CN106092263A

CN106092263A - 一种实验用高精度无线数字水深传感器系统

Info

Publication number: CN106092263A
Application number: CN201610665229.6A
Authority: CN
Inventors: 苏伯尼; 黄弘; 张楠
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2016-11-09

Abstract

本发明公开了一种实验用高精度无线数字水深传感器系统，包括主机和从机，从机包括敏感元件、电容数模转换模块和从机无线通信模块，敏感元件通过平行板电容器结构测量被测水的电容值，并依次通过电容数模转换模块和从机无线通信模块发送给主机；主机根据电容数字信号得到被测水的水深。本发明具有如下优点：测量精度高，测量速度快，并且可以用于波动、不稳定水流的水深探测；仅有一根金属丝与水接触，对水流影响小。

Description

一种实验用高精度无线数字水深传感器系统

技术领域

本发明涉及公共安全与水利学领域，具体涉及一种实验用高精度无线数字水深传感器系统。

背景技术

许多科学实验(尤其是水力学等领域)中需要对水深进行连续、精确的测量。目前已有的各种水深传感器有时无法满足实验需求。传统的水位探针需要靠机械运动实现测量，测量速度慢，而且在水面波动较大时(如降雨实验)会产生较大测量误差。超声波液面探测器精度有限，一般仅能达到厘米量级，少数能达到毫米量级，无法满足精密实验的要求。激光测距探测器本身精度很高，但由于水的透明度很高，用于水深测量时效果不好。压力式传感器受环境温度以及气压的影响比较大，因此精度有限，而且在某些不满足静压分布的场合下使用会导致测量错误(例如降雨实验中雨滴会造成额外的冲击压力，导致压力传感器测量值反推的水深偏大)。电容式水深传感器需要接触测量，在涉及水流动的实验中可能影响流场，还会因为接触角滞回现象而产生额外误差。此外，已有的水深传感器还存在其它缺点。目前大部分水深传感器都输出模拟信号，需要进行模数转换才能连接计算机实现数据自动采集和处理，模数转换过程中不可避免地会产生二次误差。而且，模拟信号在较长距离传输过程中容易受到干扰，导致数据出错。为解决这些问题，需要水深传感器实现数字化。在有些大型水力实验中，需要在水槽不同位置布置大量传感器并同时进行数据采集。现有水深传感器多采用有线传输方式，需要铺设大量线缆，费时费力，同时可能会给实验人员造成安全隐患(被线缆绊倒)。另外，有些需要在密闭环境中进行的实验(如需要在高压/低压等特殊条件下进行的实验)不允许引出线缆或者引出线缆会提高工程难度。为解决这些问题，需要水深传感器实现无线化。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种实验用高精度无线数字水深传感器系统。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种实验用高精度无线数字水深传感器系统，包括：从机，所述从机包括敏感元件、电容数模转换模块和从机无线通信模块，所述敏感元件包括绝缘容器、固定在所述绝缘容器外壁上的金属板和插入所述绝缘容器内部的金属丝，所述金属丝的一端距离所述绝缘容器内底壁小于预设距离，所述金属丝和所述电极板均与所述电容数模转换模块连接；所述电容数模转换模块，用于在向所述绝缘容器中导入被测水时，将所述金属丝和所述电极板之间的电容值转换为电容数字信号，并将所述电容数字信号发送给所述从机无线通信模块；所述从机无线通信模块用于发送所述电容数字信号；主机，所述主机包括主机通信模块和计算机，所述主机通信模块用于接收所述从机通信模块发送的所述电容数字信号，所述计算机和所述主机通信模块连接，用于根据所述电容数字信号得到所述被测水的水深。

根据本发明实施例的实验用高精度无线数字水深传感器系统，测量精度高，测量速度快，并且可以用于波动、不稳定水流的水深探测；仅有一根金属丝与水接触，对水流影响小。

另外，根据本发明上述实施例的实验用高精度无线数字水深传感器系统，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在与所述金属板对应位置的所述绝缘容器的内侧壁上涂覆有憎水涂层。

进一步地，所述憎水涂层为SiO₂纳米涂层。

进一步地，所述金属板为紫铜板。

进一步地，所述预设距离为5mm。

进一步地，所述电容数模转换模块包括参考电容和电容数字转换芯片，所述金属丝和所述金属板均与所述电容数字转换芯片连接，所述参考电容为独石电容，所述电容数字转换芯片为德国acam公司的PCAP01电容数字转换芯片。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的实验用高精度无线数字水深传感器系统的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的敏感元件的结构示意图；

图3是本发明一个实施例的从机的电路结构示意图；

图4是本发明一个实施例的主机的电路结构示意图；

图5是本发明一个实施例的测试结果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的实验用高精度无线数字水深传感器系统。

请参考图1，一种实验用高精度无线数字水深传感器系统，包括从机和主机。请参考图2，从机包括敏感元件103、电容数模转换模块104和从机无线通信模块105。主机包括主机无线通信模块101和计算机102。

请参考图2，敏感元件103包括绝缘容器107、固定在绝缘容器107外壁上的金属板108和插入绝缘容器107内部的金属丝109。金属丝109的一端距离绝缘容器107内底壁小于预设距离。

具体地，金属板108粘贴在绝缘容器107侧壁外侧，形成一个极板；金属丝109插入绝缘容器107内靠近底壁，和导入绝缘容器107内的被测水形成另一个极板；由此，金属板108、金属丝109和被测水形成了一个平行板电容器，绝缘容器107构成电容介质。在水深不是很小(小于5mm)的情况下，该电容的电容值与水深呈显著的一次函数关系，因此可以用电容值反映水深。

电容数模转换模块104与金属丝109和金属板108连接，将金属丝109和电极板108之间的电容值转换为电容数字信号，并将电容数字信号发送给从机无线通信模块105。

从机无线通信模块105将电容数字信号发送给主机无线通信模块105，主机无线通信模块105将电容数字信号传给计算机102，计算机根据电容数字信号最终得出被测水的水深。

在本发明的一个实施例中，在与金属板108对应位置的绝缘容器107的内侧壁上涂覆有憎水涂层111，以减小接触角滞回现象而产生的额外误差。优选地，憎水涂层111为SiO₂纳米涂层，能极大地减小接触角滞回现象而产生的额外误差。

在本发明的一个实施例中，金属板108为紫铜板，紫铜板导电性能好，提升测量精度。

在本发明的一个实施例中，预设距离(金属丝109的下端距离绝缘容器107内底壁的距离)为5mm，需要注意的是，金属丝109的下端也可以接触绝缘容器107内底壁。

请参考图3，在本发明的一个实施例中，电容数字转换模块104包括参考电容113和电容数字转换芯片112。从机无线通信模块105包括无线通信单片机114、天线115和辅助元件116。从机还包括电源模块106，电源模块106包括电池盒117、开关118、稳压模块119和稳压模块120。其中，电容数字转换芯片112分别于敏感元件103、参考电容113、无线通信单片机114和稳压模块119连接。在本发明的一个示例中，电容数字转换芯片112采用德国acam公司的PCAP01电容数字转换芯片，该芯片可以测量电容器的电容值并直接得到数字量。参考电容113采用独石电容以尽可能降低噪声。辅助元件116分别于无线通信单片机114、天线115和稳压模块120连接。无线通信单片机114采用美国Texas Instruments公司的CC2530无线片上系统(SoC)解决方案，该芯片可以实现Zigbee无线网络通信功能。通过软件编程，无线通信单片机114可以操纵电容数字转换芯片112进行电容测量，读取测量数据并通过天线115发送给主机。辅助元件116包括晶振等，保证单片机114和天线115的正常工作，还有LED灯用于指示单片机的工作状态。电源模块106包括电池盒117、开关118以及稳压模块119和120，为电容数字转换模块104、从机无线通信模块105提供稳定的电源。

请参考图4，在本发明的一个实施例中，主机无线通信模块101包括无线通信单片机117、天线118、辅助元件119、串口转USB芯片120和USB接口121。其中，天线118用于接收从机无线通信模块105中的天线115发送的电容数字信号，并将此电容数字信号依次通过串口转USB芯片120和USB接口121发送计算机102。计算机102根据收到的电容数字信号进行计算，最终得到被测水的水深。

在本发明的一个示例中，向绝缘容器107中注入不同量的水，用本发明装置测量水深，同时用精密电子天平称重的方法精确求出容器中实际水深，将二者进行对比，测量结果如图5所示，所有测试中，平均误差仅0.27mm，最大误差也只有0.71mm。

本发明实施例的实验用高精度无线数字水深传感器系统，具有以下优点：

1、保留电容水深探测器的优点，测量精度高，测量速度快，并且可以用于波动、不稳定水流的水深探测；

2、仅有一根金属丝与水接触，对水流影响小；

3、使用憎水涂料，减小了接触角滞回现象而产生的额外误差；

4、传感器高度数字化，避免干扰以及模数转换造成的不必要误差；

5、传感器无线化，省去铺设线缆的麻烦，并且可以通过一台主机多台从机的方式同时测量多个位置的水深数据；

6、通过计算机上的配套软件可以方便地获取并存储传感器实时数据，甚至可以进行一些简单的数据处理。本发明精度高、对水流阻碍作用小、测量速度快、高度数字化、可以实现数据无线传输，它可以用于水力学等相关实验中的水深数据采集。

另外，本发明实施例的实验用高精度无线数字水深传感器系统的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种实验用高精度无线数字水深传感器系统，其特征在于，包括：

从机，所述从机包括敏感元件、电容数模转换模块和从机无线通信模块，所述敏感元件包括绝缘容器、固定在所述绝缘容器外壁上的金属板和插入所述绝缘容器内部的金属丝，所述金属丝的一端距离所述绝缘容器内底壁小于预设距离，所述金属丝和所述电极板均与所述电容数模转换模块连接；所述电容数模转换模块，用于在向所述绝缘容器中导入被测水时，将所述金属丝和所述电极板之间的电容值转换为电容数字信号，并将所述电容数字信号发送给所述从机无线通信模块；所述从机无线通信模块用于发送所述电容数字信号；

主机，所述主机包括主机无线通信模块和计算机，所述主机无线通信模块用于接收所述从机无线通信模块发送的所述电容数字信号，所述计算机和所述主机通信模块连接，用于根据所述电容数字信号得到所述被测水的水深。

2.根据权利要求1所述的实验用高精度无线数字水深传感器系统，其特征在于，在与所述金属板对应位置的所述绝缘容器的内侧壁上涂覆有憎水涂层。

3.根据权利要求2所述的实验用高精度无线数字水深传感器系统，其特征在于，所述憎水涂层为SiO₂纳米涂层。

4.根据权利要求1所述的实验用高精度无线数字水深传感器系统，其特征在于，所述金属板为紫铜板。

5.根据权利要求1所述的实验用高精度无线数字水深传感器系统，其特征在于，所述预设距离为5mm。

6.根据权利要求1或4所述的实验用高精度无线数字水深传感器系统，其特征在于，所述电容数模转换模块包括参考电容和电容数字转换芯片，所述金属丝和所述金属板均与所述电容数字转换芯片连接，所述参考电容为独石电容，所述电容数字转换芯片为德国acam公司的PCAP01电容数字转换芯片。