CN109781205A - 一种压电液体体积传感器及其体积检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电液体体积传感器及其体积检测方法。现有体积传感器通常都需要与液体直接接触，或精度较低。本发明一种压电液体体积传感器，包括机架、模态锤、电磁铁、直流电机、升降滑架、升降块、升降步进电机、升降滚珠丝杠、细绳、横移步进电机、横移滚珠丝杠、横移块、摆锤台、液体容器和PVDF压电薄膜。摆锤台固定在机架上。模态锤由锤头和锤柄组成。锤柄的外端与锤头固定，内端与摆锤台的顶部构成转动副。锤柄中部与细绳的一端固定。细绳的另一端与直流电机上的绕线轮固定。细绳缠绕着绕线轮上。本发明通过建立被测液体共振频率与体积之间的关系，实现对不同被测液体体积的自动化检测，能够应用于油箱内剩余油量的检测等领域。

Description

一种压电液体体积传感器及其体积检测方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种检测任意形状容器液体体积的非接触式压电液体体积传感器及其体积检测方法。

背景技术

液体体积传感器在化学液体体积检测、液体燃料储存系统等方面得到广泛应用和关注。目前已有浮筒式液体体积传感器，浮球式液体体积传感器等液体体积传感器，但这些传感器通常都需要与液体直接接触，容易造成液体的污染以及传感器的损坏。超声波类，光学类，电磁波类液体体积传感器虽无需与液体接触，但普遍都需精度高测量仪器，价格高。为克服液体体积传感器在使用过程中需要和液体直接接触的问题并降低成本，本发明涉及一种基于压电PVDF薄膜的非接触式液体体积传感器，通过施加外部激励力给液体容器，PVDF传感器测出盛液容器的振动频率，从而通过振动频率计算出容器中的液体体积。PVDF传感器的灵敏度高、柔韧性强且易加工，可以用于腐蚀性、强挥发性等液体体积的非接触性检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电液体体积传感器。

本发明一种压电液体体积传感器，包括机架、模态锤、电磁铁、直流电机、升降滑架、升降块、升降步进电机、升降滚珠丝杠、细绳、横移步进电机、横移滚珠丝杠、横移块、摆锤台、液体容器和PVDF压电薄膜。所述的横移滚珠丝杠支承在机架上。横移块与机架构成滑动副，并与横移滚珠丝杠构成螺旋副。所述的横移滚珠丝杠由横移步进电机驱动。所述升降滑架的底部与横移块固定。所述的升降滚珠丝杠支承在升降滑架上。所述的升降块与升降滑架构成滑动副，并与升降滚珠丝杠构成螺旋副。升降块上固定有电磁铁。所述的升降滚珠丝杠由升降步进电机驱动。直流电机固定在升降滑架的顶部。直流电机的输出轴上固定有绕线轮。

所述的摆锤台固定在机架上。所述的模态锤由锤头和锤柄组成。锤柄的外端与锤头固定，内端与摆锤台的顶部构成转动副。锤柄中部与细绳的一端固定。细绳的另一端与直流电机上的绕线轮固定。细绳缠绕着绕线轮上。所述的液体容器固定在摆锤台远离电磁铁的那侧。所述的液体容器远离模态锤的一侧贴有n块PVDF压电薄膜，n≥2。

进一步地，本发明一种压电液体体积传感器还包括控制模块。所述的控制模块包括多路复用器、运算放大器、单片机、第一蓝牙收发器、第二蓝牙收发器和计算机。n块PVDF压电薄膜与多路复用器的其中n个数据输入引脚分别电连接。多路复用器的各个控制输入引脚与单片机的多个第一I/O口分别连接。多路复用器的输出引脚接运算放大器的正相输入端或反相输入端。运算放大器的输出端与单片机的模拟信号输入引脚。单片机的第二I/O口与第一蓝牙收发器连接。第二蓝牙收发器与计算机连接。第一蓝牙收发器与第二蓝牙收发器通过蓝牙连接。

进一步地，所述的单片机通过两个型号为TB6600的步进电机驱动器分别驱动升降步进电机、横移步进电机。单片机通过继电器与电磁铁连接。

进一步地，所述多路复用器的型号为ADG1608。所述运算放大器的型号为OP07。所述单片机的型号为STM32F103。所述第一蓝牙收发器及第二蓝牙收发器的型号均为BT08B。

进一步地，n＝6。六块PVDF压电薄膜呈两行三列排布。PVDF压电薄膜的面积为4cm²。两行PVDF压电薄膜的对称面到特征平面的间距等于锤头到锤柄、摆锤台所成转动副的公共轴线的间距。特征平面为经过锤柄、摆锤台所成转动副的公共轴线的水平面。

进一步地，所述的横移步进电机固定在机架上。横移步进电机的输出轴与横移滚珠丝杠的一端固定。所述的升降步进电机固定在升降滑架上。升降步进电机的输出轴与升降滚珠丝杠的一端固定。

进一步地，所述锤柄、摆锤台所成转动副的公共轴线与横移滚珠丝杠的轴线垂直。垂直于锤柄、摆锤台所成转动副的公共轴线且经过锤柄轴线的平面与电磁铁相交。

进一步地，所述锤柄处于竖直向下的状态时，锤头与液体容器接触。

该压电液体体积传感器的体积检测方法具体如下：

步骤一、使用三维软件建立液体容器的三维模型，并导入有限元仿真软件。仿真计算出装有不同体积被测液体时液体容器的共振频率，进而获取液体容器内被测液体的体积与共振频率的关系曲线。

步骤二、将被测液体倒入液体容器中。i＝1,2,3,4,5，依次执行步骤三至五。

步骤三、直流电机正转，使得细绳绕上绕线轮，拉动模态锤向上翻转至锤头与电磁铁接触。升降步进电机及横移步进电机分别转动，使得模态锤的重心与模态锤初始重心的高度差达到h_i。模态锤初始重心为锤柄处于竖直状态时模态锤的重心。h_i满足如下两条关系式：h_i+L₁·sinθ_i＝L₁；其中，θ_i为模态锤的锤柄轴线与竖直直线的夹角，其取值表达式为θ_i＝15°+i·δ，δ＝15°。L₁为锤柄的长度。

步骤四、直流电机反转，使得细绳在模态锤下落的过程中不会绷紧。之后，电磁铁断电，模态锤下落，锤头锤击液体容器的侧壁。n块PVDF压电薄膜通过正压电效应将震动机械能转换成电能，产生模拟信号。

多路复用器以2000Hz的开关频率进行切换，n块PVDF压电薄膜每0.0005·n秒中向运算放大器输出一次模拟信号。运算放大器将接受到的模拟信号放大后传输给单片机。单片机拟合出n条PVDF压电薄膜输出的模拟信号变化曲线。

步骤五、单片机分别确定n条模拟信号变化曲线的最大值位置，并计算出n条模拟信号变化曲线的最大值位置对应信号频率。单片机计算出n个信号频率的均值作为第i共振频率估计值f_i。单片机将第i共振频率估计值f_i通过蓝牙通信的方式传输给计算机。

步骤六、计算机根据共振频率最终值在步骤一所得的液体容器内被测液体的体积与共振频率的关系曲线中找出与f′对应的体积V。V即为液体容器内被测液体的体积。

进一步地，所述的有限元仿真软件采用ansys软件。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过建立被测液体共振频率与体积之间的关系，实现对不同被测液体体积的自动化检测，能够应用于油箱内剩余油量的检测等领域。

2、本发明在检测过程中传感器与被测液体不接触，进而降低了传感器的损坏概率。

3、不同材料的共振频率不同，本发明通过调节不同的高度，施加的不同大小锤击力，即可适用不同材料的液体容器。

4、本发明通过调节模态锤的锤击力度，获取多组数据进行均值计算，精度较高。

5、本发明采用的PVDF压电薄膜成本较低，故能够通过使用多个PVDF压电薄膜同步检测的方式提高检测精度。

6、本发明采用的PVDF压电薄膜呈柔性，能够贴合在液体容器的侧面，进而获取更加精准的模拟信号。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中模态锤锤柄空间位姿的计算示意图；

图3为本发明中控制模块的系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，一种压电液体体积传感器，包括机架、模态锤1、电磁铁2、直流电机、升降滑架3、升降块、升降步进电机4、升降滚珠丝杠5、细绳6、横移步进电机7、横移滚珠丝杠8、横移块9、摆锤台10、液体容器11、PVDF压电薄膜12和控制模块。直流电机的型号为RF-370063000。升降步进电机4及横移步进电机7的型号均为103H546。

水平设置的横移滚珠丝杠8支承在机架上。横移块9与机架构成沿水平方向滑动的滑动副。固定在横移块9上的第一螺母与横移滚珠丝杠8构成螺旋副。横移步进电机7固定在机架上。横移步进电机7的输出轴与横移滚珠丝杠8的一端固定。升降滑架3的底部与横移块9固定。竖直设置的升降滚珠丝杠5支承在升降滑架3上。升降块与升降滑架3构成沿竖直方向滑动的滑动副。固定在升降块上的第二螺母与升降滚珠丝杠5构成螺旋副。升降块上固定有电磁铁2。升降步进电机4固定在升降滑架3上。升降步进电机4的输出轴与升降滚珠丝杠5的一端固定。直流电机固定在升降滑架3的顶部。直流电机的输出轴上固定有绕线轮13。

摆锤台10固定在机架上，且位于横移滚珠丝杠8一端。模态锤1由锤头和锤柄组成。锤柄的外端与锤头固定，内端与摆锤台10的顶部构成公共轴线水平设置的转动副。锤柄中部与细绳的一端固定。细绳的另一端与直流电机上的绕线轮13固定。细绳缠绕着绕线轮13上。锤柄、摆锤台10所成转动副的公共轴线与横移滚珠丝杠8的轴线垂直。垂直于锤柄、摆锤台10所成转动副的公共轴线且经过锤柄轴线的平面与电磁铁2相交。锤头呈底面直径为18mm，高为35mm的圆柱形。锤头的质量为120g。锤柄的长度为L₁。锤柄的材质为塑料。

液体容器11固定在摆锤台10远离电磁铁的那侧。锤柄处于竖直向下的状态时，锤头与液体容器11接触。液体容器11远离模态锤1的一侧贴有六块PVDF压电薄膜。六块PVDF压电薄膜呈两行三列排布。PVDF压电薄膜12的面积为4cm²。两行PVDF压电薄膜的对称面到特征平面的间距等于锤头到锤柄、摆锤台10所成转动副的公共轴线的间距。特征平面为经过锤柄、摆锤台10所成转动副的公共轴线的水平面。

控制模块包括电源14、多路复用器15、运算放大器16、单片机17、第一蓝牙收发器18、第二蓝牙收发器19和计算机20。多路复用器15的型号为ADG1608。运算放大器16的型号为OP07。单片机17的型号为STM32F103。第一蓝牙收发器18及第二蓝牙收发器19的型号均为BT08B。六块PVDF压电薄膜12的其中一个接线端接地，另一个接线端与多路复用器15的其中六个数据输入引脚分别电连接。多路复用器15的三个控制输入引脚与单片机17的三个第一I/O口分别连接。多路复用器15的输出引脚接运算放大器16的正相输入端。运算放大器16的反相输入端及负供电电压端均接地。运算放大器16的输出端与单片机17的模拟信号输入引脚。单片机17的第二I/O口与第一蓝牙收发器18连接。第二蓝牙收发器19与计算机20连接。第一蓝牙收发器18与第二蓝牙收发器19通过蓝牙连接。单片机17通过两个型号为TB6600的步进电机驱动器分别驱动升降步进电机4、横移步进电机7。单片机17通过继电器与电磁铁连接。运算放大器16的正供电电压端、多路复用器15、单片机17及第一蓝牙收发器18的供电引脚均与电源14的正极连接。

该压电液体体积传感器的体积检测方法具体如下：

步骤一、使用三维软件建立液体容器11的三维模型，并导入有限元仿真软件。有限元仿真软件采用ansys软件。仿真计算出装有不同体积被测液体时液体容器的共振频率，进而获取液体容器内被测液体的体积与共振频率的关系曲线。

步骤二、将体积未知的被测液体倒入液体容器中。i＝1,2,3,4,5，依次执行步骤三至五。

步骤三、直流电机正转，使得细绳绕上绕线轮13，进而拉动模态锤向上翻转至锤头与电磁铁接触。升降步进电机4及横移步进电机7分别转动，使得模态锤的重心与模态锤初始重心的高度差达到h_i。模态锤初始重心为锤柄处于竖直状态时模态锤的重心。如图2所示，h_i满足如下两条关系式：s_i＝L₁·sinθ_i；h_i+L₁·sinθ_i＝L₁其中，θ_i为模态锤的锤柄轴线与竖直直线的夹角，其取值表达式为θ_i＝15°+i·δ，δ＝15°。s_i为模态锤的重心与模态锤初始重心的水平距离。

步骤四、直流电机反转，使得细绳在模态锤下落的过程中不会绷紧。之后，单片机17控制电磁铁断电，模态锤下落，锤头法向锤击(即锤击方向垂直于锤击点处的切面)液体容器的侧壁，对液体容器产生冲击；锤击使得液体容器产生弯曲波，弯曲波在液体容器周围传播，使得液体容器及液体容器内的液体产生振动。六块PVDF压电薄膜通过正压电效应将震动机械能转换成电能，产生模拟信号。

多路复用器15以2000Hz的开关频率进行切换(即每0.0005秒切换一次)，使得六块PVDF压电薄膜每0.003秒中有0.0005秒向运算放大器16输出模拟信号。运算放大器16将接受到的模拟信号放大后传输给单片机17。单片机17获取六条PVDF压电薄膜输出的模拟信号变化曲线(通过拟合的方式将原本离散的模拟信号拟合为曲线)。

步骤五、单片机17分别确定六条模拟信号变化曲线的最大值位置，并通过快速傅里叶变换分别计算出六条模拟信号变化曲线的最大值位置对应信号频率。单片机17计算出六个信号频率的均值作为第i共振频率估计值f_i。单片机17将第i共振频率估计值f_i通过蓝牙通信的方式传输给计算机20。

步骤六、(此时步骤三至五以执行五次，得到五个共振频率估计值)计算机20根据共振频率最终值在步骤一所得的液体容器内被测液体的体积与共振频率的关系曲线中找出与f′对应的体积V。V即为液体容器内被测液体的体积。

Claims (10)

1.一种压电液体体积传感器，包括机架、模态锤、电磁铁、直流电机、升降滑架、升降块、升降步进电机、升降滚珠丝杠、细绳、横移步进电机、横移滚珠丝杠、横移块、摆锤台、液体容器和PVDF压电薄膜；其特征在于：所述的横移滚珠丝杠支承在机架上；横移块与机架构成滑动副，并与横移滚珠丝杠构成螺旋副；所述的横移滚珠丝杠由横移步进电机驱动；所述升降滑架的底部与横移块固定；所述的升降滚珠丝杠支承在升降滑架上；所述的升降块与升降滑架构成滑动副，并与升降滚珠丝杠构成螺旋副；升降块上固定有电磁铁；所述的升降滚珠丝杠由升降步进电机驱动；直流电机固定在升降滑架的顶部；直流电机的输出轴上固定有绕线轮；

所述的摆锤台固定在机架上；所述的模态锤由锤头和锤柄组成；锤柄的外端与锤头固定，内端与摆锤台的顶部构成转动副；锤柄中部与细绳的一端固定；细绳的另一端与直流电机上的绕线轮固定；细绳缠绕着绕线轮上；所述的液体容器固定在摆锤台远离电磁铁的那侧；所述的液体容器远离模态锤的一侧贴有n块PVDF压电薄膜，n≥2。

2.根据权利要求1所述的一种压电液体体积传感器，其特征在于：还包括控制模块；所述的控制模块包括多路复用器、运算放大器、单片机、第一蓝牙收发器、第二蓝牙收发器和计算机；n块PVDF压电薄膜与多路复用器的其中n个数据输入引脚分别电连接；多路复用器的各个控制输入引脚与单片机的多个第一I/O口分别连接；多路复用器的输出引脚接运算放大器的正相输入端或反相输入端；运算放大器的输出端与单片机的模拟信号输入引脚；单片机的第二I/O口与第一蓝牙收发器连接；第二蓝牙收发器与计算机连接；第一蓝牙收发器与第二蓝牙收发器通过蓝牙连接。

3.根据权利要求1所述的一种压电液体体积传感器，其特征在于：所述的单片机通过两个型号为TB6600的步进电机驱动器分别驱动升降步进电机、横移步进电机；单片机通过继电器与电磁铁连接。

4.根据权利要求1所述的一种压电液体体积传感器，其特征在于：所述多路复用器的型号为ADG1608；所述运算放大器的型号为OP07；所述单片机的型号为STM32F103；所述第一蓝牙收发器及第二蓝牙收发器的型号均为BT08B。

5.根据权利要求1所述的一种压电液体体积传感器，其特征在于：n＝6；六块PVDF压电薄膜呈两行三列排布；PVDF压电薄膜的面积为4cm²；两行PVDF压电薄膜的对称面到特征平面的间距等于锤头到锤柄、摆锤台所成转动副的公共轴线的间距；特征平面为经过锤柄、摆锤台所成转动副的公共轴线的水平面。

6.根据权利要求1所述的一种压电液体体积传感器，其特征在于：所述的横移步进电机固定在机架上；横移步进电机的输出轴与横移滚珠丝杠的一端固定；所述的升降步进电机固定在升降滑架上；升降步进电机的输出轴与升降滚珠丝杠的一端固定。

7.根据权利要求1所述的一种压电液体体积传感器，其特征在于：所述锤柄、摆锤台所成转动副的公共轴线与横移滚珠丝杠的轴线垂直；垂直于锤柄、摆锤台所成转动副的公共轴线且经过锤柄轴线的平面与电磁铁相交。

8.根据权利要求1所述的一种压电液体体积传感器，其特征在于：所述锤柄处于竖直向下的状态时，锤头与液体容器接触。

9.如权利要求1所述的一种压电液体体积传感器的体积检测方法，其特征在于：步骤一、使用三维软件建立液体容器的三维模型，并导入有限元仿真软件；仿真计算出装有不同体积被测液体时液体容器的共振频率，进而获取液体容器内被测液体的体积与共振频率的关系曲线；

步骤二、将被测液体倒入液体容器中；i＝1,2,3,4,5，依次执行步骤三至五；

步骤三、直流电机正转，使得细绳绕上绕线轮，拉动模态锤向上翻转至锤头与电磁铁接触；升降步进电机及横移步进电机分别转动，使得模态锤的重心与模态锤初始重心的高度差达到h_i；模态锤初始重心为锤柄处于竖直状态时模态锤的重心；h_i满足如下两条关系式：h_i+L₁sinθ_i＝L₁；其中，θ_i为模态锤的锤柄轴线与竖直直线的夹角，其取值表达式为θ_i＝15°+i·δ，δ＝15°；L₁为锤柄的长度；

步骤四、直流电机反转，使得细绳在模态锤下落的过程中不会绷紧；之后，电磁铁断电，模态锤下落，锤头锤击液体容器的侧壁；n块PVDF压电薄膜通过正压电效应将震动机械能转换成电能，产生模拟信号；

多路复用器以2000Hz的开关频率进行切换，n块PVDF压电薄膜每0.0005·n秒中向运算放大器输出一次模拟信号；运算放大器将接受到的模拟信号放大后传输给单片机；单片机拟合出n条PVDF压电薄膜输出的模拟信号变化曲线；

步骤五、单片机分别确定n条模拟信号变化曲线的最大值位置，并计算出n条模拟信号变化曲线的最大值位置对应信号频率；单片机计算出n个信号频率的均值作为第i共振频率估计值f_i；单片机将第i共振频率估计值f_i通过蓝牙通信的方式传输给计算机；

步骤六、计算机根据共振频率最终值在步骤一所得的液体容器内被测液体的体积与共振频率的关系曲线中找出与f′对应的体积V；V即为液体容器内被测液体的体积。

10.根据权利要求9所述的一种压电液体体积传感器的体积检测方法，其特征在于：所述的有限元仿真软件采用ansys软件。