本實用新型涉及一種傳感信號檢測轉換實驗箱及傳感器容納箱，屬于高校工科教學實驗領域。

背景技術：

通過前期的市場調研發現，目前市場上存在的有關傳感器檢測與轉換的教學用實驗設備，主要存在以下問題：單箱體便攜式的傳感器檢測轉換裝置配置的傳感器類型少，功能單一；配置傳感器類型多的傳感器檢測轉換裝置多為臺式設備，體積大，價位高。而且普遍存在系統開放性差，不完全開放傳感器信號檢測轉換電路的工作原理和數字化信號處理部分的程序源代碼。此類實驗設備不能讓學生真正全面、透徹的了解和掌握傳感器信號轉換與檢測的工作原理；不能讓學生靈活設計實驗測試電路，不利于培養鍛煉學生的創新型發散性思維；不利于實驗向開放性實驗轉型；此外產品后續功能的擴展升級與維修等方面均存在較大困難。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，使系統配置靈活，體積小巧、功能擴展空間大、技術升級方便，后續維護方便，提高實驗教學效果，本實用新型提供一種組裝式教學用傳感信號檢測轉換實驗箱，并涉及其應用方法。

本實用新型按以下技術方案實現：

一種傳感信號檢測轉換實驗箱，該實驗箱包括主機箱和傳感器容納箱，所述主機箱內設置有傳感信號檢測轉換調理模塊、傳感信號數字化處理模塊和系統供電模塊，所述傳感信號數字化處理模塊將傳感信號檢測調理模塊輸出的模擬信號進行數字化的分析、處理、顯示，并可以直接通過RS232、RS485串行數據接口，或通過ECS8405CP USB轉RS232/RS485轉換器與計算機實現數據通信，實現數據分析處理的智能化與網絡化。

所述傳感信號檢測轉換調理模塊和傳感信號數字化處理模塊之間通過主機箱體內部的固定條進行拼接固定，兩者電路獨立，方便拆卸；系統供電模塊安裝在兩模塊下方。

優選的是，所述傳感信號檢測轉換調理模塊包括傳感器信號檢測轉換電路和增益可調的傳感信號調理電路。傳感器檢測轉換電路與信號調理電路雖統一制板，但分開設計，各自獨立運行；三種信號調理電路各自具有典型的電路特征，但均能實現增益可調的線性放大、幅值調整、抑制共模信號等功能；使用者可根據具體的傳感信號處理要求，選擇合適的信號調理電路。

優選的是，所述傳感器信號檢測轉換電路包括霍爾傳感器檢測轉換電路、電容傳感器檢測轉換電路、溫度傳感器檢測轉換電路、電渦流傳感器檢測轉換電路、電阻應變片傳感器檢測轉換電路。

優選的是，所述傳感器信號檢測轉換電路中的傳感器為霍爾式位移傳感器、電容式位移傳感器、集成溫度傳感器AD590、集成溫度傳感器DS18B20、K型熱電偶、Pt100鉑電阻溫度傳感器、電渦流傳感器或電阻應變片傳感器。

優選的是，所述傳感器信號檢測轉換電路中的霍爾式位移傳感器與電容式位移傳感器外殼封裝材料為透明材質。

優選的是，所述增益可調的傳感信號調理電路包括三運放高共模抑制比儀用放大電路、差分比例運算電路、比例與加法模擬信號幅值調整運算電路。

優選的是，所述傳感信號數字化處理模塊包括MSP430F147單片機、4×4矩陣鍵盤、LM24016RFW液晶顯示器、SP3232E串行通信芯片、SP3485EN串行通信芯片。

優選的是，所述傳感信號數字化處理模塊可以對采集到的傳感檢測信號進行軟件濾波、非線性校正、標度變換、存儲、顯示處理。

優選的是，傳感信號數字化處理模塊可以通過RS232或RS485串行數據接口，或通過ECS8405CP USB轉RS232/RS485轉換器與計算機實現數據通信，實現數據分析處理的智能化與網絡化。多種通信方式供選擇，應用更加方便靈活。

優選的是，所述系統供電模塊分別向傳感信號檢測轉換調理模塊和傳感信號數字化處理模塊供電，兩部分供電電路實現完全的電氣隔離。

一種傳感信號檢測轉換實驗箱中傳感器的容納箱，箱體內設置有成型海綿墊，所述海綿墊上設置有用于不同封裝類型傳感器的傳感器容納槽、10個200g砝碼容納槽、塑料托盤容納槽和金屬測試片容納槽。

本實用新型有益效果：

傳感信號檢測轉換調理模塊中的傳感器檢測轉換電路與信號調理電路雖統一制板，但分開設計，各自獨立運行，使用者可根據具體的傳感信號處理要求選擇合適的信號調理電路。此種電路整合處理方式與其它同類產品相比較，具有電路硬件緊湊、簡潔、應用靈活等特點，有助于培養和提高本科學生模塊化設計電路的工程思想與實踐能力；該實驗箱有三種與上位機進行數據傳輸的方式，使用更加靈活方便。能夠幫助學生較好的建立起傳感器信號檢測轉換應用領域和儀器儀表技術領域清晰、完整、最新的技術知識與技術架構。系統總體硬件模塊化設計、配置靈活；功能擴展、技術升級、后續維護方便。實驗電路與課堂教學緊密結合，具有典型性與代表性，能有效提高實驗課教學效果。

傳感信號檢測轉換調理模塊可單獨使用，也可與傳感信號數字化處理模塊級聯使用，構成傳感信號的數字采集轉換系統，還可以進一步與計算機通信，對采集轉換的傳感信號進行更復雜、深入的分析與處理。

系統工作原理完全開放，集傳感信號檢測、轉換、調理、數字化處理、計算機數據分析管理于一體。系統功能應用的擴展與升級空間大，應用對象與層次覆蓋面廣：既可以面向本科生開設傳感器原理課程的基本測試轉換實驗，也可以作為本科生、研究生、教師進行科研、實訓、實踐的科技創新平臺。

附圖說明

圖1 為主機箱結構示意圖；

圖2 為傳感器容納箱結構示意圖；

圖3為系統硬件結構構成框圖；

圖4為傳感信號檢測轉換調理模塊布局圖；

圖5為傳感信號數字處理模塊工作原理框圖；

圖6為系統技術架構圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體的實施例對本實用新型做進一步的解釋說明。

如圖1至圖6所示，一種傳感信號檢測轉換實驗箱，該實驗箱包括主機箱體1，主機箱體1設置有提手2，主機箱體1兩側留散熱氣孔裝置6，主機箱體1內設置有分離的傳感信號檢測轉換調理模塊3、傳感信號數字化處理模塊4和系統供電模塊5，傳感信號數字化處理模塊4將傳感信號檢測調理模塊3輸出的模擬信號進行數字化的分析、處理、顯示，并可以直接通過RS232、RS485串行數據接口，或通過ECS8405CP USB轉RS232/RS485轉換器與計算機實現數據通信。

傳感信號檢測轉換調理模塊3和傳感信號數字化處理模塊4之間通過主機箱體1內部的固定條進行拼接固定，兩者電路獨立，方便拆卸；系統供電模塊5安裝在主機箱體1的內部，并固定在傳感信號檢測轉換調理模塊3和傳感信號數字化處理模塊4的下方。

傳感信號檢測轉換調理模塊3包括傳感器信號檢測轉換電路和增益可調的傳感信號調理電路。

傳感器信號檢測轉換電路包括霍爾傳感器檢測轉換電路、電容傳感器檢測轉換電路、溫度傳感器檢測轉換電路、電渦流傳感器檢測轉換電路、電阻應變片傳感器檢測轉換電路。

傳感器信號檢測轉換電路中的傳感器為霍爾式位移傳感器、電容式位移傳感器、集成溫度傳感器AD590、集成溫度傳感器DS18B20、K型熱電偶、Pt100鉑電阻溫度傳感器、電渦流傳感器或電阻應變片傳感器。

傳感器信號檢測轉換電路中的霍爾式位移傳感器與電容式位移傳感器外殼封裝材料均為透明材質，可以讓學生在實驗操作過程中清晰的觀察到：當測試對象參數發生改變時，所對應的傳感器的結構隨之發生變化，從而可以更好的掌握傳感器檢測轉換的工作原理與工作特性。

增益可調的傳感信號調理電路包括三運放高共模抑制比儀用放大電路、差分比例運算電路、比例與加法模擬信號幅值調整運算電路。

傳感信號數字化處理模塊4包括MSP430F147單片機、4×4矩陣鍵盤、LM24016RFW液晶顯示器、SP3232E串行通信芯片、SP3485EN串行通信芯片。

傳感信號數字化處理模塊4能夠對采集到的傳感檢測信號進行軟件濾波、非線性校正、標度變換、存儲、顯示等處理，也能夠將數據傳輸給計算機，在計算機應用平臺使用者可選用VB、VC 、LabVIEW等多種面向對象的高級編程語言，實現數據分析處理的智能化與網絡化。

系統供電模塊5由傳感信號檢測轉換調理模塊供電電路和傳感信號數字化處理模塊供電電路兩部分構成，兩部分電路實現完全的電氣隔離。系統供電模塊5向傳感信號檢測轉換調理模塊提供±15V、±5V直流穩壓電源，向傳感信號數字化處理模塊提供+5V、+3.3V直流穩壓電源。系統供電模塊5主要部件有：單相電源總開關（帶漏電和短路保護）、隔離變壓器、安全插座。

一種傳感器容納箱，包括傳感器放置箱體7，箱體7內設置有成型海綿墊，可以起到很好的防震保護作用，海綿墊上設置有用于不同封裝類型傳感器的傳感器容納槽8、多個砝碼容納槽9、塑料托盤容納槽10和金屬測試片容納槽11。

工作過程：

一種傳感信號檢測轉換實驗箱，傳感信號檢測轉換調理模塊可單獨使用，也可與傳感信號數字化處理模塊級聯使用，還可以進一步與計算機實現串行數據通信。

傳感信號檢測轉換調理模塊獨立使用，在完成傳感器安裝、信號調理電路選擇、電路導線連接、系統供電后，使用者可借助于萬用表測試出實驗電路各個測試點處的模擬信號數據，記錄于表，分析繪圖。

只用傳感信號檢測轉換調理模塊可以開出的基礎實驗項目：

（1）電阻應變片式傳感器單臂電橋性能測試實驗；

（2）電阻應變片式傳感器半橋性能測試實驗；

（3）電阻應變片式傳感器全橋性能測試實驗；

（4）電容式傳感器位移測量實驗；

（5）霍爾式傳感器直流激勵位移實驗；

（6）電渦流傳感器位移實驗；

（7）不同測試材質對電渦流傳感器特性影響實驗；

（8）Pt100鉑電阻測溫特性實驗；

（9）K熱電偶測溫性能實驗；

（10）K熱電偶冷端溫度補償實驗；

（11）電阻應變片單臂、半橋、全橋性能比較實驗；

（12）電阻應變片受溫度影響特性測試實驗；

（14）霍爾式傳感器交流激勵位移實驗；

（15）被測體面積不同對電渦流傳感器特性影響實驗；

（16）集成溫度傳感器AD590測溫特性實驗。

此部分基礎實驗項目可以面向本科生開設的《傳感器技術》、《電氣測量與檢測技術》等課程的實驗需要。

傳感信號檢測轉換調理模塊與傳感信號數字化處理模塊級聯使用，通過連接導線將傳感信號檢測轉換調理模塊的模擬信號，傳輸到傳感信號數字化處理模塊模擬數據接線端，通過調用對應的MSP430F147單片機中實驗模塊程序來對采集到的傳感檢測信號進行軟件濾波、非線性校正、標度變換、存儲、顯示等處理。

兩塊模塊級聯使用可以把基礎實驗項目翻倍。可以面向高年級本科生開設的單片機原理與接口課程實驗。

通過RS232、RS485串行數據接口，或通過ECS8405CP USB轉RS232/RS485轉換器，實現傳感信號檢測轉換調理模塊、傳感信號數字化處理模塊與計算機三位一體使用，構成虛擬儀器技術架構。在計算機應用平臺使用者可選用VB、VC 、LabVIEW等多種面向對象的高級編程語言，實現數據分析處理的智能化與網絡化。

此種運行模式主要可以面向高年級本科生開設的《虛擬儀器技術》課程實驗和《智能儀器》課程實驗。也可以作為本科生、研究生、教師進行科研、實訓、實踐的科技創新平臺。

一種傳感信號檢測轉換實驗箱，完整的體現了傳感信號檢測與轉換技術從“模擬”到“數字”，再到“智能”三級逐步提升的的技術層次和架構。有助于培養鍛煉學生模塊化設計電路的工程思想、實踐能力和創新性思維。

以電容式傳感器位移測量實驗為例，可實現三種層次的電路連接與測試：

模擬測試實驗：

使用者在實驗之初，在實驗箱不供電狀態下，將圓筒式變面積差動式電容傳感器和千分尺分別安裝固定在主實驗箱內部傳感信號檢測轉換調理模塊電路板上方的支架座上，擰緊固定螺絲。并將電容傳感器兩個靜極片的引線分別接到電容傳感器實驗模板的Cin1 和Cin2兩個接線端，將電容的動極片引線接到Cin3接線端。所選用的電容位移傳感器檢測轉換電路為典型的環形二極管充放電測量電路。實驗箱上電后，可根據實驗要求，等間距調節千分尺的微分筒，測微螺桿將推動電容傳感器的動極片產生等間距位移變化，此位移變化通過環形二極管充放電測量電路轉換為電壓的變化，借助萬用表可檢測電路輸出端VO1和模擬地GND之間的電壓差值。等間距改變電容傳感器動極片位移，記錄10組數據，然后再反行程測試記錄10組數據。最后可根據測試的數據計算出電容傳感器的系統靈敏度S、非線性誤差δ，并作出Ｘ—Ｖ實驗曲線。由于所選用的電容式位移傳感器外殼封裝材料為透明材質，使用者在實驗操作過程中可以清晰的觀察到電容傳感器內部結構隨位移變化而發生的變化，從而可以更好的掌握電容位移傳感器檢測轉換實驗的工作原理與工作特性。

此實驗過程中，可選用某種形式的信號調理電路對信號幅值進行放大處理。信號調理電路可選電路結構簡單，增益可調的差分比例運算電路，也可以選用高共模抑制比的儀用放大電路。若選用能將模擬信號輸出電壓調控在0～2.5V之間的比例與加法模擬信號幅值調整運算電路，則可將此信號調理電路輸出電壓直接通過連接導線引至傳感信號數字化處理模塊模擬信號接線端，實現傳感器檢測信號的數字化處理。

數字測試實驗：

將傳感信號檢測轉換調理模塊輸出的傳感器模擬信號傳輸給傳感信號數字化處理模塊，通過MSP430F147單片機、4×4矩陣鍵盤、LM24016RFW液晶顯示器等電路進行軟件濾波、非線性校正、標度變換、存儲、顯示等處理。此部分實驗提供進行相關傳感器數據基本數字化處理的源代碼，只要將傳感信號檢測轉換調理模塊的模擬信號導線接入，系統供電后，配合4×4矩陣鍵盤的功能按鍵使用，LM24016RFW液晶顯示器即顯示相應的標度變換后的數字化測試數據。

智能儀器測試實驗：

如果需要對數字測試部分的實驗程序功能進行進一步的拓展、創新，或者進一步的開發新的實驗、實訓項目，使用者可選擇通過RS232或RS485串行數據接口，或者通過ECS8405CP USB轉RS232/RS485轉換器與臺式計算機或筆記本實現數據通信，實現智能儀器、虛擬儀器的技術架構。在計算機應用平臺可選用VB、VC 、LabVIEW等多種面向對象的高級編程語言，引入各種復雜的數據分析處理模型與算法，實現數據分析處理的智能化與網絡化。

一種傳感信號檢測轉換實驗箱，系統硬件模擬電路與數字電路分開制板，提高工作可靠性，且技術升級、維護方便；三種電路形式的信號調理電路，各自獨立運行，可靈活選擇配置，令系統硬件設計體積更加緊湊，應該更加靈活；系統硬件工作原理與軟件功能模塊源代碼完全開放；與上位機數據通信方式多樣化。能夠讓學生靈活設計實驗測試系統，有利于培養工科大學生的工程實踐能力和發散創新型思維。