新型多功能测控一体化教学实验平台的制作方法

本发明涉及测试实验仪器领域，具体是一种新型多功能测控一体化教学实验平台。

背景技术：

随着国家教育水平的不断提高以及相应学科的教学内容更新，实验室资源优化整合和教学科研相结合已经成为高校实验室建设和实验室开放的重要研究内容。一套结合大学生专业所开教学课程的测试实验装置，对于检测大学生是否掌握了扎实的理论基础，能否将理论知识转换为实际运用，培养大学生发现问题、思考问题和解决问题的动手操作能力，都扮演着至关重要的角色。目前，高校传统的用于《测试技术》和《检测技术》课程的实验装置，存在以下急需解决的缺陷和问题：实验装置功能单一，只能测量个别或两三个物理量，无法在一个实验装置上实现不同性质物理量的多参数同步测量，测量数据只能在装置本身安装的仪表上显示，与上位机进行数据通信主要采用串口通信方式，只能实时传输一个物理量，且为有线通讯，传输速度慢，缺少能实现多个物理量同时测量和数据无线传输的实验装置，且大多数实验装置的开放性不足，需要高校专业实验技术人员的指导。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有实验装置一体化程度的不足，提供一种新型多功能测控一体化教学实验平台，此教学实验平台的功能有多物理量的多参数同步测量和数据无线传输、变频调速、故障报警、自动循环往复运动。该教学试验台突出的特点是采集的物理量包括：温度、振动、压力、转速、位移，结合了机电传动、传感技术、测试技术和组态软件等专业学科，完成整套实验装置的硬件设计。实现对综合性或交叉性实验在同一台实验装置进行，并且实验装置所要控制的物理量具有参考标准，在培养大学生动手操作能力同时完成教学科创紧密结合以及对实验室资源优化整合，极大程度地优化实验课程体系，提高实验教学质量。

本发明所要解决的问题采用以下技术方案来实现：

一种新型多功能测控一体化教学实验平台，包括系统安装支架、一维工作台、物理检测设备、数据采集与无线传输装置，其特征在于，所述的系统安装支架包括安装底板、光栅尺固定支架、编码器支撑座、接近开关固定板、光栅读数头衔接板和槽型光耦安装块；所述的一维工作台包括定制精密丝杠滑台、电控箱、柔性联轴器、三相异步减速电机；所述的物理检测设备包括光栅传感器、槽型光电计数器、光电编码器、电感式接近开关、温度传感器、压力传感器、直动型限位开关和压电式加速度传感器；所述数据采集装置是数据采集卡或单片机；所述的无线传输装置是zigbee模块。

所述一维工作台的定制精密丝杠滑台包括原有的滚珠丝杠滑台、滑台载物板、导轨，丝杠滑台的载物板除了衔接光栅传感器的读数头，还需承受外界的负载，使压力传感器置于滑台载物板的中间，能让压力传感器的测量过程不受其他外在机械结构的约束，所述导轨能使滑台按照规定的路线运行。

所述电控箱包括两个电源分路器、按键开关、状态指示灯、信号接线端子、可编程逻辑控制器、空气开关、变频调速器、开关电源，可编程逻辑控制器实现一维工作台的运动顺序控制。

所述变频调速器实现一维工作台的多段速调速。

所述光栅传感器包括光栅尺(固定光栅)和读数头(运动光栅)，所述的压力传感器包括亚克力载物板、弹性体(敏感元件)、电阻应变片(传感元件)和惠更斯电桥(转换电路)，所述的电感式接近开关让滑台载物板在到达左右两端的极限位置后，能够自行切断电路并且反向运行，实现自动循环往复运动。

所述光栅传感器、槽型光电计数器、光电编码器、温度传感器、压力传感器、加速度传感器分别实现位移，转速，温度，压力，振动物理量的测量。

所述直动型限位开关包括传动触头和开关主体，在电感式接近开关出现故障时，实现限定整个滑台的极限位置和故障报警的目的。

所述数据采集卡或单片机完成最终的数据采集。

所述无线传输装置采用zigbee模块，且所述zigbee模块包括发送模块cc2530f256和接收模块cc2530f256，实现不同性质物理量的多数据无线传输。

本发明的有益效果是：改善现有测试实验装置机电一体化的不足，能够在一维工作台上实现运行状态的自动切换、装置故障时的蜂鸣报警、多物理量的多参数同步测量和数据无线传输等。通过安装在丝杠滑台周围的多个传感器实现不同性质物理量的多参数同步测量，并将数据及时经发送模块cc2530f256发送至接收模块cc2530f256实现数据无线传输，弥补了传统测试仪器的缺陷；通过在一维工作台上设置两种限位开关实现滑台的超行程报警、自动循环往复运动，便于调试和使用，以半自动化仪器代替人工指导，不仅提高了教学效率，而且优化了实验室资源整合以及实验课程体系，促进了实验教学的发展与进步。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明光栅传感器和光栅尺固定支架的结构示意图；

图3为本发明一维工作台的传动机构正视示意图；

图4为本发明一维工作台的电控箱结构示意图；

图5为本发明传动机构、物理检测设备的结构示意图；

图中：1、安装底板，2、数据采集卡，3、光栅传感器，4、光栅尺固定支架，5、槽型光耦安装块，6、编码器支撑座，7、光电编码器，8、槽型光电计数器，9、光电码盘，10、丝杠滑台，11、接近开关固定板，12、电感式接近开关，13、温度传感器，14、压力传感器，15、直动型限位开关，16、三相电机，17、加速度传感器，18、电控箱，19、状态指示灯，20、信号接线端子，21、按键开关，22、空气开关，23、变频器，24、变频调速器,25、24v电源分路器，26、5v电源分路器，27、光栅读数头衔接板，28、可编程逻辑控制器，29、开关电源，31、原有的滚珠丝杠滑台，111、腰形孔，121、弹性垫圈，212、短型方铝，221、长型方铝，222、腰形孔,232、直角连接件，233、光栅读数头，234、光栅尺，311、滑台载物板，312、导轨，361、滚珠丝杠，511、较大的柔性联轴器，512、较小的柔性联轴器，521、主动滑块，522、从动滑块，531、轴承支座。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，所示，一种多功能测控一体化教学实验台，包括系统安装支架、一维工作台、物理检测设备、数据采集装置。

如图1、图2和图3所示，所述的系统安装支架包括安装底板1、光栅尺固定支架4、槽型光耦安装块5、编码器支撑座6、接近开关固定板11和光栅读数头衔接板27。其中，所述的接近开关固定板11呈l型，其特征在于接近开关固定板11上开有两个圆孔和一个腰形孔，圆孔通过螺钉连接在安装底板1，腰形孔的垂直面正对精密丝杠的滑台载物板311，且腰形孔长度要远大于所要安装的电感式接近开关12直径，保证其上下可调节范围，根据载物板表面到铸铁底板的上表面距离，来定制相应高度的安装支架；所述的编码器支撑座6位于滚珠丝杠361的伸出端，竖直面中圆形开孔的中心高和滚珠丝杠361的中心高一致，均匀分布在圆形开孔外围的小型通孔，分别对应着光电编码器7的固定孔位。底面上开有两个圆孔，圆孔通过螺钉连接在安装底板1；所述的槽型光耦安装块5通过特定的固体粘合剂，固定于光电码盘9的正下方；所述的光栅尺固定支架4包括两个短型方铝212和一个长型方铝221，短型方铝212与长型方铝221按照梁式桥的组成结构垂直相连，在短型方铝212靠近安装底板1的下表面，垂直于长型方铝221的方向，一前一后装有两个直角连接件232，在固定光栅传感器3与丝杠滑台10的相对位置的同时，也保证了安装好的组件不会因为重心的分布而发生前后倾斜；所述的光栅读数头衔接板27上开有两段腰形孔，腰形孔111与光栅传感器3的读数头233固连，腰形孔222与滑台载物板311固连，连接对象的安装孔位的前后跨度应在腰形孔的长度范围之内，两腰形孔的间距则保证了侧向安装的光栅读数头233不会碰到滑台载物板311。此系统安装支架的功能是：作为不同的电气设备间的固定装置，保证各设备的在运行过程中的稳定性和提高装置整体的空间利用率。

如图1、图3和图5所示，所述的机电传动机构包括定制精密丝杠滑台10、柔性联轴器8、电控箱18、三相异步减速电机16(称之为三相电机)。其中，所述的定制精密丝杠滑台10包括原有的滚珠丝杠滑台31、滑台载物板311、导轨312。其特征在于，在主动滑块521和从动滑块522共同支撑的滑台载物板311边缘，钻有均匀分布的三个通孔，用于固定光栅读数头衔接板27，在导轨312所在的上表面，从动滑块522左右两个极限位置的旁边，留有两个固定直动型限位开关15的螺纹孔，为了保证滚珠丝杠361和三相电机16输出轴的中心高一致，丝杠滑台10的底端，是四段对称分布的方型铝；在滚珠丝杠361远离三相电机10的另外一端，自轴承支座531向外延伸的部分，通过较小的柔性联轴器512与光电编码器7固连。所述的柔性联轴器8包括较大的柔性联轴器511、较小的柔性联轴器512，此柔性联轴器的功能是：较大的柔性联轴器511用于连接三相电机16的输出轴和滚珠丝杠361的从动轴；较小的柔性联轴器512用于连接滚珠丝杠361的伸出轴和光电编码器7的输入轴。所述的三相电机16的功能是：带动滚珠丝杠361转动，从而实现滑台载物板311左右移动。三相电机16的输出轴与较大的柔性联轴器511、较大的柔性联轴器511与滚珠丝杠361、滚珠丝杠361与较小的柔性联轴器512为同心装配关系；滚珠丝杠361与轴承支座531、导轨312与从动滑块522为过盈配合。

如图4所示，所述的电控箱18包括电源分路器25和26、按键开关21、状态指示灯19、信号接线端子20、可编程逻辑控制器28、空气开关22、变频调速器24、开关电源29。其中，所述的空气开关22的功能是保护电路，由于实验装置的传动单元采用的是220v高压供电系统，为了避免其他的电气设备在接线的过程中出现短路、过载或者欠压的情况；所述的变频调速器24的功能是：实现一维工作台的多段速调速，由于磁极对数在电机买来后就已经确定，还需要利用变频调速器24来改变加载到三相电机定子绕组上的交流电频率，从而改变三相电机16的转速；所述的开关电源29指支持双路输出(5/24v)的交流直流转换器，由于整套实验装置需要供电的电气元件数目众多，而不同的电气元件采用的直流工作电压也不尽相同，其功能是：维持稳定的输出电压；所述的可编程逻辑控制器28的功能是实现一维工作台的运动顺序控制，整套实验仪器使用了独立按键和双重限位开关来作为传动单元的触发装置，配合不同颜色的状态指示灯19来显示三相电机16的运行状态；所述的电源分路器包括10路输出的24v电源分路器25和4路输出的5v电源分路器26，由于仅仅依靠开关电源上自带的四路(两路24v输出电路，两路5v输出电路)接线端子显然是远远不够的，即便可以将多个外设同时并联在同一接线端，其需要的功率之和也会超出单一接线端子的负载，其功能是：有限遏制各电子元件的杂乱布线以及从同一电路分出n路输出接口；所述的信号接线端子20的作用和电源分路器的功能十分接近，为了方便各传感器的信号线与数据采集卡2的模拟(数字)输入端口的连线；所述的按键开关21包括四个独立按键(正转、反转、变频、停止)，用于控制三相电机16的运行状态，其特征在于无论plc的梯形图中采用的是常开还是常闭触点，实际的接线中均需采用常开接线；所述的状态指示灯19与四个独立按键相对应，是4个运行状态的指示灯(正转、反转、运行提示、蜂鸣报警)，用于给当前的操作人员提供信息反馈。

如图1所示，所述的物理检测设备包括光栅传感器3、光电编码器7、槽型光电计数器8、电感式接近开关12、pt100温度传感器13、电阻应变式压力传感器14、直动型限位开关15和压电式加速度传感器17。其中，所述的压电式加速度传感器17的功能是测试在不同频率下三相电机16中减速齿轮的振动情况，由于在减速器的传动系统中，主要的振动来源是由齿轮的啮合行为产生的，因此振动传感器的固定点，可以定在与减速齿轮的啮合线处于同一平面的机壳体上，但鉴于减速齿轮的啮合线处于电机的圆柱面上不便于安装，这里取接近底面的平面，利用螺纹型的大吸力磁座，将传感器牢牢吸附在电机表面，完成整个安装；所述的pt100温度传感器13的功能是实时监测直线导轨312的温度变化，随着丝杠滑台10在电机的带动下来回移动时，产生的摩擦热量可能会引起直线导轨的受热变形，其特征在于，在从动滑块522与直线导轨312直接接触的底面的其他两侧，和丝杠滑台10的下表面间存在着一道间隙，传感器的金属触头可直接伸入直线导轨312的间隙之间，利用环氧树脂胶进行固定，由于直线导轨312各部分积累的摩擦热量并不相同，在导轨的四段分点处，可分别粘上三个温度传感器；所述的电阻应变式压力传感器14包括亚克力载物板、弹性体(敏感元件)、电阻应变片(传感元件)和惠更斯电桥(转换电路)，使压力传感器14置于滑台载物板311的中间，能让压力传感器14的测量过程不受其他外在机械结构的约束，其功能是：实时监测滑台载物板311的垂直负载。

如图1和图5所示，所述的槽型光电计数器8包括槽型光耦传感器和垫高块，其特征在于，在使用槽型光耦传感器之前，需要在丝杠伸出轴被联轴器8包裹部分之外，套上与输出轴径相吻合的环形光电码盘9，根据码盘的直径大小，适当调整垫高块的竖直方向上的高度。此光电计数器8的功能是得到与减速电机相连的滚珠丝杠的实时转速；所述的光电编码器7包括三个光电接受管与角度码盘，其特征在于编码器上均匀分布三个螺纹孔，用于固定安装部件和光电编码器7，其功能是：获得精度更高的滚珠丝杠361的实时转速。较小的柔性联轴器512与光电码盘9、较小的柔性联轴器512与光电编码器7装配关系为同心。

如图2所示，所述的光栅传感器3包括读数头233(运动光栅)和光栅尺234(固定光栅)。其特征在于，受滑台载物板311的高度影响，这里选用三段不同长度的方型铝(四面均为u型槽)，利用附带的直角连接件232组合成光栅尺234的安装支架。通过调节t型螺栓在u型槽中的位置，控制处于侧放状态下的光栅读数头的上表面的高度，方便平板连接件实现滑台载物板311和读数头233的位置固定。调整和底板接触的直角连接件232在水平面内的位置，来控制光栅尺234和读数头233相对表面间的平行度。其功能是：验证光电编码器7和光电计数器8所测量的滑台位移、丝杠转速的准确性，整套实验装置选取具有更高一级测量精度的光栅传感器的测量结果，作为滑台位移和丝杠转速的测量真值。

如图1所示，所述的电感式接近开关12的特征在于，接近开关12与弹性垫圈121为对齐装配关系，这里直接以滑台的金属载物板311作为被感应物，调整接近开关12的感应端与滑台载物板311侧面的间距，使其处于开关的感应范围之内，此电感式接近开关12的功能是：让滑台载物板在到达左右两端的极限位置后，能够自行切断电路并且反向运行，实现自动循环往复运动；所述的直动型限位开关15包括传动触头和开关主体，其特征在于，在从动导轨312与主动丝杠361之间的滑台底面，打有与限位开关15安装尺寸一致的螺纹孔，用于固定限位开关15，为了在装上限位开关之后滚珠丝杠361的有效行程没有较大的缩减，这里让触头的凹陷方向与丝杠滑台10的运动方向一致，此直动型限位开关的功能是：避免在电感式接近开关12出现故障时滑台载物板311超出滑台的安全行程，限定整个滑台的极限位置和故障报警。

如图1所示，所述的数据采集装置为美国ni公司的usb6229数据采集卡2，针对不同类型的物理量测量任务，数据采集卡提供模拟、数字、计数器三种数据输入，其功能是：将物理检测设备采集到的温度、振动等测量结果对应的数字量，送入上位机中labview软件进一步处理、显示，从而完成最终的数据采集和信号传输。

所述的无线传输装置为zigbee模块，其特征在于：所述装置包括监测模块和上位机显示模块；所述监测模块包括多个物理量传感器、发送模块cc2530f256相连、独立供电电源；所述上位机显示模块包括接收模块cc2530f256、主控芯片stc89c52、液晶显示器lcd1602；其中多个物理传感器经ad转换模块与发送模块cc2530f256相连，独立供电电源与发送模块cc2530f256相连，接收模块cc2530f256与主控芯片stc89c52相连，主控芯片stc89c52与液晶显示器lcd1602相连。所述监测模块安装在一维工作台周围，且所述ad转换模块将采集来的模拟信号转换成数字信号，再由发送模块cc2530f256将数据发送至接收模块cc2530f256；所述上位机显示模块放置在合适位置处，该模块通过主控芯片stc89c52将接收模块cc2530f256接收到的数据显示在液晶显示器lcd1602上。

本装置中采用了多物理量传感器及时采集一维工作台的温度、振动、压力、转速、位移等实时情况，并将数据及时经发送模块cc2530f256发送至接收模块cc2530f256上位机处，数据经主控芯片stc89c52处理，实现多物理量的多参数同步测量和数据无线传输。并且本装置能够帮助实验人员在无人工作期间实时监控一维工作台的状态，无需高校专业实验技术人员的指导。

本发明在使用时，操作人员只需将需将变频调速器8的“面板控制”切换为“外部接线端控制”，装置运行过程中，切勿让其他非感应物金属靠近接近开关的检测范围之内。与此同时，禁止向plc中写入新的梯形操作指令。机器上电并按下“正转”启动按键之后，可以看到显示滑台载物板311正转的绿色指示灯亮起，表示装置正在工作的黄色指示灯开始闪烁，丝杠滑台的载物将向左运动，三相电机16的通过较大的柔性联轴器511带动滚珠丝杠361的从动轴转动；滚珠丝杠361通过导轨312上的从动滑块522带动滑台载物板311的平动；滑台载物板311通过光栅读数头衔接板27带动光栅传感器3的读数头233平动；滚珠丝杠361通过较小的柔性联轴器8带动光电计数器8和旋转编码器7转动。此时吸附在电机表面的压电式加速度传感器17测试三相电机16中减速齿轮的振动情况，置于滑台载物板311上的电阻应变式压力传感器14测量滑台载物板311的垂直负载，光电编码器7和光电计数器8分别测量与三相电机16相连的滚珠丝杠361的实时转速，光栅传感器3测量滑台载物板311的位移，置于直线导轨312的间隙之间的pt100温度传感器13实时监测直线导轨的温度变化，最后通过数据采集卡2将物理检测设备采集到的测量数据，送入上位机中labview软件进一步处理、显示，或者将物理检测设备采集到的测量数据由ad转换模块转换，通过无线传输装置送入上位机中进一步处理、显示。这样完成滑台载物板311的正转、各物理量的测量、最终的数据采集和信号无线传输。同样，“反转”亦是如此。

进一步的，按下电控箱上的变频调速按键，可以看到三相电机16以变频调速器8设定好的频率转动。如果再次进行操作，加载到电机定子绕组两端的交流电流将在启动频率和变频调速之间反复切换。这样完成三相电机16的多段速调速。

进一步的，正常情况下，即电感式接近开关12作为滑台载物板311的反向触发装置时，当载物台的外边缘靠近右端的电感式接近开关12，正转指示灯熄灭，反转指示灯亮起，三相电机16的状态由正转切换至反转。再次运动到左侧的电感式接近开关12时，三相电机16的运行状态将再次改变。在两端的电感式接近开关12均正常工作的状态下，滑台载物板311在左右两个电感式接近开关12所限定的有效区间内，按照设定的启动方式和频率，自动地切换方向进而往复运动，这样完成滑台载物板311的循环往复运动。

进一步的，当电感式接近开关12由于线路的故障或者其他因素无法正常工作时，即直动型限位开关15作为蜂鸣报警的触发装置，滑台载物板311越过电感式接近开关12继续运动，直动型限位开关15的微动触头将受到从动滑块522的挤压，激活电控箱中的报警指示灯，蜂鸣警报灯在持续闪烁的同时开始蜂鸣报警，提醒操作人员实验装置发生故障，5s之后，三相电机16将重新工作，并且滑台载物板311向远离该直动型限位开关15的方向运行，等到滑台载物板311运动至整个滑台的中间部分之后，操作人员可按下“停止”按钮进行必要的故障检查、维修。这样完成三相电机16的停转和故障报警提醒。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。