018] 系统工作原理完全开放，集传感信号检测、转换、调理、数字化处理、计算机数据分析管理于一体。系统功能应用的扩展与升级空间大，应用对象与层次覆盖面广：既可以面向本科生开设传感器原理课程的基本测试转换实验，也可以作为本科生、研究生、教师进行科研、实训、实践的科技创新平台。
附图说明
[0019] 图1 为主机箱结构示意图；图2 为传感器容纳箱结构示意图；
图3为系统硬件结构构成框图；
图4为传感信号检测转换调理模块布局图；
图5为传感信号数字处理模块工作原理框图；
图6为系统技术架构图。
图3为系统硬件结构构成框图；
图4为传感信号检测转换调理模块布局图；
图5为传感信号数字处理模块工作原理框图；
图6为系统技术架构图。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明。
[0021] 如图1至图6所示，一种传感信号检测转换实验箱，该实验箱包括主机箱体1，主机箱体1设置有提手2，主机箱体1两侧留散热气孔装置6，主机箱体1内设置有分离的传感信号检测转换调理模块3、传感信号数字化处理模块4和系统供电模块5，传感信号数字化处理模块4将传感信号检测调理模块3输出的模拟信号进行数字化的分析、处理、显示，并可以直接通过RS232、RS485串行数据接口，或通过ECS8405CP USB转RS232/RS485转换器与计算机实现数据通信。
[0022] 传感信号检测转换调理模块3和传感信号数字化处理模块4之间通过主机箱体1内部的固定条进行拼接固定，两者电路独立，方便拆卸；系统供电模块5安装在主机箱体1的内部，并固定在传感信号检测转换调理模块3和传感信号数字化处理模块4的下方。
[0023] 传感信号检测转换调理模块3包括传感器信号检测转换电路和增益可调的传感信号调理电路。
[0024] 传感器信号检测转换电路包括霍尔传感器检测转换电路、电容传感器检测转换电路、温度传感器检测转换电路、电涡流传感器检测转换电路、电阻应变片传感器检测转换电路。
[0025] 传感器信号检测转换电路中的传感器为霍尔式位移传感器、电容式位移传感器、集成温度传感器AD590、集成温度传感器DS18B20、K型热电偶、Pt100铂电阻温度传感器、电涡流传感器、电阻应变片传感器。
[0026] 传感器信号检测转换电路中的霍尔式位移传感器与电容式位移传感器外壳封装材料均为透明材质，可以让学生在实验操作过程中清晰的观察到：当测试对象参数发生改变时，所对应的传感器的结构随之发生变化，从而可以更好的掌握传感器检测转换的工作原理与工作特性。
[0027] 增益可调的传感信号调理电路包括三运放高共模抑制比仪用放大电路、差分比例运算电路、比例与加法模拟信号幅值调整运算电路。
[0028] 传感信号数字化处理模块4包括MSP430F147单片机、4×4矩阵键盘、LM24016RFW液晶显示器、SP3232E串行通信芯片、SP3485EN串行通信芯片。
[0029] 传感信号数字化处理模块4能够对采集到的传感检测信号进行软件滤波、非线性校正、标度变换、存储、显示等处理，也能够将数据传输给计算机，在计算机应用平台使用者可选用VB、VC 、LabVIEW等多种面向对象的高级编程语言，实现数据分析处理的智能化与网络化。
[0030] 系统供电模块5由传感信号检测转换调理模块供电电路和传感信号数字化处理模块供电电路两部分构成，两部分电路实现完全的电气隔离。系统供电模块5向传感信号检测转换调理模块提供±15V、±5V直流稳压电源，向传感信号数字化处理模块提供+5V、+3.3V直流稳压电源。系统供电模块5主要部件有：单相电源总开关（带漏电和短路保护）、隔离变压器、安全插座。
[0031] 一种传感器容纳箱，包括传感器放置箱体7，箱体7内设置有成型海绵垫，可以起到很好的防震保护作用，海绵垫上设置有用于不同封装类型传感器的传感器容纳槽8、多个砝码容纳槽9、塑料托盘容纳槽10和金属测试片容纳槽11。
[0032] 工作过程：一种传感信号检测转换实验箱，传感信号检测转换调理模块可单独使用，也可与传感信号数字化处理模块级联使用，还可以进一步与计算机实现串行数据通信。
[0033] 传感信号检测转换调理模块独立使用，在完成传感器安装、信号调理电路选择、电路导线连接、系统供电后，使用者可借助于万用表测试出实验电路各个测试点处的模拟信号数据，记录于表，分析绘图。
[0034] 只用传感信号检测转换调理模块可以开出的基础实验项目：（1）电阻应变片式传感器单臂电桥性能测试实验；
（2）电阻应变片式传感器半桥性能测试实验；
（3）电阻应变片式传感器全桥性能测试实验；
（4）电容式传感器位移测量实验；
（5）霍尔式传感器直流激励位移实验；
（6）电涡流传感器位移实验；
（7）不同测试材质对电涡流传感器特性影响实验；
（8）Pt100铂电阻测温特性实验；
（9）K热电偶测温性能实验；
（10）K热电偶冷端温度补偿实验；
（11）电阻应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验；
（12）电阻应变片受温度影响特性测试实验；
（14）霍尔式传感器交流激励位移实验；
（15）被测体面积不同对电涡流传感器特性影响实验；
（16）集成温度传感器AD590测温特性实验。
（2）电阻应变片式传感器半桥性能测试实验；
（3）电阻应变片式传感器全桥性能测试实验；
（4）电容式传感器位移测量实验；
（5）霍尔式传感器直流激励位移实验；
（6）电涡流传感器位移实验；
（7）不同测试材质对电涡流传感器特性影响实验；
（8）Pt100铂电阻测温特性实验；
（9）K热电偶测温性能实验；
（10）K热电偶冷端温度补偿实验；
（11）电阻应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验；
（12）电阻应变片受温度影响特性测试实验；
（14）霍尔式传感器交流激励位移实验；
（15）被测体面积不同对电涡流传感器特性影响实验；
（16）集成温度传感器AD590测温特性实验。
[0035] 此部分基础实验项目可以面向本科生开设的《传感器技术》、《电气测量与检测技术》等课程的实验需要。
[0036] 传感信号检测转换调理模块与传感信号数字化处理模块级联使用，通过连接导线将传感信号检测转换调理模块的模拟信号，传输到传感信号数字化处理模块模拟数据接线端，通过调用对应的MSP430F147单片机中实验模块程序来对采集到的传感检测信号进行软件滤波、非线性校正、标度变换、存储、显示等处理。
[0037] 两块模块级联使用可以把基础实验项目翻倍。可以面向高年级本科生开设的单片机原理与接口课程实验。
[0038] 通过RS232、RS485串行数据接口，或通过ECS8405CP USB转RS232/RS485转换器，实现传感信号检测转换调理模块、传感信号数字化处理模块与计算机三位一体使用，构成虚拟仪器技术架构。在计算机应用平台使用者可选用VB、VC 、LabVIEW等多种面向对象的高级编程语言，实现数据分析处理的智能化与网络化。
[0039] 此种运行模式主要可以面向高年级本科生开设的《虚拟仪器技术》课程实验和《智能仪器》课程实验。也可以作为本科生、研究生、教师进行科研、实训、实践的科技创新平台。
[0040] 一种传感信号检测转换实验箱，完整的体现了传感信号检测与转换技术从“模拟”到“数字”，再到“智能”三级逐步提升的的技术层次和架构。有助于培养锻炼学生模块化设计电路的工程思想、实践能力和创新性思维。
[0041] 以电容式传感器位移测量实验为例，可实现三种层次的电路连接与测试：模拟测试实验：
使用者在实验之初，在实验箱不供电状态下，将圆筒式变面积差动式电容传感器和千分尺分别安装固定在主实验箱内部传感信号检测转换调理模块电路板上方的支架座上，拧紧固定螺丝。并将电容传感器两个静极片的引线分别接到电容传感器实验模板的Cin1 和Cin2两个接线端，将电容的动极片引线接到Cin3接线端。所选用的电容位移传感器检测转换电路为典型的环形二极管充放电测量电路。实验箱上电后，可根据实验要求，等间距调节千分尺的微分筒，测微螺杆将推动电容传感器的动极片产生等间距位移变化，此位移变化通过环形二极管充放电测量电路转换为电压的变化，借助万用表可检测电路输出端VO1和模拟地GND之间的电压差值。等间距改变电容传感器动极片位移，记录10组数据，然后再反行程测试记录10组数据。最后可根据测试的数据计算出电容传感器的系统灵敏度S、非线性误差δ，并作出Ｘ—Ｖ实验曲线。由于所选用的电容式位移传感器外壳封装材料为透明材质，使用者在实验操作过程中可以清晰的观察到电容传感器内部结构随位移变化而发生的变化，从而可以更好的掌握电容位移传感器检测转换实验的工作原理与工作特性。
使用者在实验之初，在实验箱不供电状态下，将圆筒式变面积差动式电容传感器和千分尺分别安装固定在主实验箱内部传感信号检测转换调理模块电路板上方的支架座上，拧紧固定螺丝。并将电容传感器两个静极片的引线分别接到电容传感器实验模板的Cin1 和Cin2两个接线端，将电容的动极片引线接到Cin3接线端。所选用的电容位移传感器检测转换电路为典型的环形二极管充放电测量电路。实验箱上电后，可根据实验要求，等间距调节千分尺的微分筒，测微螺杆将推动电容传感器的动极片产生等间距位移变化，此位移变化通过环形二极管充放电测量电路转换为电压的变化，借助万用表可检测电路输出端VO1和模拟地GND之间的电压差值。等间距改变电容传感器动极片位移，记录10组数据，然后再反行程测试记录10组数据。最后可根据测试的数据计算出电容传感器的系统灵敏度S、非线性误差δ，并作出Ｘ—Ｖ实验曲线。由于所选用的电容式位移传感器外壳封装材料为透明材质，使用者在实验操作过程中可以清晰的观察到电容传感器内部结构随位移变化而发生的变化，从而可以更好的掌握电容位移传感器检测转换实验的工作原理与工作特性。
[0042] 此实验过程中，可选用某种形式的信号调理电路对信号幅值进行放大处理。信号调理电路可选电路结构简单，增益可调的差分比例运算电路，也可以选用高共模抑制比的仪用放大电路。若选用能将模拟信号输出电压调控在0～2.5V之间的比例与加法模拟信号幅值调整运算电路，则可将此信号调理电路输出电压直接通过连接导线引至传感信号数字化处理模块模拟信号接线端，实现传感器检测信号的数字化处理。
[0043] 数字测试实验：将传感信号检测转换调理模块输出的传感器模拟信号传输给传感信号数字化处理模块，通过MSP430F147单片机、4×4矩阵键盘、LM24016RFW液晶显示器等电路进行软件滤波、非线性校正、标度变换、存储、显示等处理。此部分实验提供进行相关传感器数据基本数字化处理的源代码，只要将传感信号检测转换调理模块的模拟信号导线接入，系统供电后，配合4×4矩阵键盘的功能按键使用，LM24016RFW液晶显示器即显示相应的标度变换后的数字化测试数据。
[0044] 智能仪器测试实验：如果需要对数字测试部分的实验程序功能进行进一步的拓展、创新，或者进一步的开发新的实验、实训项目，使用者可选择通过RS232或RS485串行数据接口，或者通过ECS8405CP USB转RS232/RS485转换器与台式计算机或笔记本实现数据通信，实现智能仪器、虚拟仪器的技术架构。在计算机应用平台可选用VB、VC 、LabVIEW等多种面向对象的高级编程语言，引入各种复杂的数据分析处理模型与算法，实现数据分析处理的智能化与网络化。
[0045] 一种传感信号检测转换实验箱，系统硬件模拟电路与数字电路分开制板，提高工作可靠性，且技术升级、维护方便；三种电路形式的信号调理电路，各自独立运行，可灵活选择配置，令系统硬件设计体积更加紧凑，应该更加灵活；系统硬件工作原理与软件功能模块源代码完全开放；与上位机数据通信方式多样化。能够让学生灵活设计实验测试系统，有利于培养工科大学生的工程实践能力和发散创新型思维。