HKCGQ-5000A型传感器综合实验台

一、简介

本传感器实验台将承担本校机械电子工程专业、机器人工程专业、汽车服务工程专业、电气工程与智能控制专业、智能电机与电器专业和机械制造专业的传感器课程实验。所以，实验设备应能包含对运动、力学、电、温度、压力、流量、光电、声音等物理量的测试，应包含能实现电机控制、运动、视觉、电力、自动化装置、机械加工、汽车传感器、物联网等多种应用。要求传感器必须是真实的工业传感器，其种类越多越好，型号越新越好，与现实中使用的传感器越一致越好，以满足上述各专业的不同需求，适应《传感器原理及应用》等课程的实验教学。

二、传感器综合实验台组成

1、该系统由主控屏、测试源、变送单元、电机、传感器、信号数据采集卡及处理软件、解码器、传感器综合应用单元、7寸真彩液晶触摸屏、气压源、嵌入式cortex-M4开发系统、虚拟仪器（16通道和4路逻辑分析仪）、虚拟信号发生器、以太网通信、实验台桌等组成。配套软件：LabVIEW。

2、变送单元由传感器、变送器、电源组成。对实验进行信号的采集和控制，并给测试源提供电源。变送器至少包含：气体压力变送器；压电适配变送器；称重变送器；转速输出变送器；电气工程变送单元；涡流变送器。

（1）气体压力变送器：量程：0-100Kpa；精度0.5级。

（2）压电适配变送器：与压电加速度传感器配套使用。测量范围15000（ms^-2。压电加速度传感器动态响应范围：0.2~8kHz。

（3）称重变送器：量程：0-20kg，精度0.5级。

（4）转速输出变送器：由调速电机、光电转速传感器、转速盘、转速控制板等组成，闭环控制。量程：0-2800r/min。

（5）电气工程变送单元：由测速发电机、交流单相电机、交流电压表、交流电流表组成。伺服电机：AC220V,伺服电机驱动器接口含增量型光电编码器2500线，驱动端口、显示板。

（6）涡流变送器：输出范围0---10V,  响应频率：0—10KHZ 。

3、传感器综合应用单元至少包括：温度检测单元；智能制造环形生产线单元；机械电子测量单元；智能控制物联网传感器应用单元；智能小车自动运行与控制检测单元；汽车传感器检测应用单元；六自由度机械手臂目标抓举与识别人工智能控制单元；基础传感器检测单元；电机控制应用单元。

（1）温度检测单元

温度检测单元由温度控制装置和温度传感器组成。温度控制装置采用电阻加热棒模块，组成双孔加热干井。还包括冷却风扇、加热调压模块，加热指示、冷却指示，PID控温。温度测量分辨率至少0.1℃，控温精度±0.5℃；含直流电桥法、电压法温度特性测量电路变换模块。热源辐射成像传感器应用与编程，配置至少4.5寸屏幕显示。温度传感器组件至少包括：

① AD590集成温度0--120℃；

② K型热电偶温度传感器：0--450℃

③ E型热电偶温度传感器：0--450℃

④热电偶温度补偿器：K型热电偶

⑤ PT100温度传感器0--450℃

⑥红外热成像传感器：像素尺寸32*24；检测精度：±1℃；刷新速率：0.5-64Hz；目标温度：0～+300℃；热成像温度检测，热源轮廓图像显示。

⑦红外非接触传感器传感器：检测距离：0～5mm探测距离：工作温度：-10～+55℃；

（2）智能制造环形生产线单元

环形生产线模型通过调速电机改变环形生产线运行速度，可对工件进行在线动态检测，通过显示面板显示各数据。至少使用以下6种传感器：

①对射式光电开关传感器，检测距离5m，常开型，NPN晶体管输出输出。

②霍尔接近开关传感器，检测距离10mm，可检测永磁体，常开型，NPN晶体管输出输出。

③电感接近开关传感器，检测距离4mm，常开型，NPN晶体管输出输出。

④电容接近开关传感器，检测距离2mm，常开型，NPN晶体管输出输出。

⑤颜色传感器，焦距14.5mm±3mm，红、蓝、绿三色光源，自动选择适用光源。

⑥通用安全光幕传感器：检测距离：0.3～5m，继电器输出型。

（3） 机械电子测量单元

该单元由多功能转子测试台、调速电机、可调偏心转子轴组成。用电涡流变换器对转子轴进行偏转挠性检测。用压电变送器和传感器测量运行振动、以及转速平稳度、噪声。监测转子轴振动、李沙育分析图表、频谱图，对检测结果分析。传感器至少包括：

①光电开关传感器：转速测量0—3000转/分

②齿轮转速传感器：测量范围0～20kHz，脉冲输出信号。

③电涡流传感器：量程3mm，灵敏度8mA/mm，该传感器同型号2只含变送器。

④振动速度传感器:固有频率10Hz，阻尼0.4，失真度小于6%。

⑤压电加速度传感器:由加速度传感器和电荷放大器组成。.灵敏度50mV/g，频率范围：0.5-100Hz（±10%），分辨率0.0005g。测试台振动频率5---100Hz连续可调。

⑥六轴陀螺仪传感器，由高精度陀螺仪、加速度计、地磁场传感器组成,具有计算机编程与端口，数据检测上位机频谱分析功能。

 （4）智能控制物联网传感器应用单元

基于WiFi-mesh自组网平台，主板集成了A/D转换、SD card, UART, SPI, SDIO, I2C, PWM、蓝牙射频等。支持多路传感器，支持控制端的开发与编程应用。Zigbee自组网支持模块的无线定位功能；WiFi-mesh组成的无线传感器网络，可将传感器参数通过通信模块与移动端互联，实现无线测量的方法与实现的设计实验；也可通过4G模块联网搭建物联网平台，实现远程监测的功能。至少包括一下硬件和传感器：

1) 4G模块：ME909s华为海思芯片，Cat4 LTE工业级M2M无线模块，具有标准Mini PCIe形态，支持下行150Mbps，上行50Mbps的传输速率，支持包括FOTA、USSD、IPV6/IPV4等协议。

2) Linux系统平台：ARM Cortex-A72 1.5GHz（四核）处理器，2GB运行内存，32GB存储内存，支持千兆以太网，WiFi2.4G/5G，蓝牙5.0，双路HDMI等。

3) 液晶屏幕：7英寸IPS广视角电容屏，支持HDMI输入。

4) 红外热成像传感器：3.3V供电电压，像素尺寸：32x24，刷新速率0.5Hz~64Hz，测量原理：噪声等效温差(NETD)，目标温度：-40℃ ～300℃。

5) 非接触式红外测温传感器：供电电压3.3V，目标温度：-70℃ ～380℃，支持I2C通讯协议。

6) 红外热释电传感器：工作电压3-12V，延时时间2s，感应范围2-5米，≤120度锥角，工作温度-20℃ ～60℃。

7) 毫米波雷达传感器：24GHz毫米波，抗干扰能力强，发射功率9dBm，探测距离8-10米，探测角度水平±57°，垂直±24°.

8) 温湿度传感器：由NTC热敏电阻以及湿敏元件构成，单总线通讯协议，湿度检测精度±5%RH（5-95%RH），温度检测精度±2°C（0-60°C）。

9) 微波传感器：宽电压工作范围4-28V供电，探测距离5m左右。

10) 光照传感器：灵敏度570nm，±60°灵敏度角度，支持抑制红外线（IR）光谱。

11) 可燃气体传感器：探测范围:300～10000ppm，灵敏度:R in air/R in typical gas≥5，响应时间:≤10s，加热电流:≤180mA，恢复时间:≤30s。

12) WiFi网关：同时支持6路mesh子节点的收发测试，与Qt上位机通过串口完成数据的本地通讯，并完成云端远程的物联网服务器的搭建。

     （5）智能小车自动运行与控制检测单元

模拟汽车自动驾驶巡检。可分别通过自动模式、手动模式或手机app来控制小车四个车轮各自运动，可完成前后左右移动和视觉雷达导航等任务。可使用安卓手机APP或液晶屏幕的方式完成对小车未知环境地图的实时构建与监控。传感器至少包括：

①三轴振动传感器，通过高精度陀螺仪进行模拟车辆的振动情况，并将三轴角速度实时通过串口输出到单片机进行分析处理，通过液晶屏幕显示出来。

②激光雷达传感器，通过360度全景激光雷达传感器，和Linux远程上位机完成移动小车相关SLAM应用，并通过建模的方式对未知环境进行室内建图、定位、避障、导航等。

③UWB定位系统，通过不同基站的设置，模拟定位小车在运动中的实时轨迹路线任务。

④深度视觉摄像头，通过深度视觉摄像头完成模拟小车的自主导航与动态避障的功能。

⑤GPS北斗传感器，通过GPS北斗传感器完成室外的GPS定位任务。 

⑥里程传感器模块，通过里程传感器实时反馈模拟小车移动距离，通过PID进行轨迹的实时矫正。

  （6）六自由度机械手臂目标抓举与识别人工智能控制单元

Ai智能控制平台是基于6自由度的机器手臂作为教学平台完成实验功能，机械臂包含6个数字舵机，可以至少通过支持PS2手柄、PC上位机、语音识别、图像识别等方式完成对机械手臂的抓取及相关操作，利用AI技术赋能将传统的机械手臂智能化，完成物件识别、抓举、库存位置仓储分拣（不少于8个库位）功能。

硬件平台基于AVR内核处理器设计，多处理器IO接口可以同时驱动配合完成串口单元驱动指令的接收和六轴舵机的控制，完成硬件端机械臂操作。

软件平台基于Qt设计的定制化上位机客户端，客户端搭载在一款10寸1080P高清中控平台，6G+128G存储，分辨率：1920*1080p。机器视觉传感器模块功能箱：目标识别、六自由度机械手抓举，目标库位放置，实现视觉+语音+机械臂组合智能控制功能。系统功能如下：

①了解深度学习AI技术在视觉、语音中的实现原理，并通过驱动硬件的形式完成从理论到实践的过程，达到学以致用的目的；

②通过该平台让操作者可以模拟实际场景中机械臂的智能控制方案，让学生可以通过实际动手操作接触电子设计，了解各硬件部分的工作原理、数据的通讯方式，和AI技术基本应用。

③基于目标识别，结合语音和视觉的技术，实现六自由度机械手抓举操作，机械臂抓取目标库不少于8个。

系统组成：

①6自由度的机器手臂，整体机械臂采用铝合金支架结构，采用LDX-218进口电位器，支持6路PWM舵机接口，包括正逆运动学分析，支持防烧防堵转功能，会自动断电停止工作，启动自我保护机制，通过上位机和相关算法，操作机械臂执行预定轨迹。

②机械臂控制模块：基于AVR内核处理器设计，具备多路IO接口，配备I2C、SPI、USART等通讯接口，实现上位机的指令通过串口对下位机机械臂的控制.

③中控平台：Intel Apollo Lake N3450，X86 Goldmont架构设计，运行主频1.1GHz支持WiFi 2.4G/5G + Bluetooth 4.0，Intel® HD Graphics 500通过定制开发的智能控制上位机系统，实现视觉+语音+机械臂组合智能控制功能。

（7）电机控制应用单元

该单元主要提供电机控制传感器的结构、工作原理和电机控制应用。传感器和电机至少包括：

①XSM转速测量控制仪：显示编码盘速度、传输波形，频率响应0—8KHz。

②光栅传感器系统：光栅传感器50线每毫米，长150mm，光栅莫尔条纹角度可视、可调节，透镜平行光距光栅尺不小于20cm，光栅尺出射面距光电接收管不小于20cm，光栅采用具有夹角组合式的透射光栅。组装传感器位移测量，4细分波形检测端口，4微分波形端口检测模块，光栅玻璃尺主尺光栅、副尺光栅可自行安装调试。

③绝对型光电编码器：单圈分辨率16384。绝对型光电编码器调试旋转输出波形检测。

④增量型光电编码器：1024线，增量型编码器调试旋转输出波形检测。

⑤光电转速传感器：动作距离0.1～1m；工作距离: Sn×80％；响应频率：500Hz.

⑥调速电机：输出每分0—3000转。

⑦测速发电机

⑧交流伺服电机

⑨单相交流电机

三、多媒体实验室管理系统：

管理员权限设置，学生登录密码设置，批量导入导出学员分配登录密码，凭账号云登录，随时学习。传感器实验室多媒体教学虚拟仿真及管理系统，包括状态监控、虚拟仿真软件、传感器三维结构，学生的开放实验室管理系统等。

支持课程文件的添加、课程试卷的创建、课程题库的创建等操作，课程题库应该包含：单选题、多选题、问答题、不定项选择题.可以自定义添加课时、添加章/节；自定义内容为图文、音频、讨论、考试、作业、练习、下载资料等，并设置详细内容，同时提供内容发布、设置预览、是否选修等操作。

提供学生成绩单及作业成果下载接口，方便文件归档及备份。

四、可开设的实验内容

能开设的实验项目越多越好。能够向学生提供开放性实验越多越好。

（1） 变送器单元至少开设下列实验

1、 传感器的信号类型认识基础实验

2、 气体压力变送器应用实验

3、 压电适配变送器应用实验

4、 称重变送器应用实验

5、 转速输出变送器应用实验

6、 电气工程变送单元单相电机检测与控制实验

7、 电气工程实验应用实验

8、 测速发电机应用实验

9、 传感器不同检测对象模型应用实验

10、 检测仪表应用设置与应用实验

11、 振动测试测试实验

12、 嵌入式以太网、逻辑分析仪虚拟仪器应用实验

13、 传感器的接线几种类型二线制，三线制，四线制、仿真教学实验

14、 多种传感器在工业测量与控制中的应用，采用工业传感器，标准的信号输出

15、 综合应用嵌入式测控、机电控制、自动化控制实验

（2） 温度检测应用单元至少完成下列实验

1、 温度控制实验

2、 电流型温度特性测量实验

3、 电压型温度特性测量

4、 AD590集成温度IC温度特性测量；

等课程设计实验。