CN105043493A - 高精度水位仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水位仪的技术领域，公开了高精度水位仪，包括基座、导轨以及直线位移传感器，导轨呈竖直状连接在基座上，导轨上活动连接有移动块，直线位移传感器连接于移动块；移动块上连接有测杆，测杆的下端具有用于往复触水的测针；直线位移传感器电性连接有用于控制移动块移动且通过读取直线位移传感器相对位移数据进而实现水位测量的控制主板。通过控制主板控制移动块上下移动，实现测针的上下往复触水，直线位移传感器也上下直线移动，控制主板通过读取直线位移传感器的相对位移量，则直接实现对水位的测量；由于控制主板获取的直线位移数据，这样，则不需要进行转换计算，则可以直接获取到水位的数值，大大提高测量的精度。

Description

高精度水位仪

技术领域

本发明涉及水位仪的技术领域，尤其涉及高精度水位仪。

背景技术

水位仪是三工物理模型试验中必备的测量仪器，按仪器感知水面的方式，可以分为淹没式、振动触水式和非触水式三种类型。

非触水式水位仪在性价比方面尚未满足实用要求，淹没式在实际操作，经常受各种漂移的影响，其测量精度难以满足要求，因此，目前普遍采用振动触水式。

采用振动触水式的水位仪，必须用线位移─电量变换器，而旋转角位移型变换器，如同步电机或码盘水位仪则必需一套高精度线─角位移机械转换装置如丝杆等，这样，对于水位仪而言，这样的结构直接影响到水位仪水位转换线性度、跟踪速度、机械寿命和仪器结构等方面的综合指标，并且，对于水位仪而言，其测量水位变化的精度也较低，难以满足实际需求。

发明内容

本发明的目的在于提供高精度水位仪，旨在解决现有技术中的水位仪存在测量水位变化精度低的问题。

本发明是这样实现的，高精度水位仪，包括基座、导轨以及直线位移传感器，所述导轨呈竖直状连接在所述基座上，所述导轨上活动连接有沿所述导轨上下移动的移动块，所述直线位移传感器连接于所述移动块；所述移动块上连接有朝下竖直延伸布置的测杆，所述测杆的下端具有用于往复触水的测针；所述直线位移传感器电性连接有用于控制所述移动块移动且通过读取所述直线位移传感器相对位移数据进而实现水位测量的控制主板，所述控制主板与所述测针电性连接。

进一步的，所述水位仪包括竖杆，所述竖杆呈竖直状连接在所述基座上，所述竖杆的侧壁上形成有标尺面；所述直线位移传感器包括形成在所述标尺面上的标尺光栅以及读数头，所述读数头连接于所述移动块，且设于所述标尺面的前侧，所述读数头包括红外光电元件、方波整形器以及指示光栅，所述指示光栅与所述标尺光栅相对布置，且两者之间具有间隙；所述读数头电性连接于所述控制主板，且所述控制主板通过读取所述读数头的相对位移数据进而实现水位测量。

进一步的，所述标尺光栅及指示光栅中分别形成有零点窗。

进一步的，所述控制主板中具有用于缩短所述测针入水反应时间的调频及锁相环元件。

进一步的，所述控制主板包括有触水触发器，所述触水触发器分别与所述测针及控制主板电性连接。

进一步的，所述竖杆的上端设有用于限制所述读数头朝向移动极限位置的上限位开关，所述竖杆的下端设有用于限制所述读数头朝下移动极限位置的数字式下限位开关，所述上限位开关及数字式下限位开关分别电性连接于所述控制主板。

进一步的，所述导轨穿过所述移动块，且所述高精度水位仪包括有用于对导向所述移动块的移动的导向结构。

进一步的，所述导向结构包括导向块以及设置在所述基座上的导向杆，所述导向杆呈竖直布置，且所述导向杆中设有导向槽，所述导向槽沿所述导向杆的长度方向延伸布置；所述移动块的侧边朝外突出，形成所述导向块，所述导向块活动置于所述导向槽中。

进一步的，所述高精度水位仪包括由所述控制元件控制运作的电机以及皮带传动结构，所述皮带传动结构包括同步轮以及同步皮带，所述电机的输出轴连接于所述同步轮，所述移动块连接于所述同步皮带。

进一步的，所述测杆的上端连接于所述移动块，所述测杆的下端朝下延伸布置，且活动穿过所述基座，所述测针位于所述基座的下方。

与现有技术相比，上述提供的水位仪中，通过控制主板控制移动块上下移动，实现测针的上下往复触水，并且，移动块的移动，带动直线位移传感器的上下直线移动，这样，控制主板通过读取直线位移传感器的相对位移量，则可以直接实现对水位的测量；由于控制主板获取的直线位移数据，而不是现有技术中的圆周转动数据，这样，则不需要进行转换计算，则可以直接获取到水位的数值，大大提高测量的精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高精度水位仪的主视示意图一；

图2是本发明实施例提供的高精度水位仪的主视示意图二；

图3是本发明实施例提供的直线位移传感器输出信号序列的示意图；

图4是本发明实施例提供的高精度水位仪的电路控制示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

参照图1至图4示，为本发明提供的较佳实施例。

本实施例提供的高精度水位仪，用于测量河道的水位以及水位变化等。

水位仪包括基座101、导轨105、控制主板104以及直线位移传感器，其中，基座101作为整个水位仪的支撑台，导轨105连接在基座101上，呈竖直布置，导轨105的下端连接在基座101上，上端朝上竖直延伸布置；在导轨105上连接有移动块106，该移动块106可以沿着导轨105上下移动，直线位移传感器连接在移动块106上，这样，随着移动块106沿着导轨105上下移动，直线位移传感器也可以上下移动。

本实施例中，导轨105上的移动块106还连接有测杆110，该测杆110呈竖直布置，其上端连接在移动块106上，下端朝下延伸布置，且在测杆110的下端形成有测针111，这样，当移动块106沿着导轨105上下移动时，整个测杆也随之上下移动，当测针111与水面接触时，控制主板104控制移动块106朝上移动，当测针111脱离水面后，移动块106则又朝下移动，如此反复进行。

上述的移动块由控制主板控制上下移动，测杆的测针及直线位移传感器也分别电性连接于控制主板，控制主板通过检测测针是否触水，进而控制移动块上下对应，并且，控制主板通过读取直线位移传感器的相对位移量，进而实现对水位的测量。

上述提供的水位仪中，通过控制主板控制移动块上下移动，实现测针的上下往复触水，并且，移动块的移动，带动直线位移传感器的上下直线移动，这样，控制主板通过读取直线位移传感器的相对位移量，则可以直接实现对水位的测量；由于控制主板获取的直线位移数据，而不是现有技术中的圆周转动数据，这样，则不需要进行转换计算，则可以直接获取到水位的数值，大大提高测量的精度。

本实施例中，水位仪包括还包括竖杆108，竖杆108连接在基座101上，且呈竖直状布置，这样，竖杆108及导轨105相邻平行布置，下端连接在基座101上，上端朝上竖直延伸布置。

直线位移传感器包括标尺光栅109以及读数头107，其中，竖杆108的侧壁上形成有标尺面，该标尺面沿着竖杆108的长度方向延伸布置，标尺光栅109则形成在竖杆108的标尺面上，且延着竖杆108的长度方向延伸布置，也就是沿着竖直方向延伸布置；读数头107布置在竖杆108的标尺面的前侧，其与控制主板104电性连接，且连接在移动块106上，随着移动块106的移动而上下移动，读数头107包括红外光电元件、方波整形器以及指示光栅，其中，指示光栅与标尺光栅109之间正对布置，且两者之间存在间隙。

另外，在标尺光栅109以及指示光栅中分别形成有零点窗，这样，当两个零点窗重合时，将产生全量程范围内唯一一个零点脉冲信号RI。

本实施例中，当移动块106沿着导轨105上下移动时，读数头107及测杆110也随之上下移动，当测针111与水面接触时，控制主板104控制移动块106朝上移动，当测针111脱离水面后，移动块106则又朝下移动，如此反复进行。

根据几何光学原理，光直线传播的过程中，光在经过迭合的两块光栅时，如上述的标尺光栅109以及指示光栅，遮光条纹或透光条纹的交点的连线组成一条透光的亮线，而遮光条纹和透光条纹的交点的连线组成一条不透光的暗线，这些亮暗线被称为莫尔条纹，莫尔条纹信号的宽度和三角函数特性则通过栅线夹角来调整。

以标尺光栅109轴向为x，垂直方向为y，则得莫尔条纹方程式：

$y=x(1-\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}})\mathrm{ctg\θ}-\frac{\mathrm{kd}}{\sin \mathrm{\θ}}$

式中：每一个k值对应一条条纹。

莫尔条纹的斜率为：

$\mathrm{tg\ϵ}=(1-\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}})\mathrm{ctg\θ}$

莫尔条纹的间距为：

$W=\frac{d}{\sqrt{2(1-\cos \mathrm{\θ})}}$

由上可见，标尺光栅109与指示光栅迭合时所形成的莫尔条纹是由条纹斜率为tgε、条纹间距为W的平行线簇所形成。

当θ角很小时，莫尔条纹大致与光栅栅线方向相垂直，并且W>>d，即莫尔条纹间距对光栅栅距有放大作用，这对直径比栅距大得多的红外光电元件十分有好处。

当读数头107沿标尺光栅109轴线相对移动时，红外光电元件产生Sin正弦和Cos余弦信号，经方波整形器，输出相位差为90°的A、B二路电脉冲方波信号序列。读数头107相对标尺光栅109移动一个栅距，就输出一个具有方向特征信号的方波脉冲，经过控制主板104对脉冲信号的计算即可得出读数头107的相对位移量。在标尺光栅109和指示光栅尺面上还各刻划有一个零点窗，当两窗完全重合时，将产生全量程范围内唯一一个零点脉冲信号RI。以RI作为坐标原点，则直线位移传感器就成为一维坐标测量系统：

读数头107坐标x＝栅距d×∑(±方波脉冲数)

当读数头107沿正方向移动时，A方波脉冲超前B方波脉冲90°，当读数头107沿反方向移动时，A方波脉冲落后B方波脉冲90°。采用一倍电子细分，即利用方波信号边沿触发计数，可以在一个栅距内产生两个触发，将0.02mm栅距的直线位移传感器分辨率提高到0.01mm。以上说明了增量型光栅数字编码器测量原理，用它直接测量水位变化既直观又合适。

在实际操作中，当水位仪每次开机时，读数头107向上移动后，转而向下移动。使得标尺光栅109与指示光栅的零点窗重合，也就是寻找到零点RI后，水位仪即进入测针111上下往复重复触水的跟踪工作方式，在测针111每次触水的瞬间拾取水位值，也就是，控制主板104通过对读数头107的输出信号的计算，得到读数头107的上下移动的相对位移量，进而得到实现对水位的测量。

在水位仪中采用计量光栅技术，具有以下优点：

1)、标尺光栅109与指示光栅都属于高精度光学器件，刻划精度可以达到±10μm/m，解决了水位仪高精度及抗强干扰的问题；

2)、标尺光栅109与指示光栅之间采用非接触式结构，大大延长期使用寿命；

3)、莫尔条纹信号是由125个条栅线所形成的，其中个别栅线的刻划误差或其它庇漏对整个莫尔条纹的位置和形状影响甚小：

4)、坐标计算采用了脉冲的鉴相技术和相关分析技术，具有很强的抗机械抖动能力；

5)、采用细分技术，提高分辨率，在相同的精度下，可得到较大的容错率。

另外，在控制主板104中，具有调频及锁相环元件，这样，则可以大大缩短测杆110的测针111入水反应时间，消除水的表面张力对测针111的影响及误报，这样，只要测针111一触及水面，控制主板104则控制移动块106快速朝上移动，使得测针111脱离与水接触；当测针111脱离与水接触时，控制主板104则控制移动块106快速朝下移动，直至测针111与水接触，如此往复操作，不仅可以准确的测量水位，且可以减少测针111与水反应时间对测量精度的影响。

本实施例中，标尺光栅109及指示光栅上分别刻有多个平行等距的0.01mm宽的遮光条纹和透光条纹。当然，根据实际需要，遮光条纹及透光条纹的宽度也可以是其它数值，并不仅限制于上述的0.01mm。

当水位仪正常工作时，指示光栅尺面和标尺光栅109保持平行在0.02mm～0.05mm间隙，且标尺光栅109与指示光栅之间呈倾斜布置，两者之间保持一很小夹角θ。

本实施例中，控制主板104包括有触水触发器，该触水触发器与测杆110的测针111电性连接，可以缩短测针111入水反应时间；控制主板104还具有通讯元件，用于与外部设备进行通讯。

具体地，水位仪还具有键盘、显示器。控制主板104采用ARM7内核的STM32F103，系统工作频率提高到72MHz，其目的是尽量减少元件数量、硬件软件化和提高运行效率。控制主板104负责通讯、键盘命令、显示、电机102控制、直线位移传感器读数头107位移量的判别、坐标计算、水位值拾取和直线位移传感器故障诊断。为最大限度降低硬件开销，按照硬件软件化原则，直线位移传感器脉冲计数采用了信号边沿硬件触发，软件滤波、判向和加减运算。

水位仪的精度除受直线位移传感器分辨率和脉冲信号运算处理好坏的影响外，还受触水触发器的影响。在本水位仪设计中，触水触发器采用触水变频、锁相环鉴频的方法来测取测针111触水信号，这种设计可有效抑制上述水体干扰而引起的误触发，避免出现水位仪出现工作不正常的现象。

本实施例提供的直线位移传感器为光栅编码器，当然，直线位移传感器也可以是其他多种编码器，或者，其他可以实现直线位移检测的传感器等。

本实施例中，导轨105布置在竖杆108的侧边，且移动块106连接在读数头107的侧边，这样，当移动块106上下移动，驱动读数头107上下移动的过程中，避免移动块106对读数头107与竖杆108之间造成影响。

另外，在竖杆108的上端设有上限位开关，该上限位开关与控制主板104电性连接，这样，当读数头107朝上移动时，当碰到该上限位开关时，则会朝下移动，也就是保证读数头107朝上移动的极限位置。

在竖杆108的下端设有数字式下限位开关，该数字式下限位开关电性连接控制主板104，其可以对读数头107朝下移动的极限位置进行限制及定位。

本实施例中，导轨105穿过移动块106，这样，移动块106则可以沿着导轨105上下移动。另外，为了进一步保证移动块106移动的导向，本实施例中，水位仪还包括导向结构，用于对移动块106的移动进行导向。

具体地，导向结构包括设置在基座101上的导向杆以及导向块，该导向杆呈竖直布置，且该导向杆中设有导向槽，该导向槽沿着导向杆的长度方向延伸布置，也呈竖直布置；移动块106的侧边朝外突出，形成上述的导向块，该导向块活动置于导向槽中，且当移动块106上下移动时，导向块可以沿着导向槽上下移动，从而可以对移动块106的移动起到导向的作用。

本实施例中，水位仪还包括动力元件，该动力元件用于驱动移动块106沿着导轨105上下移动，从而驱动读数头107的上下移动。动力元件与控制主板104电性连接，从而，由控制主板104控制动力元件的运作，进而控制移动块106的移动。

具体地，动力元件包括电机102以及皮带传动结构，皮带传动结构包括有同步轮以及同步皮带112，其中，电机102与控制主板104连接，由控制主板104控制运作，电机102的输出轴与皮带传动结构的同步轮连接，用于驱动同步轮转动，同步皮带112连接在同步轮上，由同步轮驱动移动，移动块106与同步皮带112连接，这样，通过同步皮带112的移动，驱动移动块106的上下移动。

本实施例中，测杆110的上端连接在移动块106上，且测杆110穿过基座101，朝下延伸，测针111置于基座101下方，这样，当移动块106上下移动时，测杆110也活动在基座101中穿行，这样，利用基座101可以对测杆110进行导向的作用。

在实际测量过程中，需要对水位仪进行固定位置，本实施例中，基座101上连接有多个安装脚，该多个安装脚一端连接在基座101上，另一端朝基座101外延伸布置，这样，当需要对水位仪进行固定安装时，则可以直接利用安装脚与外部结构连接，进而使得整个水位仪固定。

另外，控制主板104布置在基座101上，且在基座101上设置有面板103，该面板103布置在控制主板104的外侧，且与控制主板104相对布置，这样，当用户需要对水位仪进行控制操作时，通过在面板103上操作按键等，则可以实现对控制主板104的操作，既可以保护控制主板104，操作也方便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高精度水位仪，其特征在于，包括基座、导轨以及直线位移传感器，所述导轨呈竖直状连接在所述基座上，所述导轨上活动连接有沿所述导轨上下移动的移动块，所述直线位移传感器连接于所述移动块；所述移动块上连接有朝下竖直延伸布置的测杆，所述测杆的下端具有用于往复触水的测针；所述直线位移传感器电性连接有用于控制所述移动块移动且通过读取所述直线位移传感器相对位移数据进而实现水位测量的控制主板，所述控制主板与所述测针电性连接。

2.如权利要求1所述的高精度水位仪，其特征在于，所述水位仪包括竖杆，所述竖杆呈竖直状连接在所述基座上，所述竖杆的侧壁上形成有标尺面；所述直线位移传感器包括形成在所述标尺面上的标尺光栅以及读数头，所述读数头连接于所述移动块，且设于所述标尺面的前侧，所述读数头包括红外光电元件、方波整形器以及指示光栅，所述指示光栅与所述标尺光栅相对布置，且两者之间具有间隙；所述读数头电性连接于所述控制主板，且所述控制主板通过读取所述读数头的相对位移数据进而实现水位测量。

3.如权利要求2所述的高精度水位仪，其特征在于，所述标尺光栅及指示光栅中分别形成有零点窗。

4.如权利要求2所述的高精度水位仪，其特征在于，所述控制主板中具有用于缩短所述测针入水反应时间的调频及锁相环元件。

5.如权利要求2所述的高精度水位仪，其特征在于，所述控制主板包括有触水触发器，所述触水触发器分别与所述测针及控制主板电性连接。

6.如权利要求2至5任一项所述的高精度水位仪，其特征在于，所述竖杆的上端设有用于限制所述读数头朝向移动极限位置的上限位开关，所述竖杆的下端设有用于限制所述读数头朝下移动极限位置的数字式下限位开关，所述上限位开关及数字式下限位开关分别电性连接于所述控制主板。

7.如权利要求2至5任一项所述的高精度水位仪，其特征在于，所述导轨穿过所述移动块，且所述高精度水位仪包括有用于对导向所述移动块的移动的导向结构。

8.如权利要求7所述的高精度水位仪，其特征在于，所述导向结构包括导向块以及设置在所述基座上的导向杆，所述导向杆呈竖直布置，且所述导向杆中设有导向槽，所述导向槽沿所述导向杆的长度方向延伸布置；所述移动块的侧边朝外突出，形成所述导向块，所述导向块活动置于所述导向槽中。

9.如权利要求1至5任一项所述的高精度水位仪，其特征在于，所述高精度水位仪包括由所述控制元件控制运作的电机以及皮带传动结构，所述皮带传动结构包括同步轮以及同步皮带，所述电机的输出轴连接于所述同步轮，所述移动块连接于所述同步皮带。

10.如权利要求1至5任一项所述的高精度水位仪，其特征在于，所述测杆的上端连接于所述移动块，所述测杆的下端朝下延伸布置，且活动穿过所述基座，所述测针位于所述基座的下方。