一種實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)，包括主機和從機，從機包括敏感元件、電容數(shù)模轉換模塊和從機無線通信模塊，敏感元件通過平行板電容器結構測量被測水的電容值，并依次通過電容數(shù)模轉換模塊和從機無線通信模塊發(fā)送給主機；主機根據(jù)電容數(shù)字信號得到被測水的水深。本發(fā)明具有如下優(yōu)點：測量精度高，測量速度快，并且可以用于波動、不穩(wěn)定水流的水深探測；僅有一根金屬絲與水接觸，對水流影響小。
【專利說明】
一種實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及公共安全與水利學領域，具體涉及一種實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]許多科學實驗(尤其是水力學等領域)中需要對水深進行連續(xù)、精確的測量。目前已有的各種水深傳感器有時無法滿足實驗需求。傳統(tǒng)的水位探針需要靠機械運動實現(xiàn)測量，測量速度慢，而且在水面波動較大時(如降雨實驗)會產生較大測量誤差。超聲波液面探測器精度有限，一般僅能達到厘米量級，少數(shù)能達到毫米量級，無法滿足精密實驗的要求。激光測距探測器本身精度很高，但由于水的透明度很高，用于水深測量時效果不好。壓力式傳感器受環(huán)境溫度以及氣壓的影響比較大，因此精度有限，而且在某些不滿足靜壓分布的場合下使用會導致測量錯誤(例如降雨實驗中雨滴會造成額外的沖擊壓力，導致壓力傳感器測量值反推的水深偏大)。電容式水深傳感器需要接觸測量，在涉及水流動的實驗中可能影響流場，還會因為接觸角滯回現(xiàn)象而產生額外誤差。此外，已有的水深傳感器還存在其它缺點。目前大部分水深傳感器都輸出模擬信號，需要進行模數(shù)轉換才能連接計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集和處理，模數(shù)轉換過程中不可避免地會產生二次誤差。而且，模擬信號在較長距離傳輸過程中容易受到干擾，導致數(shù)據(jù)出錯。為解決這些問題，需要水深傳感器實現(xiàn)數(shù)字化。在有些大型水力實驗中，需要在水槽不同位置布置大量傳感器并同時進行數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)有水深傳感器多采用有線傳輸方式，需要鋪設大量線纜，費時費力，同時可能會給實驗人員造成安全隱患(被線纜姅?shù)?。另外，有些需要在密閉環(huán)境中進行的實驗(如需要在高壓/低壓等特殊條件下進行的實驗)不允許引出線纜或者引出線纜會提高工程難度。為解決這些問題，需要水深傳感器實現(xiàn)無線化。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明旨在至少解決上述技術問題之一。
[0004]為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例公開了一種實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)，包括:從機，所述從機包括敏感元件、電容數(shù)模轉換模塊和從機無線通信模塊，所述敏感元件包括絕緣容器、固定在所述絕緣容器外壁上的金屬板和插入所述絕緣容器內部的金屬絲，所述金屬絲的一端距離所述絕緣容器內底壁小于預設距離，所述金屬絲和所述電極板均與所述電容數(shù)模轉換模塊連接;所述電容數(shù)模轉換模塊，用于在向所述絕緣容器中導入被測水時，將所述金屬絲和所述電極板之間的電容值轉換為電容數(shù)字信號，并將所述電容數(shù)字信號發(fā)送給所述從機無線通信模塊;所述從機無線通信模塊用于發(fā)送所述電容數(shù)字信號;主機，所述主機包括主機通信模塊和計算機，所述主機通信模塊用于接收所述從機通信模塊發(fā)送的所述電容數(shù)字信號，所述計算機和所述主機通信模塊連接，用于根據(jù)所述電容數(shù)字信號得到所述被測水的水深。
[0006]根據(jù)本發(fā)明實施例的實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)，測量精度高，測量速度快，并且可以用于波動、不穩(wěn)定水流的水深探測;僅有一根金屬絲與水接觸，對水流影響小。
[0007]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)，還可以具有如下附加的技術特征:
[0008]進一步地，在與所述金屬板對應位置的所述絕緣容器的內側壁上涂覆有憎水涂層。
[0009]進一步地，所述憎水涂層為S12納米涂層。
[00?0]進一步地，所述金屬板為紫銅板。
[0011]進一步地，所述預設距離為5mm。
[0012]進一步地，所述電容數(shù)模轉換模塊包括參考電容和電容數(shù)字轉換芯片，所述金屬絲和所述金屬板均與所述電容數(shù)字轉換芯片連接，所述參考電容為獨石電容，所述電容數(shù)字轉換芯片為德國acam公司的PCAPOI電容數(shù)字轉換芯片。
[0013]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0014]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0015]圖1是本發(fā)明一個實施例的實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)的結構示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明一個實施例的敏感元件的結構示意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明一個實施例的從機的電路結構示意圖；
[0018]圖4是本發(fā)明一個實施例的主機的電路結構示意圖；
[0019]圖5是本發(fā)明一個實施例的測試結果圖。
【具體實施方式】
[0020]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0021]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0022]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。
[0023]參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開了本發(fā)明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發(fā)明的實施例的原理的一些方式，但是應當理解，本發(fā)明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的實施例包括落入所附加權利要求書的精神和內涵范圍內的所有變化、修改和等同物。
[0024]以下結合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)。
[0025]請參考圖1，一種實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)，包括從機和主機。請參考圖2，從機包括敏感元件103、電容數(shù)模轉換模塊104和從機無線通信模塊105。主機包括主機無線通信模塊101和計算機102。
[0026]請參考圖2，敏感元件103包括絕緣容器107、固定在絕緣容器107外壁上的金屬板108和插入絕緣容器107內部的金屬絲109。金屬絲109的一端距離絕緣容器107內底壁小于預設距離。
[0027]具體地，金屬板108粘貼在絕緣容器107側壁外側，形成一個極板;金屬絲109插入絕緣容器107內靠近底壁，和導入絕緣容器107內的被測水形成另一個極板；由此，金屬板108、金屬絲109和被測水形成了一個平行板電容器，絕緣容器107構成電容介質。在水深不是很小(小于5mm)的情況下，該電容的電容值與水深呈顯著的一次函數(shù)關系，因此可以用電容值反映水深。
[0028]電容數(shù)模轉換模塊104與金屬絲109和金屬板108連接，將金屬絲109和電極板108之間的電容值轉換為電容數(shù)字信號，并將電容數(shù)字信號發(fā)送給從機無線通信模塊105。
[0029]從機無線通信模塊105將電容數(shù)字信號發(fā)送給主機無線通信模塊105，主機無線通信模塊105將電容數(shù)字信號傳給計算機102，計算機根據(jù)電容數(shù)字信號最終得出被測水的水深。
[0030]在本發(fā)明的一個實施例中，在與金屬板108對應位置的絕緣容器107的內側壁上涂覆有憎水涂層111，以減小接觸角滯回現(xiàn)象而產生的額外誤差。優(yōu)選地，憎水涂層111為S12納米涂層，能極大地減小接觸角滯回現(xiàn)象而產生的額外誤差。
[0031]在本發(fā)明的一個實施例中，金屬板108為紫銅板，紫銅板導電性能好，提升測量精度。
[0032]在本發(fā)明的一個實施例中，預設距離(金屬絲109的下端距離絕緣容器107內底壁的距離)為5mm，需要注意的是，金屬絲109的下端也可以接觸絕緣容器107內底壁。
[0033]請參考圖3，在本發(fā)明的一個實施例中，電容數(shù)字轉換模塊104包括參考電容113和電容數(shù)字轉換芯片112。從機無線通信模塊105包括無線通信單片機114、天線115和輔助元件116。從機還包括電源模塊106，電源模塊106包括電池盒117、開關118、穩(wěn)壓模塊119和穩(wěn)壓模塊120。其中，電容數(shù)字轉換芯片112分別于敏感元件103、參考電容113、無線通信單片機114和穩(wěn)壓模塊119連接。在本發(fā)明的一個示例中，電容數(shù)字轉換芯片112采用德國acam公司的PCAPOl電容數(shù)字轉換芯片，該芯片可以測量電容器的電容值并直接得到數(shù)字量。參考電容113采用獨石電容以盡可能降低噪聲。輔助元件116分別于無線通信單片機114、天線115和穩(wěn)壓模塊120連接。無線通信單片機114采用美國Texas Instruments公司的CC2530無線片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，該芯片可以實現(xiàn)Zigbee無線網絡通信功能。通過軟件編程，無線通信單片機114可以操縱電容數(shù)字轉換芯片112進行電容測量，讀取測量數(shù)據(jù)并通過天線115發(fā)送給主機。輔助元件116包括晶振等，保證單片機114和天線115的正常工作，還有LED燈用于指示單片機的工作狀態(tài)。電源模塊106包括電池盒117、開關118以及穩(wěn)壓模塊119和120，為電容數(shù)字轉換模塊104、從機無線通信模塊105提供穩(wěn)定的電源。
[0034]請參考圖4，在本發(fā)明的一個實施例中，主機無線通信模塊101包括無線通信單片機117、天線118、輔助元件119、串口轉USB芯片120和USB接口 121。其中，天線118用于接收從機無線通信模塊105中的天線115發(fā)送的電容數(shù)字信號，并將此電容數(shù)字信號依次通過串口轉USB芯片120和USB接口 121發(fā)送計算機102。計算機102根據(jù)收到的電容數(shù)字信號進行計算，最終得到被測水的水深。
[0035]在本發(fā)明的一個示例中，向絕緣容器107中注入不同量的水，用本發(fā)明裝置測量水深，同時用精密電子天平稱重的方法精確求出容器中實際水深，將二者進行對比，測量結果如圖5所示，所有測試中，平均誤差僅0.27_，最大誤差也只有0.71_。
[0036]本發(fā)明實施例的實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點:
[0037]1、保留電容水深探測器的優(yōu)點，測量精度高，測量速度快，并且可以用于波動、不穩(wěn)定水流的水深探測；
[0038]2、僅有一根金屬絲與水接觸，對水流影響?。?br>[0039]3、使用憎水涂料，減小了接觸角滯回現(xiàn)象而產生的額外誤差；
[0040]4、傳感器高度數(shù)字化，避免干擾以及模數(shù)轉換造成的不必要誤差；
[0041]5、傳感器無線化，省去鋪設線纜的麻煩，并且可以通過一臺主機多臺從機的方式同時測量多個位置的水深數(shù)據(jù)；
[0042]6、通過計算機上的配套軟件可以方便地獲取并存儲傳感器實時數(shù)據(jù)，甚至可以進行一些簡單的數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明精度高、對水流阻礙作用小、測量速度快、高度數(shù)字化、可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，它可以用于水力學等相關實驗中的水深數(shù)據(jù)采集。
[0043]另外，本發(fā)明實施例的實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)的其它構成以及作用對于本領域的技術人員而言都是已知的，為了減少冗余，不做贅述。
[0044]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0045]盡管已經示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同限定。
【主權項】
1.一種實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)，其特征在于，包括: 從機，所述從機包括敏感元件、電容數(shù)模轉換模塊和從機無線通信模塊，所述敏感元件包括絕緣容器、固定在所述絕緣容器外壁上的金屬板和插入所述絕緣容器內部的金屬絲，所述金屬絲的一端距離所述絕緣容器內底壁小于預設距離，所述金屬絲和所述電極板均與所述電容數(shù)模轉換模塊連接;所述電容數(shù)模轉換模塊，用于在向所述絕緣容器中導入被測水時，將所述金屬絲和所述電極板之間的電容值轉換為電容數(shù)字信號，并將所述電容數(shù)字信號發(fā)送給所述從機無線通信模塊;所述從機無線通信模塊用于發(fā)送所述電容數(shù)字信號； 主機，所述主機包括主機無線通信模塊和計算機，所述主機無線通信模塊用于接收所述從機無線通信模塊發(fā)送的所述電容數(shù)字信號，所述計算機和所述主機通信模塊連接，用于根據(jù)所述電容數(shù)字信號得到所述被測水的水深。2.根據(jù)權利要求1所述的實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)，其特征在于，在與所述金屬板對應位置的所述絕緣容器的內側壁上涂覆有憎水涂層。3.根據(jù)權利要求2所述的實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述憎水涂層為S12納米涂層。4.根據(jù)權利要求1所述的實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬板為紫銅板。5.根據(jù)權利要求1所述的實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述預設距離為5mm。6.根據(jù)權利要求1或4所述的實驗用高精度無線數(shù)字水深傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述電容數(shù)模轉換模塊包括參考電容和電容數(shù)字轉換芯片，所述金屬絲和所述金屬板均與所述電容數(shù)字轉換芯片連接，所述參考電容為獨石電容，所述電容數(shù)字轉換芯片為德國acam公司的PCAPOl電容數(shù)字轉換芯片。
【文檔編號】G01F23/26GK106092263SQ201610665229
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月12日 公開號201610665229.6, CN 106092263 A, CN 106092263A, CN 201610665229, CN-A-106092263, CN106092263 A, CN106092263A, CN201610665229, CN201610665229.6
【發(fā)明人】蘇伯尼, 黃弘, 張楠
【申請人】清華大學