HKCGQ-5000A型傳感器綜合實驗臺

一、簡介

本傳感器實驗臺將承擔本校機械電子工程專業、機器人工程專業、汽車服務工程專業、電氣工程與智能控制專業、智能電機與電器專業和機械制造專業的傳感器課程實驗。所以，實驗設備應能包含對運動、力學、電、溫度、壓力、流量、光電、聲音等物理量的測試，應包含能實現電機控制、運動、視覺、電力、自動化裝置、機械加工、汽車傳感器、物聯網等多種應用。要求傳感器必須是真實的工業傳感器，其種類越多越好，型號越新越好，與現實中使用的傳感器越一致越好，以滿足上述各專業的不同需求，適應《傳感器原理及應用》等課程的實驗教學。

二、傳感器綜合實驗臺組成

1、該系統由主控屏、測試源、變送單元、電機、傳感器、信號數據采集卡及處理軟件、解碼器、傳感器綜合應用單元、7寸真彩液晶觸摸屏、氣壓源、嵌入式cortex-M4開發系統、虛擬儀器（16通道和4路邏輯分析儀）、虛擬信號發生器、以太網通信、實驗臺桌等組成。配套軟件：LabVIEW。

2、變送單元由傳感器、變送器、電源組成。對實驗進行信號的采集和控制，并給測試源提供電源。變送器至少包含：氣體壓力變送器；壓電適配變送器；稱重變送器；轉速輸出變送器；電氣工程變送單元；渦流變送器。

（1）氣體壓力變送器：量程：0-100Kpa；精度0.5級。

（2）壓電適配變送器：與壓電加速度傳感器配套使用。測量范圍15000（ms^-2。壓電加速度傳感器動態響應范圍：0.2~8kHz。

（3）稱重變送器：量程：0-20kg，精度0.5級。

（4）轉速輸出變送器：由調速電機、光電轉速傳感器、轉速盤、轉速控制板等組成，閉環控制。量程：0-2800r/min。

（5）電氣工程變送單元：由測速發電機、交流單相電機、交流電壓表、交流電流表組成。伺服電機：AC220V,伺服電機驅動器接口含增量型光電編碼器2500線，驅動端口、顯示板。

（6）渦流變送器：輸出范圍0---10V,  響應頻率：0—10KHZ 。

3、傳感器綜合應用單元至少包括：溫度檢測單元；智能制造環形生產線單元；機械電子測量單元；智能控制物聯網傳感器應用單元；智能小車自動運行與控制檢測單元；汽車傳感器檢測應用單元；六自由度機械手臂目標抓舉與識別人工智能控制單元；基礎傳感器檢測單元；電機控制應用單元。

（1）溫度檢測單元

溫度檢測單元由溫度控制裝置和溫度傳感器組成。溫度控制裝置采用電阻加熱棒模塊，組成雙孔加熱干井。還包括冷卻風扇、加熱調壓模塊，加熱指示、冷卻指示，PID控溫。溫度測量分辨率至少0.1℃，控溫精度±0.5℃；含直流電橋法、電壓法溫度特性測量電路變換模塊。熱源輻射成像傳感器應用與編程，配置至少4.5寸屏幕顯示。溫度傳感器組件至少包括：

① AD590集成溫度0--120℃；

② K型熱電偶溫度傳感器：0--450℃

③ E型熱電偶溫度傳感器：0--450℃

④熱電偶溫度補償器：K型熱電偶

⑤ PT100溫度傳感器0--450℃

⑥紅外熱成像傳感器：像素尺寸32*24；檢測精度：±1℃；刷新速率：0.5-64Hz；目標溫度：0～+300℃；熱成像溫度檢測，熱源輪廓圖像顯示。

⑦紅外非接觸傳感器傳感器：檢測距離：0～5mm探測距離：工作溫度：-10～+55℃；

（2）智能制造環形生產線單元

環形生產線模型通過調速電機改變環形生產線運行速度，可對工件進行在線動態檢測，通過顯示面板顯示各數據。至少使用以下6種傳感器：

①對射式光電開關傳感器，檢測距離5m，常開型，NPN晶體管輸出輸出。

②霍爾接近開關傳感器，檢測距離10mm，可檢測永磁體，常開型，NPN晶體管輸出輸出。

③電感接近開關傳感器，檢測距離4mm，常開型，NPN晶體管輸出輸出。

④電容接近開關傳感器，檢測距離2mm，常開型，NPN晶體管輸出輸出。

⑤顏色傳感器，焦距14.5mm±3mm，紅、藍、綠三色光源，自動選擇適用光源。

⑥通用安全光幕傳感器：檢測距離：0.3～5m，繼電器輸出型。

（3） 機械電子測量單元

該單元由多功能轉子測試臺、調速電機、可調偏心轉子軸組成。用電渦流變換器對轉子軸進行偏轉撓性檢測。用壓電變送器和傳感器測量運行振動、以及轉速平穩度、噪聲。監測轉子軸振動、李沙育分析圖表、頻譜圖，對檢測結果分析。傳感器至少包括：

①光電開關傳感器：轉速測量0—3000轉/分

②齒輪轉速傳感器：測量范圍0～20kHz，脈沖輸出信號。

③電渦流傳感器：量程3mm，靈敏度8mA/mm，該傳感器同型號2只含變送器。

④振動速度傳感器:固有頻率10Hz，阻尼0.4，失真度小于6%。

⑤壓電加速度傳感器:由加速度傳感器和電荷放大器組成。.靈敏度50mV/g，頻率范圍：0.5-100Hz（±10%），分辨率0.0005g。測試臺振動頻率5---100Hz連續可調。

⑥六軸陀螺儀傳感器，由高精度陀螺儀、加速度計、地磁場傳感器組成,具有計算機編程與端口，數據檢測上位機頻譜分析功能。

 （4）智能控制物聯網傳感器應用單元

基于WiFi-mesh自組網平臺，主板集成了A/D轉換、SD card, UART, SPI, SDIO, I2C, PWM、藍牙射頻等。支持多路傳感器，支持控制端的開發與編程應用。Zigbee自組網支持模塊的無線定位功能；WiFi-mesh組成的無線傳感器網絡，可將傳感器參數通過通信模塊與移動端互聯，實現無線測量的方法與實現的設計實驗；也可通過4G模塊聯網搭建物聯網平臺，實現遠程監測的功能。至少包括一下硬件和傳感器：

1) 4G模塊：ME909s華為海思芯片，Cat4 LTE工業級M2M無線模塊，具有標準Mini PCIe形態，支持下行150Mbps，上行50Mbps的傳輸速率，支持包括FOTA、USSD、IPV6/IPV4等協議。

2) Linux系統平臺：ARM Cortex-A72 1.5GHz（四核）處理器，2GB運行內存，32GB存儲內存，支持千兆以太網，WiFi2.4G/5G，藍牙5.0，雙路HDMI等。

3) 液晶屏幕：7英寸IPS廣視角電容屏，支持HDMI輸入。

4) 紅外熱成像傳感器：3.3V供電電壓，像素尺寸：32x24，刷新速率0.5Hz~64Hz，測量原理：噪聲等效溫差(NETD)，目標溫度：-40℃ ～300℃。

5) 非接觸式紅外測溫傳感器：供電電壓3.3V，目標溫度：-70℃ ～380℃，支持I2C通訊協議。

6) 紅外熱釋電傳感器：工作電壓3-12V，延時時間2s，感應范圍2-5米，≤120度錐角，工作溫度-20℃ ～60℃。

7) 毫米波雷達傳感器：24GHz毫米波，抗干擾能力強，發射功率9dBm，探測距離8-10米，探測角度水平±57°，垂直±24°.

8) 溫濕度傳感器：由NTC熱敏電阻以及濕敏元件構成，單總線通訊協議，濕度檢測精度±5%RH（5-95%RH），溫度檢測精度±2°C（0-60°C）。

9) 微波傳感器：寬電壓工作范圍4-28V供電，探測距離5m左右。

10) 光照傳感器：靈敏度570nm，±60°靈敏度角度，支持抑制紅外線（IR）光譜。

11) 可燃氣體傳感器：探測范圍:300～10000ppm，靈敏度:R in air/R in typical gas≥5，響應時間:≤10s，加熱電流:≤180mA，恢復時間:≤30s。

12) WiFi網關：同時支持6路mesh子節點的收發測試，與Qt上位機通過串口完成數據的本地通訊，并完成云端遠程的物聯網服務器的搭建。

     （5）智能小車自動運行與控制檢測單元

模擬汽車自動駕駛巡檢?？煞謩e通過自動模式、手動模式或手機app來控制小車四個車輪各自運動，可完成前后左右移動和視覺雷達導航等任務。可使用安卓手機APP或液晶屏幕的方式完成對小車未知環境地圖的實時構建與監控。傳感器至少包括：

①三軸振動傳感器，通過高精度陀螺儀進行模擬車輛的振動情況，并將三軸角速度實時通過串口輸出到單片機進行分析處理，通過液晶屏幕顯示出來。

②激光雷達傳感器，通過360度全景激光雷達傳感器，和Linux遠程上位機完成移動小車相關SLAM應用，并通過建模的方式對未知環境進行室內建圖、定位、避障、導航等。

③UWB定位系統，通過不同基站的設置，模擬定位小車在運動中的實時軌跡路線任務。

④深度視覺攝像頭，通過深度視覺攝像頭完成模擬小車的自主導航與動態避障的功能。

⑤GPS北斗傳感器，通過GPS北斗傳感器完成室外的GPS定位任務。 

⑥里程傳感器模塊，通過里程傳感器實時反饋模擬小車移動距離，通過PID進行軌跡的實時矯正。

  （6）六自由度機械手臂目標抓舉與識別人工智能控制單元

Ai智能控制平臺是基于6自由度的機器手臂作為教學平臺完成實驗功能，機械臂包含6個數字舵機，可以至少通過支持PS2手柄、PC上位機、語音識別、圖像識別等方式完成對機械手臂的抓取及相關操作，利用AI技術賦能將傳統的機械手臂智能化，完成物件識別、抓舉、庫存位置倉儲分揀（不少于8個庫位）功能。

硬件平臺基于AVR內核處理器設計，多處理器IO接口可以同時驅動配合完成串口單元驅動指令的接收和六軸舵機的控制，完成硬件端機械臂操作。

軟件平臺基于Qt設計的定制化上位機客戶端，客戶端搭載在一款10寸1080P高清中控平臺，6G+128G存儲，分辨率：1920*1080p。機器視覺傳感器模塊功能箱：目標識別、六自由度機械手抓舉，目標庫位放置，實現視覺+語音+機械臂組合智能控制功能。系統功能如下：

①了解深度學習AI技術在視覺、語音中的實現原理，并通過驅動硬件的形式完成從理論到實踐的過程，達到學以致用的目的；

②通過該平臺讓操作者可以模擬實際場景中機械臂的智能控制方案，讓學生可以通過實際動手操作接觸電子設計，了解各硬件部分的工作原理、數據的通訊方式，和AI技術基本應用。

③基于目標識別，結合語音和視覺的技術，實現六自由度機械手抓舉操作，機械臂抓取目標庫不少于8個。

系統組成：

①6自由度的機器手臂，整體機械臂采用鋁合金支架結構，采用LDX-218進口電位器，支持6路PWM舵機接口，包括正逆運動學分析，支持防燒防堵轉功能，會自動斷電停止工作，啟動自我保護機制，通過上位機和相關算法，操作機械臂執行預定軌跡。

②機械臂控制模塊：基于AVR內核處理器設計，具備多路IO接口，配備I2C、SPI、USART等通訊接口，實現上位機的指令通過串口對下位機機械臂的控制.

③中控平臺：Intel Apollo Lake N3450，X86 Goldmont架構設計，運行主頻1.1GHz支持WiFi 2.4G/5G + Bluetooth 4.0，Intel? HD Graphics 500通過定制開發的智能控制上位機系統，實現視覺+語音+機械臂組合智能控制功能。

（7）電機控制應用單元

該單元主要提供電機控制傳感器的結構、工作原理和電機控制應用。傳感器和電機至少包括：

①XSM轉速測量控制儀：顯示編碼盤速度、傳輸波形，頻率響應0—8KHz。

②光柵傳感器系統：光柵傳感器50線每毫米，長150mm，光柵莫爾條紋角度可視、可調節，透鏡平行光距光柵尺不小于20cm，光柵尺出射面距光電接收管不小于20cm，光柵采用具有夾角組合式的透射光柵。組裝傳感器位移測量，4細分波形檢測端口，4微分波形端口檢測模塊，光柵玻璃尺主尺光柵、副尺光柵可自行安裝調試。

③絕對型光電編碼器：單圈分辨率16384。絕對型光電編碼器調試旋轉輸出波形檢測。

④增量型光電編碼器：1024線，增量型編碼器調試旋轉輸出波形檢測。

⑤光電轉速傳感器：動作距離0.1～1m；工作距離: Sn×80％；響應頻率：500Hz.

⑥調速電機：輸出每分0—3000轉。

⑦測速發電機

⑧交流伺服電機

⑨單相交流電機

三、多媒體實驗室管理系統：

管理員權限設置，學生登錄密碼設置，批量導入導出學員分配登錄密碼，憑賬號云登錄，隨時學習。傳感器實驗室多媒體教學虛擬仿真及管理系統，包括狀態監控、虛擬仿真軟件、傳感器三維結構，學生的開放實驗室管理系統等。

支持課程文件的添加、課程試卷的創建、課程題庫的創建等操作，課程題庫應該包含：單選題、多選題、問答題、不定項選擇題.可以自定義添加課時、添加章/節；自定義內容為圖文、音頻、討論、考試、作業、練習、下載資料等，并設置詳細內容，同時提供內容發布、設置預覽、是否選修等操作。

提供學生成績單及作業成果下載接口，方便文件歸檔及備份。

四、可開設的實驗內容

能開設的實驗項目越多越好。能夠向學生提供開放性實驗越多越好。

（1） 變送器單元至少開設下列實驗

1、 傳感器的信號類型認識基礎實驗

2、 氣體壓力變送器應用實驗

3、 壓電適配變送器應用實驗

4、 稱重變送器應用實驗

5、 轉速輸出變送器應用實驗

6、 電氣工程變送單元單相電機檢測與控制實驗

7、 電氣工程實驗應用實驗

8、 測速發電機應用實驗

9、 傳感器不同檢測對象模型應用實驗

10、 檢測儀表應用設置與應用實驗

11、 振動測試測試實驗

12、 嵌入式以太網、邏輯分析儀虛擬儀器應用實驗

13、 傳感器的接線幾種類型二線制，三線制，四線制、仿真教學實驗

14、 多種傳感器在工業測量與控制中的應用，采用工業傳感器，標準的信號輸出

15、 綜合應用嵌入式測控、機電控制、自動化控制實驗

（2） 溫度檢測應用單元至少完成下列實驗

1、 溫度控制實驗

2、 電流型溫度特性測量實驗

3、 電壓型溫度特性測量

4、 AD590集成溫度IC溫度特性測量；

等課程設計實驗。