CN102944287B - 电容式柔性电子水尺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容式柔性电子水尺，包括作为传感元件的柔性尺体和处理电路；所述柔性尺体包括多个成排设置的柔性电容极板和嵌入在多个柔性电容极板内的水尺支撑体，用于提高尺体的强度和防止电子水尺长度方向尺寸伸缩产生误差；所述柔性电容极板和处理电路通过电路连接，用于实现水位测量的功能；所述柔性电容极板为相邻两电容极板交错排列结构。本发明提供的电容式柔性电子水尺，结构简单，使用方便，分辨力高、累计误差小、水位量程大、电子水尺可以弯卷，利用柔性电容极板作为传感元件，电容极板既用于模拟测量又用于数字测量，电容极板的模拟测量得到高分辨力，电容极板的数字测量减小累计误差，采用柔性材料作为尺体。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容式柔性电子水尺。
背景技术
目前，现有技术的液位测量工具有电容式液位计、电子水尺或电极式液位计；存在以下缺陷：
1、电容式液位计由于测量原理的局限，高精度电容式液位计的量程都很小，不能满足大量程的需要。
2、电子水尺的测量依靠电极与水面的接触进行测量，分辨力越高或量程越大，电极的数量就越多，增大量程困难。电子水尺的尺体都由刚性材料制成，受运输条件的限制，电子水尺的单体长度都很短。
3，在许多应用场合，水位测量通道既弯曲且水位量程大，使得电容式液位计和电子水尺无法使用。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种电容式柔性电子水尺，结构简单，使用方便，分辨力高、累计误差小、水位量程大、电子水尺可以弯卷，利用柔性电容极板作为传感元件，电容极板既用于模拟测量又用于数字测量，电容极板的模拟测量得到高分辨力，电容极板的数字测量减小累计误差，采用柔性材料作为尺体。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种电容式柔性电子水尺，其特征在于：包括作为传感元件的柔性尺体和处理电路；所述柔性尺体包括多个成排设置的柔性电容极板和嵌入在多个柔性电容极板内的水尺支撑体，用于提高尺体的强度和防止电子水尺长度方向尺寸伸缩产生误差；所述柔性电容极板和处理电路通过电路连接，用于实现水位测量的功能。
所述柔性尺体为两排相邻柔性电容极板交错排列结构，用于防止相邻两柔性电容极板过渡时模拟数值的间断，使模拟数值和数字数值能够平滑交接。
所述柔性电容极板为能够弯卷的柔性非金属材料覆金属薄膜结构。
所述水尺支撑体为加强芯结构。
所述处理电路由低功耗微处理器组成。
所述柔性尺体兼具作为模拟参数测量极板和作为数字参数的测量电极的功能。
有益效果：本发明提供的电容式柔性电子水尺，具有如下优点：1、具有分辨力高、累计误差小、量程大、可卷弯便于运输和便于在弯曲环境使用的明显优点，它既具备了模拟测量高分辨力的优点，又具有数字测量累计误差小的优点，同时能够弯卷具有方便运输和能够在弯曲通道使用的优点，解决了大量程、高分辨力、低测量误差、弯曲通道液位测量的问题。2、柔性电容极板制成的大量程电容式柔性电子水尺，属于模拟测量与数字测量的有机结合，它充分利用电容极板的物理特性进行模拟测量，使得电容极板既是数字电极，又是模拟极板，不仅减少电容极板的数量，同时提高了测量分辨力。3、柔性电子水尺的电容极板、尺体均采用柔性材料制成，尺体内嵌入加强芯用于提高尺体的强度，防止尺体长度尺寸的伸缩。电子水尺可以弯卷，不仅方便运输，又可以在弯曲通道使用。4、运用范围广：尤其适用于水利、地质、海洋等领域的水位检测。高分辨力大量程柔性电子水尺几乎可以替代现有的任何水位计。5、由于其结构简单，制造成本低、可靠性高，使用价值和经济价值都非常明显。
附图说明
图1为本发明中柔性电容极板的结构示意图；
图2为本发明的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明为一种电容式柔性电子水尺，包括作为传感元件的柔性尺体10和处理电路；所述柔性尺体10包括多个成排设置的柔性电容极板20和嵌入在多个柔性电容极板内的水尺支撑体，用于提高尺体的强度和防止电子水尺长度方向尺寸伸缩产生误差；所述柔性电容极板20和处理电路通过电路连接，用于实现水位测量的功能。所述柔性尺体10为两排相邻柔性电容极板20交错排列结构，用于防止相邻两柔性电容极板20过渡时模拟数值的间断，使模拟数值和数字数值能够平滑交接。所述柔性电容极板20为能够弯卷的柔性非金属材料覆金属薄膜结构；所述水尺支撑体为加强芯结构；所述处理电路由低功耗微处理器组成；所述柔性尺体10兼具作为模拟参数测量极板和作为数字参数的测量电极的功能。
一、传感电容：其电容极板由柔性非金属材料覆金属膜制成，保证了电子水尺的柔性。由电容测量的高分辨力性质，保证了电子水尺的高分辨力
二、模拟测量：在模拟测量中，电容极板是一个面，电容极板进入水中时，入水深度不同，电容极板与水形成的电容就不同，通过测量电容极板与水形成的电容值换算入水深度。模拟测量保证了测量的高分辨力。
三、数字测量：在数字测量中，电容极板是一个点，水面电容极板进入水中时，由前面浸没与水中电容极板的个数确定水位的整数数值。由于电容极板的位置精度是由加工的机械精度确定的，不存在间接转换的转换误差，从而保证了低累计误差。
四、交错排列：相邻两电容极板交错排列，可以防止相邻两电容极板过渡时模拟数值的间断，使模拟数值和数字数值能够平滑交接。当其中某个电容极板损坏时，与损坏电容极板相邻的2个电容极板仍然可以完成损坏电容极板的工作。
五、参考电容：利用电容传感的原理测量液位，测量精度受液体和绝缘体介电常数、环境温度、电器参数等影响，通过相同环境的、确定长度的电容就可以消除这些误差。由于每个电容极板的面积是已知的，上一个淹没电容极板与当前的水面电容极板距离最近，这2个电容极板的各项参数最接近，利用上一个淹没电容极板作为参考电容，保证了当前水面电容极板电容值的测量精度。
六、柔性尺体：水尺支撑体由柔性非金属材料内嵌柔性加强芯制成，既可以保证电子水尺的柔性，又可防止电子水尺长度方向尺寸误差。柔性的尺体可以卷弯，便于运输，水位测量现场直接展开使用，无需二次拼接。同时柔性的尺体也可在测量通道弯曲场合使用。
本发明的工作原理如下：
1、电容极板交错排列及其冗余纠错：
相邻两电容极板交错排列，可以防止相邻两电容极板过渡时模拟数值的间断，使模拟数值和数字数值能够平滑交接。
如图1所示，水面处于3号电容极板位置时，当水面低于3号电容极板1/2时，2号电容极板和3号电容极板同时处于可测量的未饱和电容值位置，当水面高于3号电容极板1/2时，3号电容极板和4号电容极板同时处于可测量的未饱和电容值位置。这就是说在同一时刻总有2个电容极板同时处于可测量的未饱和电容值位置，当其中某个电容极板损坏时，与损坏电容极板相邻的2个电容极板仍然可以完成损坏电容极板的工作。即使电容极板没有损坏，同时有2个电容极板参与测量也可以将2个测量结果进行比对，判断测量结果的合理性。
2、参考电容：
利用电容传感的原理测量液位，测量精度受液体和绝缘体介电常数、环境温度、电器参数等影响，通过相同环境的、确定长度的电容值就可以消除这些误差。
如图2所示，当水面高于3号电容极板1/2时，3号电容极板和4号电容极板同时处于可测量的未饱和电容值位置，即电容C3和C4都可以测量水位的高度。此时1号电容极板和2电容极板处于完全浸没状态，即电容极板的的高度就是已知的，电容值C1=C2。1号电容极板和2电容极板也是距离3号电容极板和4电容极板最近的电容极板，C1和C2电容极板的各项环境参数与C3和C4最为接近。测量前首先将通过K1将C1的测量端与测量电路的B端相连，通过K2和KS将C2的测量端与测量电路的A端相连，此时测得的电容值为C1、C2的串联值。由于C1、C2电容极板的高度是已知的，C3、C4的环境参数可以通过C1、C2参数获得，此时C1、C2就是C3、C4的参考电容。
3、水位模拟数值的测量：
测量C3时通过K2将C2的测量端与测量电路的B端相连，通过K3和KS将C3的测量端与测量电路的A端相连，此时测得的电容值为C2、C3的串联值；测量C4时通过K2将C2的测量端与测量电路的B端相连，通过K4和KS将C4的测量端与测量电路的A端相连，此时测得的电容值为C2、C4的串联值。
4、水位数字数值的测量：
通过C2、C3、C4电容值的判断可以知道C2的电容极板处于完全浸没状态，因此可以知道水位处于电容极板2的数字高度值。由于电子水尺的电极尺寸是机械加工确定，不存在转换误差，累计误差小。
5、水位的合理性判断与电极的冗余互补：
通过C3、C4都可以得到当前水位的实际高度，理论上由C3、C4得到的水位高度应该是一致的，通过判断C3、C4的一致性就可以判断水位高度的合理性。如果C3失效，通过C4可以得到水位值，反之如果C4失效，通过C3也可以得到水位值。C3、C4实现了冗余互补。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.电容式柔性电子水尺，其特征在于：包括作为传感元件的柔性尺体和处理电路；所述柔性尺体包括多个成排设置的柔性电容极板和嵌入在多个柔性电容极板内的水尺支撑体，用于提高尺体的强度和防止电子水尺长度方向尺寸伸缩产生误差；所述柔性电容极板和处理电路通过电路连接，用于实现水位测量的功能；所述柔性尺体为两排相邻柔性电容极板交错排列结构，用于防止相邻两柔性电容极板过渡时模拟数值的间断，使模拟数值和数字数值能够平滑交接；所述柔性尺体兼具作为模拟参数测量极板和作为数字参数的测量电极的功能；所述柔性电容极板为能够弯卷的柔性非金属材料覆金属薄膜结构。
2.根据权利要求1所述的电容式柔性电子水尺，其特征在于：所述水尺支撑体为加强芯结构。
3.根据权利要求1所述的电容式柔性电子水尺，其特征在于：所述处理电路由低功耗微处理器组成。
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