CN104897239A - 一种非接触式液位传感器及应用该传感器的智能水杯 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触式液位传感器，包括至少一个电容传感器，所述电容传感器包括第一极板、第二极板以及置于所述第一极板和第二极板之间的电介质，所述第一极板覆于所述第二极板外侧，所述第二极板贴附于容器侧壁，所述第一极板沿横向于测量方向的长度大于所述第二极板沿该方向的长度。本发明还公开了一种智能水杯，其包括一杯壳、设于杯身内部的内胆以及如上所述的液位传感器，所述液位传感器贴附于所述内胆侧壁上。本发明液位传感器采用了新型电容极板设计，传感器贴附于杯壁即可实现液位测量，结构简单、安装便捷，不会影响水杯原本结构。本发明智能水杯整体结构紧凑，能够实现水杯水位的准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种非接触式的液位传感器。
本发明还涉及一种智能水杯。
背景技术
常见的液位传感器如图1所示，在容器内，由内电极100和导电材料制造的容器壁200构成了一个电容。当给内电极100加一个固定频率的测量电压时，内部电场线分布如图2所示，此时流过电容的电流取决于电容电极间液体介质的高度，并与之成比例，也就是基于电介质的介电常数的改变带来电容量的改变，进而进行液位测量。
这种液位传感器一般用于大型容器液位的测量，但因其体积太大，很难与水杯结构融合，也就无法用于水杯液位的测量，而且因为此种传感器属于接触式传感器，如果应用于水杯内部，水杯内胆就会十分不便于清洗。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种结构简单、装配便捷、能够应用于水杯测液位的非接触式传感器以及应用该传感器的智能水杯。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供了一种非接触式液位传感器，包括至少一个设置于容器侧壁、电介质常数随液位变化而变化的电容传感器，所述电容传感器包括第一极板、第二极板以及置于所述第一极板和第二极板之间的电介质，所述第一极板覆于所述第二极板外侧，所述第二极板贴附于容器侧壁，所述第一极板沿横向于测量方向的长度大于所述第二极板沿该方向的长度。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电容传感器包括一个第一极板以及多个第二极板，所述第一极板自容器底部沿液位测量方向延伸至容器顶部，所述第二极板沿液位测量方向均匀设置。
作为上述技术方案的进一步改进，所述液位传感器包括对称设置于容器侧壁的四个所述电容传感器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电容传感器包括一个环绕整个容器侧壁设置的第一极板以及多个均匀设于所述容器侧壁的第二极板。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第二极板沿横向于测量方向的长度与所述第一极板沿该方向的长度的比值范围为1/4～3/4。
作为上述技术方案的进一步改进，所述液位传感器还包括与所述电容传感器电连接的印刷电路板。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电介质的相对介电常数范围为1～10。
本发明还提供了一种智能水杯，其包括一杯壳、设于杯身内部的内胆以及如上任意一项所述的非接触式液位传感器，所述液位传感器贴附于所述内胆侧壁上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述杯壳设有用于显示具体液位高度的显示单元。
本发明的有益效果是：
本发明液位传感器采用了新型电容极板设计，传感器贴附于杯壁即可实现液位测量，结构简单、安装便捷，不会影响水杯原本结构。本发明智能水杯整体结构紧凑，能够实现水杯水位的准确测量。
附图说明
图1是现有技术同轴圆筒形液位传感器的立体结构示意图；
图2是现有技术的液位传感器的内部电场线分布示意图；
图3是本发明非接触式液位传感器第一种实施方式的结构示意图；
图4（a）是本发明非接触式液位传感器的电容传感器（平板状）的内部电场线分布示意图；
图4（b）是本发明非接触式液位传感器的电容传感器（平板状）的部分内部电场线分布示意图；
图4（c）是本发明非接触式液位传感器的电容传感器（平板状）的另一部分内部电场线的分布示意图；
图5是本发明非接触式液位传感器的电容传感器的截面图；
图6是本发明非接触式液位传感器贴附于水杯杯壁上的截面示意图；
图7是本发明非接触式液位传感器的电容传感器（圆弧状）的内部电场线分布示意图；
图8是本发明非接触式液位传感器第二种实施方式的结构示意图；
图9是本发明非接触式液位传感器第三种实施方式的结构示意图；
图10是本发明非接触式液位传感器第四种实施方式的结构示意图；
图11是本发明智能水杯的整体结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
图3示出了本发明非接触式液位传感器第一种实施方式的具体结构。如图3所示，本发明非接触式液位传感器包括至少一个设置于容器侧壁、电介质常数随液位变化而变化的电容传感器10，所述电容传感器包括第一极板11、第二极板12以及电介质13，所述第一极板11覆于所述第二极板12外侧，所述第二极板12贴附于容器侧壁，所述第一极板11沿横向于测量方向的长度大于所述第二极板12沿该方向的长度，优选地，所述第二极板12沿横向于测量方向的长度与所述第一极板11沿该方向的长度的比值范围为1/4～3/4。所述电介质13置于所述第一极板11和第二极板12之间，其相对介电常数范围优选为1～10。另外，本发明非接触式液位传感器还包括从所述电容传感器10引出的引线和设置有测量电路的印刷电路板。较佳地，所述液位传感器包括对称设置于容器侧壁的四个所述电容传感器10。
为更好地阐述本发明非接触式液位传感器的工作原理，现结合图4（a）至图7所示的内部电场线分布图对该工作原理进行说明。
如图4（a）所示，电容传感器10的第一极板11的长度大于第二极板12的长度，二者之间形成的电场线包括两部分，分别如图4（b）和图4（c）所示，假设总的电容是C，图4（b）所示的电容为C1，图4（c）所示的电容为C2，那么三者之间的关系可以表示为C= C1+ C2。
如图5和图6所示，电容传感器10还包括设于所述第一极板11和第二极板12之间的电介质13，电介质13的介电常数不变，也就是说C1为定值，其不随着液位的变化而变化。而通过理论分析和实验测试发现，C2的变化和电介质13介电常数近似线性关系。因此，在第二极板12上方如果电介质介电常数发生变化（在本技术方案中是由空气变为水），则会引起总的电容C变化，具体的关系式约为C= C1+kh（其中，k为常数，h即为液位高度）。
图7示出的是圆弧状的第一极板11和第一极板12的电场线的分布示意图。此种形状的电容传感器所展示的就是贴附于圆柱状的杯身上的示意图，比如贴附于如图3所示的杯体的外围。
图8示出了本发明非接触式液位传感器的第二种实施方式的具体结构。这种实施方式中，所述电容传感器20包括一个第一极板21以及多个第二极板22，所述第一极板21自容器底部沿液位测量方向延伸至容器顶部，所述第二极板22沿液位测量方向均匀设置，第二极板22的数量可以根据实际情况具体设定，如图中杯子高度为280mm，可以设定14个第二极板22，在此基础上第一极板21与第二极板22则形成14个电容，此种分段式结构能够使每段测量的区间变小，使得液位测量结构更加准确。
图9示出了本发明非接触式液位传感器的第三种实施方式的具体结构。在此实施方式中，所述电容传感器30包括一个环绕整个容器侧壁设置的第一极板31以及多个均匀设于所述容器侧壁的竖条状的第二极板32。
图10示出了本发明非接触式液位传感器的第四种实施方式的具体结构。这种实施方式与图9所示的第三种实施方式的区别在于第二极板42沿液位测量方向均匀设置了多个，也可以理解成第四种实施方式是第二种实施方式和第三种实施方式的结合。
图11示出了本发明智能水杯的具体结构。如图11所示，本发明智能水杯包括一杯壳50、设于杯身内部的内胆60以及如权利要求1至7任一项所述的非接触式液位传感器，所述液位传感器贴附于所述内胆60侧壁上，所述杯壳50设有用于显示具体液位高度的显示单元70。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种非接触式液位传感器，包括至少一个设置于容器侧壁、电介质常数随液位变化而变化的电容传感器，其特征在于：所述电容传感器包括第一极板、第二极板以及置于所述第一极板和第二极板之间的电介质，所述第一极板覆于所述第二极板外侧，所述第二极板贴附于容器侧壁，所述第一极板沿横向于测量方向的长度大于所述第二极板沿该方向的长度。
2.如权利要求1所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述电容传感器包括一个第一极板以及多个第二极板，所述第一极板自容器底部沿液位测量方向延伸至容器顶部，所述第二极板沿液位测量方向均匀设置。
3.如权利要求1所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述液位传感器包括对称设置于容器侧壁的四个所述电容传感器。
4.如权利要求1所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述电容传感器包括一个环绕整个容器侧壁设置的第一极板以及多个均匀设于所述容器侧壁的第二极板。
5.如权利要求1所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述第二极板沿横向于测量方向的长度与所述第一极板沿该方向的长度的比值范围为1/4～3/4。
6.如权利要求1所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述液位传感器还包括与所述电容传感器电连接的印刷电路板。
7.如权利要求1所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述电介质的相对介电常数范围为1～10。
8.一种智能水杯，其特征在于：包括一杯壳、设于杯身内部的内胆以及如权利要求1至7任一项所述的非接触式液位传感器，所述液位传感器贴附于所述内胆侧壁上。
9.如权利要求8所述的智能水杯，其特征在于：所述杯壳设有用于显示具体液位高度的显示单元。
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