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基于柔性测试技术的位置传感器标定与检测系统平台的设计

2017-06-06 来源:我爱物联网

基于柔性测试技术的位置传感器标定与检测系统平台的设计

  本系统是一套基于柔性测试技术理念开发的平台式位置传感器标定与检测系统,能够完成对多种位置传感器进行标定与检测。经过组装的位置传感器输出的信号是不准确的,在使用前必须经过标定、校准和检测,只有标定后通过校准和测试的传感器才能在实际中使用。标定和测试过程都需要在高精度的磁场变换环境中进行,系统采用直线与旋转两个工作台实现对直线型、旋转型位置传感器的标定和检测。同时本系统集成了完善的温度控制功能,可以对传感器的测试环境进行恒温控制,并对需要的传感器进行必要的恒温环境下校准与检测,对传感器的输出信号进行温度补偿,以提高对温度影响敏感类传感器输出的精度。本系统可以建立0℃~125℃范围内任意温度点的恒温环境控制,并且可以达到较高的精度。

  在完整功能测试的模式下,系统会将测试箱内的传感器及测试夹具稳定在一个设定的温度,同时运动控制系统会控制磁极沿着传感器磁感应方向做步进式移动,同时采集传感器的反馈信号作为原始数据,并根据特定的算法计算出传感器的标定参数,然后根据不同的传感器通讯协议将参数写入传感器的芯片,完成对传感器的标定。如果传感器标定需要考虑温度的影响,可以在低温和高温两个温度下进行相应的原始数据采集和标定处理,来进行温度的补偿校准,同时系统还可以对经过标定和校准的传感器进行全功能的检测,检查传感器是否符合生产要求,系统实现原理如图1所示。传感器的标定和检测流程都需要在高精度的位置控制环境下完成,本系统最高控制精度可以达到1μm。

  硬件设计

  系统在设计时选用了NI公司高精度、高速度的数字万用表卡完成数据采集。同时选用了NI公司数字I/O卡来完成对传感器、开关、按钮等状态信息的查询和继电器、电子锁等元器件的控制,并且将设备反馈信息及时反馈到上位机进行处理。针对被测传感器的多样性,系统设计了“柔性”的硬件平台,即为不同种类的传感器配置了不同规格的测试夹具或测试台,对于直线位置传感器,分别配置了75mm、150mm和225mm等多种规格的夹具,更换传感器时,只需要更换对应的夹具即可,对于角度位置传感器和旋转位置传感器,只需要更换测试台即可,灵活的硬件配置使系统具有良好的适应性和扩展性。

  系统采用快速加热器对位置传感器及其测试环境进行加热。快速加热器是一种智能高低温吹风机,可以根据目标温度和当前温度的差异自动输出不同温度和不同流量的气体对物体进行加热或者制冷。

  为了实时检测传感器的温度,在传感器旁设置了热电偶,待传感器稳定在目标温度以后,再控制滑台带动磁极在传感器上方移动。系统选用高精度的直线滑台来完成磁极的移动,由运动控制卡发送控制信号到滑台驱动器,滑台驱动器再控制滑台带动磁极移动,精度可以达到1μm,满足测试精度要求。该系统采用温箱结构,在操作台上设置一个盒式温箱,传感器的加热过程以及磁极的移动过程在温箱里完成。为了保证滑台不受温度影响,在测试箱内部,设置了Z型连接臂,将磁极固定在连接臂顶部,将连接臂底部伸出箱体外部与滑台相连,这种设计即保证了磁极移动的准确位置,又保证滑台不受温度变化的影响。

  在测试箱体外侧还设置了电子锁,按下测试按钮后电子锁会自动将测试箱锁住,直到测试结束,电子锁自动打开,保证了在测试过程中操作人员的安全以及测试环境温度的稳定。

  本系统还设计了看门狗,操作界面上的监控指示灯会实时显示系统操作状态,软件每隔2s向硬件发送系统状态信号,如果在30s内没有任何操作,系统将自动切断操作台的电源,保护系统。系统还设置了人性化的急停按钮,选用高性能的安全继电器,在发生紧急情况时按下急停按钮可以控制安全继电器切断工作台电源。

  除此以外,系统还设计了RS-232、CAN总线、AS-I、Device-Net、ProfiBus等五种通讯方式,可以满足不同通讯协议的传感器的测试需求。

  软件设计

  系统测试软件包括两部分内容,一部分是系统正常运行的基本操作系统,我们选用目前应用最广泛的Windows操作系统;另一部分是测试软件的开发平台,我们选用NI公司的图形化编程语言LabVIEW结合测试流程执行管理软件TestStand,开发出一套多功能的平台式测试系统。本系统使用LabVIEW搭建人机交互界面,使用TestStand搭建测试流程执行序列,针对不同种类的传感器,可以在TestStand中配置不同的测试流程。每个测试流程都有对应的Sequence文件,通过在LabVIEW中调用TestStand运行引擎,加载Sequence来完成测试功能。更换传感器类型时,只需要加载不同的Sequence文件即可以完成对不同类型传感器的测试。测试流程如图2所示。

  软件启动后,首先对系统硬件进行初始化,确保设备处于正常状态。初始化之后,操作员要将传感器放置到测试夹具上,在传感器底部设置了光纤传感器用来检测被测件有无。按下开始测试按钮后,快速加热器首先对传感器及其所处的环境进行加热,待传感器温度稳定后,开始对传感器进行标定。只有标定成功的传感器才能进行测试,如果标定不成功,则测试失败,记录测试数据和失败原因,完成本次测试。标定成功后,继续对被测件进行校准和测试,读取被测件的测试结果,将测试值与标准值进行比较,如果测试值在标准值范围内,则判定该产品为合格品,否则为不合格品,最后对测试数据和测试结果进行记录,输出报表,并且将测试数据存储到数据库中。

参考文献:

[1].150mmdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/150mm_2510809.html.[2].30sdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/30s_2233621.html.[3].RS-232datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS-232_584855.html.

来源:langen

无线传感器网络中传输电路的设计

  0 引 言

  无线传感器网络就是一种RGS系统(远程地面传感器系统),它是一种利用多种传感器作为综合情报采集元件,进行数据融合、编码等处理后,发送给指挥中心,处理还原后在监控平台显示出来的探测系统。它集传感器技术、图像探测技术、震动探测技术、声音探测技术、无线通信技术、数字编码压缩技术、信息融合技术及计算机技术为一体,是由多种高新技术集成的综合性技术。无线多传感器网络系统主要由以下几部分组成:

  (1)系统前端传感器及GPS模块——信号采集部分:主要是由图像、声音、震动以及红外传感器组成的探测单元和GPS模块构成,负责完成战场信息监测任务。

  (2)信息传输部分:主要负责将采集到的信息压缩编码和进行远距离无线传输。

  (3)指挥中心测控平台部分:主要完成对监测单元的远程控制及信号接收任务,并对搜集到的各种信息进行融合处理、分析。将处理结果提供给指挥中心人员,使他们能及时准确地把握战场态势,做出相应的决策。

  本文主要是对无线传感器网络中图像传输系统的硬件设计与软件编程的思想。

  1 发射端调制解调器硬件电路设计和工作原理

  调制解调器硬件电路在发射方和接收方,由于所需完成的任务不同,实际上是不一样的。发射方调制解调器电路原理图如图1所示。

  系统使用+5 V的电源由无线电台的电池变换后供给。MSM7512 B使用专用的3.579 545 MHz的晶体,由于其内部有接地电容,不用外接补偿元件;单片机使用频率为11.059 2 MHz的晶体,主要是为了在波特率设置时,可以取得准确的波特率,能有效避免定时器工作产生的积累误差,外接的补偿元件是二个30 pF电容。为了防止单片机程序运行时的误操作,应将单片机EA/VPP端(31脚)置高电平,确保单片机访问内部的程序存储器。由于调制解调芯片MSM7512B和单片机W77E58都支持TTL电平,所以单片机的第一串行通信口TXD,RXD可以直接与MSM75125B的XD和RD相连;单片机的P1.0,P1.1分别连接:MSM7512B的MOD2和MOD1,按通信的要求,在收发之间转换,以控制调制解调芯片的工作状态;P1.4则控制无线电台收/发状态的转换(PTT)。MSM75125B的AO和AI分别通过接口电路与无线电台的送/受话器相连。作为系统外部监视的显示电路全部由发光二极管和电阻构成,其中红色发光二极管D1为电源指示,亮则表示系统的初始化过程正确;$发光二极管D2为发送正确指示,系统每正确完成一次数据发送任务,它应闪烁一次;D3为载波检测指示,如果亮则表示调制解调器检测到了信道中的有效载波信号;D4为数据传输指示,系统在发送数据时它就开始闪烁,直至数据发送完毕。如果前端传感器有数据需要传送时,产生一个下降沿脉冲,触发单片机的外部中断INTO(P3.2),单片机响应中断后,将前方来的8位并行数据由P2口(P2.0~P2.5)读入,由于P2口内部有上拉电阻,因此作为输入口时,可用TTL或MOS电路驱动,而不要外加上拉电阻。W77E58的串行通信口2可留作系统的扩展口备用。

  2 接收方调制解调器与单片机的接口电路

  接收方调制解调器电路与战场传感器方调制解调器电路在单片机和调制解调芯片的使用和控制是一样的。所不同的是:单片机的第二串行口通过电平转换电路与计算机的RS 232C口相连,把接收到的数字信号传送给微机。接收方调制解调器与单片机的接口电路如图2所示。发光二极管显示电路作用也不完全相同,其中D1~D8为接收数据显示,它能把正确接收的数据以二进数的形式显示出来,D9为系统的电源指示,D10为发送正确指示,D11为载波检测指示,D12为数据传送指示。

  3 调制解调器与PC机接口电路的设计

  调制解调器与PC机接口实际上也就是调制解调器中单片机W77E58与PC机的接口电路,W77E58支持TTL电平,而微机串行通信口RS 232C支持EIA电平,因此在实现它们之间的串行通信时,必须设计电平转换电路,以满足它们各自的需要。

  电平转换电路是指挥中心方调制解调器与微机的接口电路,它也是数据无线传输系统硬件电路(指挥中心方)的一个组成部分。其工作过程如下:由调制解调器解调出来的数字信号,由单片机处理后,从W77E58的串行通信口2,经电平转换芯片MAX232、PC机的RS 232C口(DB9)和微机内部的UART,最后传递给CPU,在监控平台上显示出来。其电路原理图如图3所示。

  4 图像无线传输软件设计

  程序共分五个部分,三个主程序为:发送方单片机程序、接收方单片机程序和微机接收程序;两个子程序为:差错处理子程序、发送延时子程序。

  收、发双方及单片机与PC机之间的联络均采用软件“握手”信号联络。所有联络“握手”信号均为#0AAH,接收正确后应答信号为#00H,接收错误则应答为#0FFH。

  传感器一方在无数据需要传输时,通过单片机的编程控制使MSM7512B工作在省电模式,此时调制解调芯片(不含W77E58)的功耗仅为0.1 mW,可以最大限度地延长电池的使用时间。

  单片机与MSM7512B的逻辑控制关系:P1.O→MOD2,P1.1→MODl,P1.5→AOG,另外 P1.4→电台PTT,单片机控制MSM7512B和电台进行收、发转换。前端传感器有数据传输时,产生一个下降沿的脉冲信号启动整个系统的程序运行,数据传输完毕后,系统返回初始状态。单片机的P1.5口控制选择MSM7512B的的输出电平。

  设定单片机的2个串行口都工作于串行口工作方式1;定时器T1工作于方式2(自动重装初值),作波特率发生器,通过调整T1的初装值,用来选择1 200 b/s,600 b/s和300 b/s三种速率;定时器T2工作于方式1,作定时器,用来设计安排延时。

  在系统的设计过程中,为了减少电台灵敏度不高和信道质量差误码等影响,发送方需连续发5次“握手”联络信号,接收方在连续2次收到正确的联络信号以后,才确认是有效的联络予以响应,否则认为是干扰信号,不予以响应。这样既能减少各类原因造成的接收机程序不启动运行导致漏报的可能性,又能保证接收机不因干扰信号而误操作,减少误报的机率。另外综合考虑电台的收发转换和调制解调芯片的收发转化所需的各类延时时间,在设计程序时专门安排了一个延时时间。经过大量的实验,得出一个比较合适的延时时间,即不论通信哪一方,在由收转为发状态后,都先延时70 ms,因为时间太短了系统不能正常工作,太长了可能会影响数据的传输速率,降低数据传输的时性。系统数据发射端和接收端单片机程序流程图如图4所示。

  5 结 语

  通过对MSM7512B调制解调芯片性能特点的了解,设计出了发射端和接收端调制解调器的实际电路,然后简单介绍了具有双串口功能的单片机W77E58的性能特点后,给出了数据无线传输系统的接收方单片机与PC机之间串行通信的硬件电路图,并描述了Mo-dem与电台接口电路的设计过程,最后叙述了整个系统单片机软件的特点。从整体上给出了无线传感器网络数据无线传输系统的设计原理图。

  无线传感器网络涉及传感器技术、网络通讯技术、无线传输技术、嵌入式计算技术、微电子制造技术、软件编程技术等领域,具有跨学科的特点,在军事、民防、环境、生态、农业、健康、家庭和其他领域都有广阔的应用前景,在空间探索和灾难救助等特殊领域,传感器网络业有其得天独厚的技术优势。

来源:langen

视觉传感器在包装机械中的应用

  在不久之前,设计质量控制系统的工程师还不得不在若干种检验选项中做出选择,没有一种完全令人满意。

  这些选项包括昂贵的单用途视觉系统,多阵列低功能光电传感器,以及易受疲劳和精力不集中影响的人眼检验。然而,如今最先进的视觉传感器正将传统方法的最佳性能与史无前例的速度、精确度、尺寸及成本优势相结合。

  本文将比较各类传感选项的功能,并证明为什么视觉传感成为工业传感器市场中增长最快的领域。

  视觉传感的基本原理

  光电传感器包含一个光传感元件,而视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量,以像素数量表示。Banner 工程公司提供的部分视觉传感器能够捕获 130 万像素。因此,无论距离目标数米或数厘米远,传感器都能“看到”十分细腻的目标图像。

  在捕获图像之后,视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较,以做出分析。例如,若视觉传感器被设定为辨别正确地插有八颗螺栓的机器部件,则传感器知道应该拒收只有七颗螺栓的部件,或者螺栓未对准的部件。此外,无论该机器部件位于视场中的哪个位置,无论该部件是否在 360 度范围内旋转,视觉传感器都能做出判断。

  视觉传感器的优势

  在可用的检验备选方案中,即视觉系统、光电传感器、人工检验,以及视觉传感器,视觉传感器通常因其精确性、易用性、丰富功能及合理成本而成为最佳选择。

  随着各行业竞争越来越激烈,利润率逐渐变小,制造商无法承受因瑕疵产品造成的高废品率。因此,为在产生高昂成本之前检测出问题,制造商正将检验工作融入整个制造过程。

  ◆ 视觉系统与视觉传感器之比较

  复杂的视觉系统是一项成熟的技术,可执行细致的自动检验。但是,复杂性和高成本妨碍了其在许多行业中的应用,其价格通常从 5000 美元至 50000 美元以上。这些复杂的视觉系统需要一个或多个摄像头、定制软件以及一台计算机。它们往往需要聘请外部视觉顾问来设计、集成和安装系统。

  此外,鉴于此类系统的专用性,无法将它们轻松地改作它用。这些复杂的系统通常要求持续的专业支持。

  尽管对复杂视觉系统的需求仍然存在,但是更廉价、更容易使用的视觉传感器的推出,为一些工业应用提供了性价比更佳的解决方案。此外,由于视觉传感器更小、更易使用,制造商会更频繁地在检验和校验应用中采用视觉解决方案。视觉传感器在工厂自动化的品质提高及生产效率改进方面功不可没。

  ◆ 光电传感器与视觉传感器之比较

  与光电传感器相比,视觉传感器赋予机器设计者更大的灵活性。以往需要多个光电传感器的应用,现在可以用一个视觉传感器来检验多项特征。视觉传感器能够检验大得多的面积,并实现了更佳的目标位置和方向灵活性。这使视觉传感器在某些原先只有依靠光电传感器才能解决的应用中受到广泛欢迎。在传统上,这些应用还需要昂贵的配件,以及能够确保目标物体始终以同一位置和姿态出现的精确运动控制。

  此外,由于一个基本视觉传感器的成本仅相当于数个具有较贵配件的光电传感器,因此价格已不再是问题。

  视觉传感器为应用的切换提供了无与伦比的灵活性。例如,生产工序的切换(从单份装酸奶切换成冰淇淋桶)可能仅需数秒钟,并且可遥控完成。附加的检验条件可轻松地添加到此应用中。

  ◆ 人工检验和视觉传感器之比较

  无论工厂自动化有何进步,许多检验仍用肉眼来完成。但是,在大多数应用中,视觉传感器的许多优势非手动检验流程所能及。视觉传感器能够以高得多的速度工作;以低得多的成本执行重复、多次、一致的检验。

  不断扩展的应用范围

  视觉传感器的低成本和易用性已吸引机器设计师和工艺工程师将其集成入各类曾经依赖人工、多个光电传感器,或根本不检验的应用。视觉传感器的工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分捡。以下只是一些应用范例:

  ◆ 在汽车组装厂,检验由机器人涂抹到车门边框的胶珠是否连续,是否有正确的宽度。

  ◆ 在瓶装厂,校验瓶盖是否正确密封、装灌液位是否正确,以及在封盖之前没有异物掉入瓶中

  ◆ 在包装生产线,确保在正确的位置粘贴正确的包装标签

  ◆ 在药品包装生产线,检验阿斯匹林药片的泡罩式包装中是否有破损或缺失的药片。

  ◆ 在金属冲压公司,以每分钟逾150片的速度检验冲压部件,比人工检验快13倍以上。

  结论:对于视觉传感器而言,这是一个激动人心的时刻。曾经需要大量专业知识的技术,现在变得经济、易用。采用该技术的未来产品开发将继续此趋势。现在的挑战是如何让各个行业意识到视觉传感器在所有制造领域的潜力,其中包括质量控制、测量和检验流程。

  机器视觉提高质控效率

  对于工厂自动化和过程自动化,机器视觉是实现真正意义的自动的基础和一种重要的质量控制的手段。以下是欧姆龙对国内机器视觉市场的一些看法。

  机器视觉,顾名思义就是使用机器的自动化方法,实现类似人类视觉(眼睛+视觉神经中枢+视觉神经细胞)的功能。对于工厂自动化和过程自动化,机器视觉是实现真正意义的自动的基础和一种重要的质量控制的手段。

  如果用最简单的一句话概括机器视觉系统的构成,就是由镜头,像机和控制器构成的机器视觉替代人工,根据物体在一定环境下得到的画面进行尺寸,缺陷,种类,匹配,文字等各种参数的测量和判别。帮助客户提高生产效率,减少人工这一自动化领域的不确定因素对产品品质的影响。

  对于机器视觉的整个产业链来说,目前国内的情况有些特别。在供应商方面,因为绝大多数是国外厂家,存在一个对国内市场,国内文化了解的问题。大家都看到了国内经济的高速发展,但可能这个发展的促进因素和国外的情况不同,这也是他们短时间内没办法完全理解的。相信目前国内的销售现状离大多数供应商的希望还有一段距离,即使像OMRON这样,进入中国市场二十多年,近些年的机器视觉都在高速增长,但目前的市场销售额还是远远没法和日本相比。

  至于用户这一端,最大的问题在于对机器视觉的不了解,当然这也有国内特殊情况的原因,就是国内的劳动力成本和机器视觉初期投资的对比情况。或者是对于新的产品或解决问题的方法不了解,或者是对这个新方法和传统人工的对比不太清楚。这需要供应商多做推动。

  对于用户和供应商之间的桥梁——集成商,同样也是对机器视觉缺乏了解,不知道除了机械,普通传感器以外还有一个方法就是通过画面/图像来做一些判断。国内系统集成商也非常缺乏,而国内厂家的自制设备比例太低,这也是一个短时间内无法解决的问题。

  机器视觉的初期投资在国内劳动力成本较低的大背景下无疑是每一个准备购买的人需要考虑的问题,这也给机器视觉系统提出了更高的要求,无论是价格还是性能。基于以上的认识,业内人士建议,在这一新产品的成长阶段,早期的市场培育,客户培育,或者说系统集成商的培育是非常重要的。所以我们花了许多时间在机器视觉基础知识的培训上,希望第一步做到让更多的人知道机器视觉,知道它的基本原理。

  机器视觉的未来是非常乐观,也是充满信心的。相信在不断提高自己的前提下,随着国内自动化程度的提高,整个社会对产品质量要求的提升,制造业对生产效率要求的提升,机器视觉这个新产品,新概念也会深入人心。

  就像现在的自动化强国当初经历过的这些阶段一样,在更大的市场上也会有更大的成绩。所以说OMRON相信机器视觉的未来是光明的,道路也是漫长的。至于到具体的时间,可能要5年,也可能只要3年,或者更短,因为国内的发展一旦起步,速度将是惊人的。

  编后记:当前中国的食品和包装机械的一个突出问题是新产品开发周期长,模仿多,新的创意少,这不仅与设计人员的知识水平有关,也和相关行业的发展有关。

  国际先进的作法是将各种机器元素以数据库形式存入计算机,再把图纸数字化后输入计算机,由计算机自动合成三维模型,接着将过去曾经发生过的生产线故障输入计算机,计算机即可演示实际工况,在用户面前根据需要进行修改。计算机合成速度快,修改工作迅速方便,如果用户的某些要求达不到,计算机也会告诉你,以免除以后的纠纷。这种由计算机完成的仿真技术,大大缩短了包装机械(生产线)的设计周期,客户的满意度也大大提高。

  当然,这种仿真技术的应用亦提醒包装机械的制造按照部件的功能要先进行模块化,各部件有统一接口,各模块之间可以自由组合。这样可以变包装机械的单件小批生产为各种模块的批量生产,以降低生产成本。即使不是生产线而是单个机器,模块式组合也可以缩短设计及制造周期,降低生产成本。而模块化又可以使非标准零件走向标准化,使用户排除故障方便快捷,也就降低了用户的运行成本。

来源:langen

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