專利名稱：磁光編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型磁光編碼器屬水文測量中的測量終端液位計。
背景技術(shù)：
在水文測量中最常用的測量終端莫過于液位計，按測量方式分類大致有機械浮子式、光電浮子式、超聲波式、激光式、振弦式等多種形式，它們各有優(yōu)缺點，機械浮子式和光電浮子式都用機械齒輪減速產(chǎn)生進位和退位的辦法來形成編碼，為了產(chǎn)生可靠編碼，一般都用格雷碼輸出，這種液位計的優(yōu)點是價格相對較低，缺點是機械加工復(fù)雜、運行阻力大、使用壽命短；超聲波液位計和激光液位計有較高的測量精度且沒有機械部件，故其可靠性可以做得較高，但實用中發(fā)現(xiàn)其對反射目標(biāo)的要求較高，受環(huán)境因素影響較大，最關(guān)鍵的一點是因為其信號處理電路較復(fù)雜導(dǎo)致其成本居高不下，目前還難以推廣；振弦式液位計主要用于小量程液位的測量；實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于針對上述背景技術(shù)提供一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、穩(wěn)定性好、精度高、成本低、能完成大量程液位測量的磁光編碼器。
本磁光編碼器是在現(xiàn)有光電浮子式液位計基礎(chǔ)上的改進發(fā)明。其具體組成是水位輪與轉(zhuǎn)軸通過螺釘裝在一起，由左右兩個半圓柱筒組成的殼體分別通過軸承裝在轉(zhuǎn)軸上，置于殼體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)光電碼盤裝在轉(zhuǎn)軸上隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，其特點是置于殼體內(nèi)與旋轉(zhuǎn)光電碼盤正面相對應(yīng)的不隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的位置傳感器盤與旋轉(zhuǎn)光電碼盤同圓心地固定在殼體上。此位置傳感器盤正面同圓心同圓弧的120分°角線上分別裝有干簧管，在同一條120°分角線上還同圓弧對稱地分別沿徑向裝有八個反射式光電耦合器，位置傳感器盤反面裝有控制電路板，旋轉(zhuǎn)光電碼盤上還裝有永磁鐵?？刂齐娐凡捎贸凸膯纹瑱C。
本實用新型由于舍棄了機械減速裝置產(chǎn)生進位和退位的辦法來形成編碼，結(jié)構(gòu)簡單，具有精度高，穩(wěn)定性好，量程大，價格低廉，使用方便等優(yōu)點。


圖1磁光編碼器結(jié)構(gòu)示意圖圖2旋轉(zhuǎn)光電碼盤示意圖圖3位置傳感器盤示意圖圖4控制電路原理圖圖1與圖2的標(biāo)號名稱1、殼體，2、位置傳感器盤，3、旋轉(zhuǎn)光電碼盤，4、轉(zhuǎn)軸，5、軸承，6、永磁鐵，7、螺釘，8、水位輪，9、支架，10、軸承。
圖3中的符號名稱，G1、G2、G3-干簧管。D0～D7-光電耦合器。
由圖1可知，本磁光編碼器的具體組成是，水位輪8與轉(zhuǎn)軸4通過螺釘7裝在一起，轉(zhuǎn)軸隨水位輪一起旋轉(zhuǎn)，殼體1由左右兩個半圓柱筒組成，兩個半圓柱筒分別通過軸承10與軸承5安裝在轉(zhuǎn)軸4上，置于殼體1內(nèi)的旋轉(zhuǎn)光電碼盤3固定在轉(zhuǎn)軸4上，隨轉(zhuǎn)軸4一起轉(zhuǎn)動，與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于，置于殼體內(nèi)與旋轉(zhuǎn)光電碼盤3正面相對的不隨轉(zhuǎn)軸4轉(zhuǎn)動的位置傳感器盤2與旋轉(zhuǎn)光電碼盤3同圓心固定在左半圓柱筒殼體上，以替代現(xiàn)有技術(shù)中利用機械齒輪減速裝置產(chǎn)生進位和退位的辦法來形成編碼。位置傳感器盤如圖3所示，其正面在同圓心同圓弧的120°角分線上沿徑向分別裝有干簧管G1、G2、G3，在同一條120°角分線上同圓弧對稱地分別沿徑向裝有八個光電耦合器D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7；位置傳感器盤反面裝有由超低功耗單片機組成的控制電路板。旋轉(zhuǎn)光電碼盤如圖2所示，在旋轉(zhuǎn)光電碼盤上還裝有永磁鐵6。
本磁光編碼器的工作原理如下一、機械工作原理本磁光編碼器同普通光電液位計一樣也有一個光電碼盤，如圖2所示，碼盤白色部分反射光線而黑色部分則吸收光線，如圖3所示的位置傳感器盤和圖2所示碼盤間距約2mm，同圓心安裝，液位變化時浮子牽引水位輪轉(zhuǎn)動，碼盤和水位輪安裝在同一軸上也隨水位輪作圓周運動，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時，碼盤就會吸收或反射來自位置傳感器盤上的光電耦合器的光線，從而使8位光電耦合器根據(jù)碼盤和光電耦合器的相對位置輸出8位格雷碼編碼，傳統(tǒng)的光電液位計用一個減速齒輪帶動另一個碼盤轉(zhuǎn)動從而獲得高位編碼，而本磁光編碼器摒棄了所有的齒輪減速機構(gòu)，用安裝角度為120度的三只干簧管來計算碼盤旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時安裝于其上的磁鐵依次吸合三只干簧管，根據(jù)這一次序就可以判斷液位是向著液位上升的方向增加圈數(shù)還是向著液位下降的方向減少圈數(shù)。這樣一來單圈的絕對位置可以通過碼盤的編碼得到，而旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)可以由于簧管的吸合次序得到，合起來就可以得到液位高程從而完成液位的測量。
二、控制電路原理控制電路原理圖如圖4所示，本控制電路采用美國TI公司的MSP430系列的超低功耗單片機MSP430F133，在模式LPM4時的典型工作電流只有0.1μA，并且能在6μS的時間內(nèi)響應(yīng)外部中斷，實測在常溫下即使是在1.2伏電源電壓下仍能全速正常工作。
由圖4可知，控制電路的組成是，12伏的電源經(jīng)穩(wěn)壓器78L09分別連于位置傳感器盤2上的兩路光電耦合器串聯(lián)電路D0、D2、D4、D6與D1、D3、D5、D7，兩路串聯(lián)電路的八個光電耦合器D0～D7的輸出分別連于超低功耗單片機MSP430F133；同時12伏電源既連于繼電器JD1又經(jīng)電阻R28和穩(wěn)壓電路U3-HT1036連于1法拉的充放電電容C46，此充放電電容C46的輸出連于超低功耗單片機及位置傳感器盤2上的三個干簧管G1、G2、G3，三個干簧管又分別連于超低功耗單片機，超低功耗單片機還分別連于安裝在殼體1上的6位液晶顯示器和485總線接口MAX3483。其工作原理如下當(dāng)要測量當(dāng)前液位時，首先要由上位控制器將12伏電源加到本磁光編碼器，此時繼電器JD1吸合，一方面由R28、U3組成的穩(wěn)壓電路給法拉電容C46進行恒流限壓充電，以補充斷電后單片機工作所需電能，另一方面將Wake信號由“0”切換到“1”，喚醒單片機進入全速正常工作狀態(tài)，通過測量8只反射式光電耦合器電平得到碼盤在一個圓周內(nèi)的具體位置編碼(8bit格雷碼)，加上正(反)向旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)就可以計算出實際液位，換算成格雷碼輸出以兼容現(xiàn)有浮子式液位計，同時還通過485總線按要求的協(xié)議輸出液位以滿足自動測量的要求。6位液晶顯示器用于在本地顯示液位值，其電源是由單片機的口線來提供的，目的也是便于在掉電時關(guān)閉液晶顯示器的電源。
一旦外部+12伏電源撤去，Wake信號消失，單片機立即將口線切換到合適的電平，并進入低功耗狀態(tài)LPM4，此時單片機CPU的功耗只有0.1μA，碼盤上的永磁鐵隨碼盤轉(zhuǎn)動，當(dāng)永磁鐵轉(zhuǎn)動到三只干簧管附近時，干簧管吸合，立即引起單片機引腳電平的變化，MSP430單片機能在6μS的時間內(nèi)從低功耗狀態(tài)響應(yīng)這一變化，記錄下這一變化過程后又立即進入到低功耗狀態(tài)以最大限度地節(jié)省電能，研究中發(fā)現(xiàn)干簧管從吸合狀態(tài)回到斷開狀態(tài)有一個遲滯過程，正好可以防止液位在某一點輕微波動時使干簧管頻繁動作致使單片機退出掉電狀態(tài)而消耗額外的電能。在電路板上三只干簧管間隔120度均勻地分布于在同一圓周上，以允許液位計以盡可能大的角速度旋轉(zhuǎn)，假定MSP430F133響應(yīng)并處理一個外圍中斷的時間(跟中斷程序復(fù)雜程序和時鐘速度有關(guān))為200μS，則CPU能夠響應(yīng)的最大角速度為120°/200μS。外圍電路除干簧管在吸合狀態(tài)要吸收3.0V/20M歐姆＝0.15μA電流外，其余電路均不消耗電流，這樣整機待機電流最小0.1μA，最大0.25μA，若電容充滿電可保證單片機在掉電后仍能正常工作半個月以上。
由于舍棄了機械減速裝置，液位計轉(zhuǎn)動時只要克服兩只固定軸承的阻力，機械靈活性和可靠性大大加強，當(dāng)傳動輪周長為256mm時，液位計的分辨力就是1mm，能滿足大部分測量要求。
利用以上的原理和方法研制的磁光編碼器，其巧妙設(shè)計在于它具有相對量軸角編碼器的優(yōu)點，如精度高、穩(wěn)定性好、量程大、價格低廉、使用方便等，利用TI公司的MSP430F133單片機低功耗特點，使磁光編碼器又能滿足絕對量編碼輸出的要求。
權(quán)利要求1.一種磁光編碼器包括水位輪(8)與轉(zhuǎn)軸(4)通過螺釘(7)裝在一起，殼體(1)由左右兩個半圓柱筒組成，兩個半圓柱筒分別通過軸承(10)與軸承(5)安裝在轉(zhuǎn)軸(4)上，置于殼體(1)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)光電碼盤(3)固定在轉(zhuǎn)軸(4)上，其特征在于它還包括置于殼體(1)內(nèi)與旋轉(zhuǎn)光電碼盤(3)正面相對的位置傳感器盤(2)與旋轉(zhuǎn)光電碼盤(3)同圓心固定在左半圓柱筒殼體上，此位置傳感器盤(2)正面在同圓心同圓弧的120°角分線上沿徑向分別裝有三個干簧管(G1、G2、G3)，在同一條120°角分線上還同圓弧對稱地分別沿徑向裝有兩組共八個光電耦合器(D0～D7)，位置傳感器盤(2)反面裝有由超低功耗單片機組成的控制電路板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁光編碼器其特征在于控制電路的組成是電源經(jīng)穩(wěn)壓器分別連于位置傳感器盤(2)上的兩路光電耦合器串聯(lián)電路(D0、D2、D4、D6)與(D1、D3、D5、D7)，兩路串聯(lián)電路的八個光電耦合器(D0～D7)的輸出分別連于超低功耗單片機；同時電源既連于繼電器(JD1)又經(jīng)電阻(R28)和穩(wěn)壓電路(U3)連于充放電電容(C46)，充放電電容(C46)還連于超低功耗單片機及位置傳感器盤(2)上的三個干簧管(G1、G2、G3)，超低功耗單片機還分別與三個干簧管、安裝于殼體(1)上的6位液晶顯示器以及485總線相連。
專利摘要一種磁光編碼器屬水文測量中的測量終端液位計，包括通過螺釘(7)裝在一起的水位輪(8)和轉(zhuǎn)軸(4)，通過軸承(10)、軸承(5)固定在轉(zhuǎn)軸(4)的殼體(1)，裝在轉(zhuǎn)軸(4)上置于殼體(1)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)光電碼盤(3)，其特點是還包括裝在殼體(1)內(nèi)與旋轉(zhuǎn)光電碼盤(3)正面相對的位置傳感器盤(2)，此位置傳感器盤(2)正面裝有三個干簧管(G1、G2、G3)和八個光電耦合器(D0－D7)，反面裝有由超低功耗單片機組成的控制電路。本磁光編碼器由于舍棄了現(xiàn)有技術(shù)中利用機械齒輪減速裝置產(chǎn)生進位和退位的辦法來形成編碼的方法。結(jié)構(gòu)簡單、精度高、穩(wěn)定性好、量程大、價格低廉、使用方便等特點。
文檔編號G01F23/22GK2676164SQ20042002480
公開日2005年2月2日 申請日期2004年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月20日
發(fā)明者向麥黃, 舒大興 申請人:向麥黃, 舒大興