CN104677466B - 水下机器人补偿器位移检测传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人补偿器位移检测传感器，包括活塞、活动支架和固定支架、水密插座、不锈钢筒及其内部设置的电路板；活塞的一端固定于补偿器内活动端盖上，另一端固定有活动支架；不锈钢筒一端与补偿器壳体上设置的固定支架固定连接，另一端套置于活动支架内；电路板通过不锈钢筒末端的水密插座与上位机连接。其方法为标定可调电位器阻值；当补偿器的活动端盖移动时，带动活塞以及活动支架上的磁环移动，不锈钢筒内处于磁环磁场范围内的某个霍尔元件的信号端与电源地端导通，检测电路输出检测电压至上位机，上位机根据该电压得到相应的补偿器位移。本发明结构简单，扩展性强，可靠性高，适合于各种水下设备的油补偿器位移或油量检测。

Description

水下机器人补偿器位移检测传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种水下机器人补偿器位移检测技术，具体地说是利用霍尔元件、可调电位器及永磁铁磁环等实现水下机器人液压系统油补偿器位移检测的装置和方法。

背景技术

水下机器人的水下部分包括中继器和潜水器，当其在深海工作时所受海水压强较大，各个阀箱、电机箱设计时采用内部充油方式可使其内外压保持平衡，从而在水密外壳设计中可以按薄壁设计，选择耐压性较低抗腐蚀材料，可以减轻水下潜器的重量。补偿器可以实时保证阀箱内油量充足以保证内外压平衡，并通过补偿器内部弹簧的作用使设备内压略高于外部水压，这样可以防止阀箱渗水以及为液压回路中可能存在的渗漏提供补充。所以为了系统能够正常工作，对补偿器内液压油的余量进行实时监测显得尤为重要。陆地上常规的检测方法由于不能防水和耐压在水下无法使用，因此必须设计一套结构简单的，非接触式的水下位置检测传感器来检测补偿器的油位。一些传统的水下机器人补偿器未采用线性检测装置，只是在油即耗尽时，产生一个触点信号，不能够在水下实时发现油位的减少，如果液压系统漏油较为严重时，无法及时得到准确信息，当液压油耗尽时，就会把海水吸进液压管路，这对于深海工作机器人来说是相当危险的事故，海水会对高精度的伺服阀组，电机泵组等器件造成腐蚀，如果发现不及时甚至会导致这些器件报废，造成较大的损失。

发明内容

为了克服上述的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种应用于水下机器人，结构简单、检测可靠的补偿器位移检测装置，通过该装置可准确判断出补偿器中的液压油液位。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：水下机器人补偿器位移检测传感器，包括：活塞、活动支架和固定支架、水密插座、不锈钢筒及其内部设置的电路板；活塞的一端固定于补偿器内活动端盖上，另一端固定有活动支架；不锈钢筒一端与补偿器壳体上设置的固定支架固定连接，另一端套置于活动支架内；电路板通过不锈钢筒末端的水密插座与上位机连接。

所述不锈钢筒为一端开口并带有法兰固定座的中空结构，其开口端与水密插座固定连接；开口端外表面车有螺纹，与固定支架螺纹连接。

所述活塞与不锈钢筒沿轴向平行。

所述活动支架为带有两个圆孔的不锈钢板，第一圆孔用于与活塞螺栓连接，第二圆孔用于套置不锈钢筒且直径大于不锈钢筒直径。

所述活动支架第二圆孔周围固定有磁环，磁环直径与第二圆孔直径相等。

所述电路板设有检测电路，包括多个并联的霍尔元件；相邻的霍尔元件的信号端之间连有可调电位器，每个可调电位器的调节端与其对应的霍尔元件信号输出端连接；每个霍尔元件的电源正极、地端与外部电源正、负极连接；可调电位器串联后一端接地，另一端作为检测电路的输出端通过上拉电阻Rp与外部电源正极连接，还通过水密插座与上位机连接，。

所述并联的霍尔元件沿不锈钢筒的轴向依次排列。

水下机器人补偿器位移检测方法，包括以下步骤：

根据检测电压范围及其分辨率标定可调电位器阻值；

当补偿器的活动端盖移动时，带动活塞以及活动支架上的磁环移动，不锈钢筒内处于磁环磁场范围内的某个霍尔元件的信号端与电源地端导通，检测电路输出检测电压至上位机，上位机根据该电压得到相应的补偿器位移。

所述根据检测电压范围及其分辨率标定可调电位器阻值根据以下公式得到；

其中，Rn为可调电位器阻值，Rp为上拉电阻阻值，n为可调电位器个数，U为传感器工作电压，f为检测信号分辨率。

本发明具有以下有益效果及优点：

1、成本低，结构简单。本发明的核心检测电路所选用的器件成本低廉，而且电路结构规整，实现方式巧妙而简单，使得后期维护方便易行。

2、可靠性高。本发明的电路结构较简单，几乎不存在可出故障点，所以可以保证系统持续可靠稳定工作。

3、扩展性强。本发明可根据补偿器规格进行延长或者缩短扩展，电路参数调节方便，而且除水下机器人以外，还可以用于其它设备的位移检测。

附图说明

图1为水下机器人系统组成的示意图；

图2为位移检测传感器外形示意图；

图3为位移检测传感器与补偿器安装示意图；

图4为传感器检测电路组成与工作原理图；

其中，1水密插座，2不锈钢筒，3活塞，4活动支架，5固定支架，6磁环，7补偿器壳体，8充油腔，9活动端盖。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明涉及一种水下机器人补偿器位移检测传感器装置，该装置安装于水下机器人中继器及潜水器中，用于检测液压系统补偿器的油量。其检测核心电路由霍尔元件、可调电位器、磁环等器件组成，检测电路板安装于耐水压圆柱形水密不锈钢筒中，检测电路的供电及检测信号通过钢筒端部水密插座引出，水密插座与保护钢筒进行密封固定组成位移检测传感器。传感器通过支架安装在液压油补偿器上，补偿器的移动活塞端通过支架安装永磁铁磁环，使磁环套在传感器钢筒外部并避免与其接触，当补偿器油量变化使磁环沿钢筒轴向发生位移时，磁力信号触发相应位置的霍尔元件产生信号变化，从而反映出补偿器油量的变化。该检测方法包括：磁环随补偿器内液压油量变化而移动，从而触发不同霍尔元件工作，传感器相应输出不同的电信号，经过计算机进行分析处理，得到补偿器内液压油量。本发明结构简单，扩展性强，可靠性高，适合于各种水下设备的油补偿器位移或油量检测。

霍尔元件为一种磁敏开关，当外部磁场施加于该器件上时，霍尔元件的输出端对电源地端导通，否则处于高阻态状态，将该元件在电路板上按照设计好的检测间距呈一列的形式均匀分布。

电位器为最大阻值为1KΩ的可调电位器，根据检测规则进行应用前标定。磁环为环形空心永磁铁，为霍尔元件提供磁力信号。所述供电与检测信号通过水密插座与外部水密电缆进行传输与采集。

本发明采用的检测方法包括以下步骤：

系统上电后，该传感器即自动开始工作并输出检测信号。

补偿器充满液压油时，磁环位于传感器顶端，此时传感器输出为满量程电压10V。

补偿器内液压油量的变化会使活塞带动磁环移动，同时触发相应位置的霍尔元件动作。

不同的霍尔元件动作对应唯一的检测信号输出，检测信号的分辨率为0.5V。

补偿器中没有液压油时，磁环处于传感器根部，此时传感器输出为0V。

如图1所示为水下机器人系统的组成，水面单元通过铠缆与中继器相连，中继器通过系缆与潜水器相连，中继器与潜水器工作于水下，所以都需要安装补偿器对液压系统进行补偿。补偿器位移传感器的电源由水面部分通过铠缆与系缆分别为中继器补偿器位移传感器和潜水器补偿器位移传感器提供，同时传感器的检测信号通过铠缆与系缆传输到水面主控计算机进行分析处理，进而在监控单元进行显示。

如图2所示为补偿器位移传感器的外观示意图，其中1处为水密插座，作为传感器供电与检测信号输出的接口，2处为圆柱形水密不锈钢筒，检测电路板安装于钢筒中。

如图3所示为补偿器位移传感器的安装示意图，5处为传感器安装固定支架，6处为通过刚性连接于补偿器移动活塞上的永磁铁磁环，传感器通过非接触式通过磁环的中心。8处为充油腔，9处为活动端盖，当充油腔内充油或油量减少时导致活动端盖移动，活塞杆连接于活动端盖上，从而导致活塞杆随着油量的变化而移动，当阀箱内压强减小时，补偿器会因海水压强作用而向阀箱内注入液压油，从而导致补偿器活塞杆带动磁环移动。

如图4所示为补偿器位移传感器检测电路原理图，本发明使用21个霍尔元件，分别为HL0～HL20，霍尔元件以设计好的检测间距进行排列，且磁环移动过程中只有唯一的霍尔元件位于磁环磁场范围内。

霍尔元件具有三个管脚，其中管脚1、2为供电端，本发明传感器供电电压为直流12V，3管脚为信号输出端，当霍尔元件没有磁场信号时，信号端与电源地端之间呈高阻态，当霍尔元件处于磁环磁场中时，信号端与电源地端导通。根据图4可知，电源与电源地之间串接21个可调电位器，每个霍尔元件的信号输出端与可调电电位器的调节端相连，其中补偿器位移传感器的检测信号通过Vout端输出。

本发明传感器的位移检测范围为0～10CM，对应传感器的Vout检测信号输出为0～10V，分辨率为0.5V，电阻Rp为750Ω，同一时刻只有一个霍尔元件触发工作，为了实现补偿器位移传感器的检测功能，需要对可调电位器进行标定，其标定步骤如下：

当HL0触发时，Vout端与GND导通，要求Vout输出电压为0V。

当磁环移动0.5CM后，HL1触发，Vout输出端按设计要求为0.5V，所以根据图4所示电路可以推算出R1的阻值应调节为：

当磁环再次移动0.5CM后，HL2触发，Vout输出端按设计要求应输出1V，所以可以推算出R1+R2的阻值应调节为：

所以可以得到R2的阻值为：

根据以上公式可以得出每个可调电位器的标定阻值为：

因此，通用公式为：

其中，Rn为可调电位器阻值，Rp为上拉电阻阻值，n为可调电位器个数，U为传感器工作电压，f为检测信号分辨率。

通过计算得出各个可调电位器的标定阻值如表1所示。

表1

	阻值（Ω）		阻值（Ω）
				R1	32.608	R11	98.901
R2	35.573	R12	115.385
				R3	38.961	R13	136.363
R4	42.858	R14	163.637
				R5	47.368	R15	200
R6	52.632	R16	250
				R7	58.823	R17	321.428
R8	66.177	R18	428.572
				R9	75	R19	600
R10	85.714	R20	900

可调电位器的阻值为根据设计要求进行计算所得到可调电位器的阻值，传感器正常工作时，不同的霍尔元件触发便可得到按设计要求输出的电压检测值。中继器与潜水器中安装有多个补偿器及补偿器位移传感器，根据应用要求，对每个传感器标定好可调电位器后便可以对检测电路进行密封封装，固定安装之后通过水密电缆与电子舱相连，工作过程中水面主控计算机实时读取传感器的输出检测信号，主控计算机通过分析处理后在显示终端进行显示，为整个系统安全工作提供可靠保证。

Claims (2)

1.水下机器人补偿器位移检测传感器，其特征在于包括：活塞(3)、活动支架(4)和固定支架(5)、水密插座(1)、不锈钢筒(2)及其内部设置的电路板；活塞(3)的一端固定于补偿器内活动端盖上，另一端固定有活动支架(4)；不锈钢筒(2)一端与补偿器壳体(7)上设置的固定支架(5)固定连接，另一端套置于活动支架(4)内；电路板通过不锈钢筒(2)末端的水密插座(1)与上位机连接；

所述不锈钢筒(2)为一端开口并带有法兰固定座的中空结构，其开口端与水密插座(1)固定连接；开口端外表面车有螺纹，与固定支架(5)螺纹连接；

所述活塞(3)与不锈钢筒(2)沿轴向平行；

所述活动支架(4)为带有两个圆孔的不锈钢板，第一圆孔用于与活塞(3)螺栓连接，第二圆孔用于套置不锈钢筒(2)且直径大于不锈钢筒(2)直径；

所述活动支架(4)第二圆孔周围固定有磁环(6)，磁环(6)直径与第二圆孔直径相等；

所述电路板设有检测电路，包括多个并联的霍尔元件；相邻的霍尔元件的信号端之间连有可调电位器，每个可调电位器的调节端与其对应的霍尔元件信号输出端连接；每个霍尔元件的电源正极、地端与外部电源正、负极连接；可调电位器串联后一端接地，另一端作为检测电路的输出端通过上拉电阻Rp与外部电源正极连接，还通过水密插座(1)与上位机连接；

所述并联的霍尔元件沿不锈钢筒(2)的轴向依次排列。

2.水下机器人补偿器位移检测方法，其特征在于包括以下步骤：

根据检测电压范围及其分辨率标定可调电位器阻值；

当补偿器的活动端盖移动时，带动活塞(3)以及活动支架(4)上的磁环(5)移动，不锈钢筒(2)内处于磁环(5)磁场范围内的某个霍尔元件的信号端与电源地端导通，检测电路输出检测电压至上位机，上位机根据该电压得到相应的补偿器位移；

所述根据检测电压范围及其分辨率标定可调电位器阻值根据以下公式得到；

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>f</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>n</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>p</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>U</mi> <mo>-</mo> <mi>f</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>n</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow>

其中，Rn为可调电位器阻值，Rp为上拉电阻阻值，n为可调电位器个数，U为传感器工作电压，f为检测信号分辨率。