CN114639276A - 一种传感与检测实验教学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种传感与检测实验教学装置，包括装置主体以及用于被检测的模拟工件，控制模块、载盘、第一横移机构，第一横移机构设有第一导轨，载盘沿着第一导轨滑动，装置主体上还设有用于检测沿着第一导轨运动的模拟工件的接触传感器检测单元、超声波检测单元，RFID检测单元，激光检测单元，机器视觉检测单元，颜色检测单元，重量检测单元。本发明提供的传感与检测实验教学装置利用各检测单元对模拟工件进行了运动、图像、尺寸等全面的检测，结合软测量方法、传感与检测过程的设计与优化，将检测过程设计为流水线型，模拟对工件的检测并最终入库的场景，使得本实验教学装置具有良好的示范性和可操作性，提高学习过程中的参与感和教学质量。
Description
技术领域
本发明涉及传感与检测教学领域，特别涉及一种传感与检测实验教学装置。
背景技术
传感器以及相关检测技术作为获取自然界和工业生产领域中各类信息的主要途径和手段，已经被广泛应用到基础学科研究、工业生产、环境保护、医学诊断以及各类开发和探测等各个环节。目前，在国内各类院校与相关企业均已开设传感与检测相关课程，教学内容涵盖现代传感、过程检测、运动检测、图像检测、软测量新方法、传感器和检测***设计与优化、工程应用难题解决方案等多领域，涉及材料、声学、光学、电学、机械、计算机、通信、自控原理等多学科知识的交叉融合。
现有技术中通常利用实验装置对传感器进行教学或培训，如公开号为CN205068867U的中国专利公开的传感器与检测技术实验教学装置，包括台面、操作台组、模块存放箱、实验箱存放区、键盘区、抽屉、机箱区、脚轮闸、脚轮；操作台组位于台面上端面；模块存放箱设置于台面下方左侧；实验箱存放区设置于台面下方右侧；键盘区设置于台面下方、位于模块存放箱和实验箱存放区的中间；抽屉、机箱区设置于模块存放箱下方，其中机箱区设置于抽屉的左侧；脚轮设置于操作台的底端；脚轮闸设置于脚轮侧端，控制脚轮运动；操作台组包括电源插口、流量测量模块、电源开关模块、温度控制模块、电压输出与显示模块、音频与低频振荡模块。
上述专利提供的传感器与检测技术实验教学装置的智能化程度低，基本完全依赖于人工操作，且该装置功能较为单一，无法对传感器进行平面的检测。
也就是说，在传感器及其相关检测技术的理论和应用不断迭代、更新和升级的背景下，现有技术能够提供的面向学校教学、企业培训、实训应用领域的实验装置却无法及时更新迭代，经过前期调研发现目前现有市面上的实验设备及装置主要存在如下问题：(1)实验设备单台占地面积较大，不适合量大面广开展实验；(2)实验设备集成度高，层级教学不明显，复用性差，且不适合开展低年级知识储备较少的学生使用；(3)传感器类型和实验内容设置较少且单一，模拟的场景不够丰富，缺乏趣味性；(4)现有的成套设备价格较高，且不具有针对性和典型性等。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种传感与检测实验教学装置。
一种传感与检测实验教学装置，包括装置主体以及用于被检测的模拟工件，还包括设于装置主体上的用于控制整个检测过程的控制模块、用于放置模拟工件的载盘、以及第一横移机构，所述第一横移机构设有第一导轨，所述载盘沿着第一导轨滑动。
所述装置主体上还设有用于检测沿着第一导轨运动的模拟工件的接触传感器检测单元、超声波检测单元，RFID检测单元，激光检测单元，机器视觉检测单元，颜色检测单元，重量检测单元。
具体的，接触传感器检测单元用于检测模拟工件是否到达指定位置；超声波检测单元利用超声波传感器，对模拟工件侧面距离信息进行检测，并通过模拟量转换模块，将数据传输给可编程控制器；激光检测单元利用激光传感器完成模拟工件指定高度的检测，并将检测所获得的信息发送至可编程控制器；颜色检测单元利用颜色传感器，识别模拟工件指定位置的颜色特征，同时将该特征传送给可编程控制器；重量检测单元利用重量传感器采集模拟工件的重量信息并将该信息处理后传送给可编程控制器。
接触传感器检测单元、超声波检测单元，RFID检测单元，激光检测单元，机器视觉检测单元，颜色检测单元，重量检测单元设于第一导轨的一侧，当模拟工件放置于载盘上，沿着第一导轨运动时，控制模块控制各检测单元对模拟工件进行检测，并对检测得到的数据进行处理；且控制模块与各检测单元均采用工业常用的通讯接口进行连接和通讯。
优选的，所述控制模块包括：
可编程控制器，用于对实验教学装置进行逻辑控制，流程控制和交互控制以完成整个检测过程；
输入输出模块，用于对数字量和模拟量进行处理；
触摸屏，用于显示各检测单元的检测数据、模拟工件所处的检测流程并用于人机交互。
优选的，所述重量检测单元包括：
称重托盘，与模拟工件的尺寸适配、用于放置待称重的模拟工件；
称重传感器，固定在称重托盘下方，用于采集称重托盘和模拟工件的重量信息；
模拟量变送器，用于将称重传感器采集的重量信息的电信号转化为标准信号，标准信号供可编程控制器采集并同步显示在触摸屏界面。
优选的，还包括第二横移机构和用于储存模拟工件的仓储单元，所述第二横移机构包括第二导轨，所述第二导轨上设有沿着第二导轨滑动的第三横移机构，所述第三横移机构包括第三导轨，所述第三导轨上设有沿着第三导轨运动的电磁铁；所述第一导轨、第二导轨、第三导轨两两相互垂直；
所述电磁铁用于吸附模拟工件以实现模拟工件在仓储单元和重量检测单元之间的转移。
具体的，电磁铁沿着第三导轨向下运动，将经过重量检测单元检测后的模拟工件进行吸附，随后电磁铁沿着第三导轨向上运动，直至模拟工件的最低点高于称重托盘的最高点后电磁铁停止运动，随后第三横移机构沿着第二导轨运动至与仓储单元适配的位置后停止，电磁铁再次沿着第三导轨向下运动将吸附的模拟工件放置在仓储单元中，第三横移机构再沿着第二导轨移动至与重量检测单元适配的方位后完成就一个工作周期。
优选的，所述仓储单元包括用于放置模拟工件且与模拟工件尺寸适配的仓位，以及用于检测仓位中是否放置有模拟工件的光电传感器。
优选的，所述RFID检测单元包括嵌入模拟工件的嵌入式载体码、RFID读写头以及用于与控制模块通讯连接的RS485通讯接口。
优选的，所述模拟工件为“凸”字形，所述模拟工件设有若干个不同的尺寸、且表面设有不同的文字信息，所述模拟工件上设有用于安装嵌入式载体码的凹槽。
具体的，“凸”字形的模拟工件包括上凸台和下凸台，不同的文字信息位于上凸台上表面，上凸台的高度、宽度和重量有可测量差异。
优选的，所述机器视觉检测单元包括：
工业相机，用于采集模拟工件指定位置的图像信息；
工控机，用于将工业相机采集到的图像进行处理得到指定特征信息，并将特征信息传输给控制模块。
优选的，所述装置主体还设有用于显示模拟工件是否到达指定位置的显示灯和控制所述实验教学装置工作状态的按键。
具体的，所述显示灯用于显示接触传感器检测单元的接触传感器是否到位，图像识别位置是否到位，可编程控制器与工控机软件通讯是否成功，仓储单元中的仓位是否有空位；
按键包括急停按键、启动按键、停止按键和复位按键。
优选的，所述控制模块内写有控制算法，所述控制算法包括手动控制算法和自动控制算法，所述控制模块内对应包括手动控制模式和自动控制模式。
具体的，手动控制模式的工作过程如下：
此时第二横移机构和第三横移机构不动作，操作者通过与触摸屏进行人机交互操控载盘沿着第一横移机构的第一导轨运动，使得载盘上的模拟工件到达各检测单元，对模拟工件进行各类检测；且各检测单元(超声波检测单元，RFID检测单元，激光检测单元，机器视觉检测单元，颜色检测单元，重量检测单元)检测得到的信号发送至可编程控制器，检测结果显示在触摸屏上。
自动控制模式的工作过程如下；
启动装置，载盘复位，将模拟工件放置载盘上，载盘依次经过接触传感器检测单元、超声波检测单元，RFID检测单元，激光检测单元，机器视觉检测单元，颜色检测单元，重量检测单元，各检测单元以及对载盘上的模拟工件进行检测直至最后入库，并将检测得到的信号发送至可编程控制器，检测结果显示在触摸屏上，整个检测过程全自动。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)利用超声波检测单元，RFID检测单元，激光检测单元，机器视觉检测单元，颜色检测单元，重量检测单元对模拟工件进行了运动检测、图像检测、尺寸检测等全面的检测，同时结合了软测量方法、传感与检测过程的设计与优化，此外，将整个检测过程设计为流水线型，并模拟出工件在产线上检测并最终入库的场景，使得本实验教学装置具有良好的示范性和可操作性，提高学员学习过程中的参与感，进而提高教学质量。
(2)各检测单元均与控制模块通讯连接，且控制模块能对个监测单元进行单独的控制，使得实验教学装置既能进行单个环节独立实验，也能实现多个环节综合实验，***集成综合创新实训，具有较高的普适性和重复利用率。
附图说明
图1为本发明提供的传感与检测实验教学装置整体结构示意图；
图2为本发明提供的传感与检测实验教学装置的内部结构示意图；
图3为本发明提供的第二横移机构、第三横移机构的结构示意图；
图4为本发明体用的称重单元结构示意图；
图5为本发明提供的模拟工件结构示意图；
图6为本发明提供的触摸屏界面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，传感与检测实验教学装置，包括装置主体110以及用于被检测的模拟工件200，还包括设于装置主体110上的用于控制整个检测过程的控制模块、用于放置模拟工件200的载盘120、以及第一横移机构，所述第一横移机构设有第一导轨311，所述载盘120沿着第一导轨311滑动，
所述装置主体110上还设有用于检测沿着第一导轨311运动的模拟工件200的接触传感器检测单元410、超声波检测单元420，RFID检测单元430，激光检测单元440，机器视觉检测单元450，颜色检测单元460，重量检测单元470。
接触传感器检测单元410用于检测模拟工件200是否到达指定位置；超声波检测单元420利用超声波传感器，对模拟工件200侧面距离信息的检测，并通过模拟量转换模块，将数据传输给可编程控制器510；激光检测单元440利用激光传感器完成模拟工件200指定高度的检测，并将检测所获得的信息发送至可编程控制器510；颜色检测单元460利用颜色传感器，识别模拟工件200指定位置的颜色特征，同时将该特征传送给可编程控制器510；重量检测单元470利用重量传感器采集模拟工件200的重量信息并将该信息处理后传送给可编程控制器510。
接触传感器检测单元410、超声波检测单元420，RFID检测单元430，激光检测单元440，机器视觉检测单元450，颜色检测单元460，重量检测单元470设于第一导轨311的一侧，当模拟工件200放置于载盘120上，沿着第一导轨311运动时，控制模块控制各检测单元对模拟工件200进行检测，并对检测得到的数据进行处理；且控制模块与各检测单元均采用工业常用的通讯接口进行连接和通讯。
如图2所示，所述控制模块包括：
可编程控制器510，用于对实验教学装置进行逻辑控制，流程控制和交互控制以完成整个检测过程；
输入输出模块520，用于对数字量和模拟量进行处理；
触摸屏530，用于显示各检测单元的检测数据、模拟工件200所处的检测流程并用于人机交互。
所述机器视觉检测单元450包括：
工业相机，用于采集模拟工件200指定位置的图像信息；
工控机452，用于将工业相机采集到的图像进行处理得到指定特征信息，并将特征信息传输给控制模块。
所述装置主体110还设有用于显示模拟工件200是否到达指定位置的显示灯710和控制所述实验教学装置工作状态的按键720。
所述显示灯710用于显示接触传感器检测单元410的接触传感器是否到位，图像识别位置是否到位，可编程控制器510与工控机452软件通讯是否成功，仓储单元600中的仓位620是否有空位；
按键720包括急停按键、启动按键、停止按键和复位按键。
如图4所示，所述重量检测单元470包括：
称重托盘471，与模拟工件200的尺寸适配、用于放置待称重的模拟工件200；
称重传感器472，固定在称重托盘471下方，用于采集称重托盘471和模拟工件200的重量信息；
模拟量变送器，用于将称重传感器472采集的重量信息的电信号转化为标准信号，标准信号供可编程控制器510采集并同步显示在触摸屏530界面。
如图3所示，还包括第二横移机构和用于储存模拟工件200的仓储单元600，所述第二横移机构包括第二导轨321，所述第二导轨321上设有沿着第二导轨321滑动的第三横移机构，所述第三横移机构包括第三导轨331，所述第三导轨331上设有沿着第三导轨331运动的电磁铁332；所述第一导轨311、第二导轨321、第三导轨331两两相互垂直；
所述电磁铁332用于吸附模拟工件200以实现模拟工件200在仓储单元600和重量检测单元470之间的转移。
电磁铁332沿着第三导轨331向下运动，将经过重量检测单元470检测后的模拟工件200进行吸附，随后电磁铁332沿着第三导轨331向上运动，直至模拟工件200的最低点高于称重托盘471的最高点后电磁铁332停止运动，随后第三横移机构沿着第二导轨321运动至与仓储单元600适配的位置后停止，电磁铁332再次沿着第三导轨331向下运动将吸附的模拟工件200放置在仓储单元600中，第三横移机构再沿着第二导轨321移动至与重量检测单元470适配的方位后完成就一个工作周期。
所述仓储单元600包括用于放置模拟工件200且与模拟工件200尺寸适配的仓位620，以及用于检测仓位620中是否放置有模拟工件200的光电传感器610。
所述RFID检测单元430包括嵌入模拟工件200的嵌入式载体码、RFID读写头以及用于与控制模块通讯连接的RS485通讯接口。
如图5所示，所述模拟工件200为“凸”字形，所述模拟工件200设有若干个不同的尺寸、且表面设有不同的文字信息，所述模拟工件200上设有用于安装嵌入式载体码的凹槽210。
“凸”字形的模拟工件200包括上凸台和下凸台，不同的文字信息位于上凸台上表面，上凸台的高度、宽度和重量有可测量差异。
如图6所示，所述控制模块内写有控制算法，所述控制算法包括手动控制算法和自动控制算法，所述控制模块内对应包括手动控制模式和自动控制模式。
手动控制模式的工作过程如下：
此时第二横移机构和第三横移机构不动作，操作者通过与触摸屏530进行人机交互操控载盘120沿着第一横移机构的第一导轨311运动，使得载盘120上的模拟工件200到达各检测单元(超声波检测单元420，RFID检测单元430，激光检测单元440，机器视觉检测单元450，颜色检测单元460，重量检测单元470)，对模拟工件200进行各类检测；且各检测单元检测得到的信号发送至可编程控制器510，检测结果显示在触摸屏530上。
下面对手动控制过程进行详细说明：
(1)长按复位按键3秒发送复位指令，待装置复位完成后，载盘120沿着第一导轨311移动到接触传感器检测单元410前方，此时控制模块检测到信号后完成复位，接触传感器信息输出到触摸屏530，同时与接触传感器连接的显示灯710亮灯；
(2)通过触摸屏530界面菜单栏的第一横移机构(X轴)电机按键，可控制载盘120沿着第一导轨311依次移动到超声波检测单元420，RFID检测单元430，激光检测单元440，机器视觉检测单元450，颜色检测单元460，重量检测单元470等检测实验位置，分别完成独立实验，相关实验包含了各类传感器的数据采集、测量标定以及多模式检测等，
超声波检测单元420包含的实验内容主要有超声波传感器的基本使用、模拟量信息采集转换、传感器量程设置及标定等；
RFID检测单元430实验内容主要包含RFID读写信息操作，与可编程控制器510的通讯及控制读写信息实验，均可通过触摸屏530进行操作；
激光检测单元440实验内容主要包含激光传感器教导实验、测量实验以及模拟量信息采集实验等；
机器视觉检测单元450实验内容主要包括与图像相关的主要包含图像采集、图像基本算法处理，特征提取以及信息反馈等；
颜色检测单元460实验内容主要包含自定义颜色的学习和比对和识别等；
重量检测单元470实验内容主要采用标准砝码对可编程控制器510和称重传感器472组成的测重显示***进行校验、比对并优化分析。
自动控制模式的工作过程如下；
启动装置，载盘120复位，将模拟工件200放置载盘120上，载盘120依次经过接触传感器检测单元410、超声波检测单元420，RFID检测单元430，激光检测单元440，机器视觉检测单元450，颜色检测单元460，重量检测单元470，各检测单元以及对载盘120上的模拟工件200进行检测直至最后入库，并将检测得到的信号发送至可编程控制器510，检测结果显示在触摸屏530上，整个检测过程全自动。
下面对自动控制过程进行详细说明：
(1)载盘120自动移动到超声波检测单元420后，超声波检测单元420对模拟工件200完成距离测量并显示到触摸屏530上；
(2)载盘120自动移动到RFID检测单元430后，RFID检测单元430能够自动进行读卡操作，并将信息显示到触摸屏530上；
(3)载盘120自动移动到激光检测单元440后，激光检测单元440对模拟工件200完成高度测量并显示到触摸屏530上；
(4)载盘120自动移动到机器视觉检测单元450后，触发工业相机对模拟工件200进行拍照并发送至工控机452，工控机452对图像处理后，将处理后的信息发送至触摸屏530，如需要，显示在触摸屏530上；
(5)载盘120自动移动到颜色检测单元460后，颜色检测单元460自动判别已学习位置的记忆颜色，并比对模拟工件200的颜色，给出颜色是否一致的判断信息；
(6)载盘120自动移动到重量检测单元470，重量检测单元470对模拟工件200完成称重并显示到触摸屏530上；
(7)模拟工件200入库，入库策略为自右向左，空位优先。
Claims (10)
1.一种传感与检测实验教学装置，包括装置主体以及用于被检测的模拟工件，其特征在于，还包括设于装置主体上的用于控制整个检测过程的控制模块、用于放置模拟工件的载盘、以及第一横移机构，所述第一横移机构设有第一导轨，所述载盘沿着第一导轨滑动，
所述装置主体上还设有用于检测沿着第一导轨运动的模拟工件的接触传感器检测单元、超声波检测单元，RFID检测单元，激光检测单元，机器视觉检测单元，颜色检测单元，重量检测单元。
2.根据权利要求1所述的传感与检测实验教学装置，其特征在于，所述控制模块包括：
可编程控制器，用于对实验教学装置进行逻辑控制，流程控制和交互控制以完成整个检测过程；
输入输出模块，用于对数字量和模拟量进行处理；
触摸屏，用于显示各检测单元的检测数据、模拟工件所处的检测流程并用于人机交互。
3.根据权利要求2所述的传感与检测实验教学装置，其特征在于，所述重量检测单元包括：
称重托盘，与模拟工件的尺寸适配、用于放置待称重的模拟工件；
称重传感器，固定在称重托盘下方，用于采集称重托盘和模拟工件的重量信息；
模拟量变送器，用于将称重传感器采集的重量信息的电信号转化为标准信号，标准信号供可编程控制器采集并同步显示在触摸屏界面。
4.根据权利要求1所述的传感与检测实验教学装置，其特征在于，还包括第二横移机构和用于储存模拟工件的仓储单元，所述第二横移机构包括第二导轨，所述第二导轨上设有沿着第二导轨滑动的第三横移机构，所述第三横移机构包括第三导轨，所述第三导轨上设有沿着第三导轨运动的电磁铁；所述第一导轨、第二导轨、第三导轨两两相互垂直；
所述电磁铁用于吸附模拟工件以实现模拟工件在仓储单元和重量检测单元之间的转移。
5.根据权利要求4所述的传感与检测实验教学装置，其特征在于，所述仓储单元包括用于放置模拟工件且与模拟工件尺寸适配的仓位，以及用于检测仓位中是否放置有模拟工件的光电传感器。
6.根据权利要求1所述的传感与检测实验教学装置，其特征在于，所述RFID检测单元包括嵌入模拟工件的嵌入式载体码、RFID读写头以及用于与控制模块通讯连接的RS485通讯接口。
7.根据权利要求6所述的传感与检测实验教学装置，其特征在于，所述模拟工件为“凸”字形，所述模拟工件设有若干个不同的尺寸、且表面设有不同的文字信息，所述模拟工件上设有用于安装嵌入式载体码的凹槽。
8.根据权利要求1所述的传感与检测实验教学装置，其特征在于，所述机器视觉检测单元包括：
工业相机，用于采集模拟工件指定位置的图像信息；
工控机，用于将工业相机采集到的图像进行处理得到指定特征信息，并将特征信息传输给控制模块。
9.根据权利要求1所述的传感与检测实验教学装置，其特征在于，所述装置主体还设有用于显示模拟工件是否到达指定位置的显示灯和控制所述实验教学装置工作状态的按键。
10.根据权利要求1所述的传感与检测实验教学装置，其特征在于，所述控制模块内写有控制算法，所述控制算法包括手动控制算法和自动控制算法，所述控制模块内对应包括手动控制模式和自动控制模式。
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Citations (8)
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