CN111811618A - 一种模型试验用高精度水位自动测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模型试验用高精度水位自动测量仪，包括固定在支架上的竖直设置的滚珠丝杠，在滚珠丝杠的螺母上固定有滑块，滑块与导向杆的上端固接，导向杆与螺杆平行设置，导向杆的下端穿越限位套，在导向杆的下端固定有超声传感器，螺杆由电机驱动，电机由MCU控制，MCU实时获取超声传感器的测量数据和滑块的位置数据，根据超声传感器测量数据及数据变化趋势，判断是否需要控制电机运转，以调节超声传感器与水面的相对位置，保证超声传感器工作在有效量程内；MCU计算并输出实时水位数据。本发明将滚珠丝杠和超声传感器联合使用，在保证短距超声传感器采集精度的基础上，使用滚珠丝杠扩展总体测量量程，实现高精度大量程水位自动测量。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，更具体的说，本发明涉及一种模型试验用高精度水位自动测量仪。
背景技术
水位测量是水运及海洋工程物理模型试验的重要内容，涉及航道、船闸、港池、水槽、潮流等多种试验类型。常用模型试验的水位测量，采用水位测针人工测量或使用浮子式水位仪、跟踪式水位计、超声式水位仪等自动水位测量方法，在对水位精度要求不高的场合，常用的自动水位测量仪器可以满足实际的需要，但对于水位变幅超过30cm，水位精度要求0.2mm以上的场合，传统的自动水位测量方法已不能满足实际的需要，现场反而开始采用水位测针的人工测量方法进行测量，这不仅需要花费大量的人力物力，而且不易于实现试验过程自动化，且受人为因素影响较大，急需一种高精度的水位测量方法和设备。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种模型试验用高精度水位自动测量仪。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种模型试验用高精度水位自动测量仪，包括从上至下依次固接的电气仓、中部壳体和支架，在所述中部壳体内安装有竖直设置的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠设有螺杆、螺母和支撑架，所述支撑架固定在支撑底座上，所述支撑底座与所述支架和所述中部壳体均固接，在所述螺母上固定有滑块，所述滑块与导向杆的上端固接，所述导向杆与所述螺杆平行设置，所述导向杆的下端穿越限位套，所述限位套固定在所述支撑架上，在所述导向杆的下端固定有超声传感器，所述螺杆由设置在其上方电机驱动，所述电机，安转在所述支撑架的顶部，由MCU控制，所述MCU，设置在控制电路板上，集成在所述电气仓内，实时获取所述超声传感器的测量数据和滑块的位置数据，根据超声传感器测量数据及数据变化趋势，判断是否需要控制所述电机运转，以调节所述超声传感器与水面的相对位置，保证所述超声传感器工作在有效量程内；所述MCU根据所述超声传感器的测量数据和滑块的位置数据计算并输出实时水位数据。
所述MCU设置对应L1和L2的两个位置控制点，L1为所述超声传感器的下行限位，L2为所述超声传感器的上行限位，当所述超声传感器的测量距离到达下行限位L1或上行限位L2时，所述MCU控制电机带动所述超声传感器反向运动。
所述下行限位L1为超声传感器1/3量程处，所述上行限位L2为超声传感器2/3量程处。
当所述超声传感器的测量距离处于L1到L2之间时，所述MCU控制所述电机停止运转；当所述超声传感器的测量距离大于L2时，所述MCU计算水位的变化速率Ⅰ，并控制所述电机带动所述超声传感器以大于所述变化速率Ⅰ的恒定速度下行；当所述超声传感器的测量距离小于L1时，所述MCU计算水位的变化速率Ⅱ，并控制所述电机带动所述超声传感器以大于所述变化速率Ⅱ的恒定速度上行；当所述MCU的数据处理结果与所述超声传感器的运行方向相反，所述MCU控制所述电机停止运转。
在所述电气仓内还集成有电源、电源控制及转换模块、无线数据传输模块、显示模块和存储模块，所述电源通过所述电源控制及转换模块给所述超声传感器、所述MCU和所述电机供电，所述MCU与所述无线数据传输模块、所述显示模块、所述存储模块、键盘和通信接口分别连接，所述显示模块设有显示屏，所述显示屏和所述键盘设置在所述电气仓的侧壁上，所述无线数据传输模块设有天线，所述天线安装在所述电气仓的顶部，所述通信接口穿过所述中部壳体固定在所述支撑底座上。
所述电源为锂离子电池，所述锂离子电池与锂电池充电控制器连接，所述锂电池充电控制器与供电接口连接，所述供电接口穿过所述外壳固定在所述支撑底座上。
所述导向杆采用管状结构，在所述导向杆内穿装有与所述超声传感器连接的线缆。
所述电机为带编码器反馈的一体式闭环控制步进电机。
所述电气仓是由金属材质制成的。
所述显示屏为OLED屏，所述键盘为薄膜键盘。
本发明具有的优点和积极效果是：通过采用滚珠丝杠带动超声传感器的结构，将滚珠丝杠和超声传感器联合使用，在保证短距超声传感器采集精度的基础上，使用滚珠丝杠扩展总体测量量程，采用以MCU为核心的自动调节方法，实现了高精度较大量程的模型试验水位自动测量。并且可不依赖外部电缆实现水位测量过程的采集、存储、显示和传输工作，可有效降低模型试验水位自动测量的复杂程度，提高工作效率。
附图说明
图1为本发明的外观结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的电气仓内部结构示意图；
图4为本发明的电气原理框图；
图5为本发明的电源控制电路图；
图6为本发明的控制电路板及外围模块电路图。
图中：1、电气仓；2、电机；3、中部壳体；4、螺杆；5、超声传感器；6、支架；7、支撑底座；8、通信接口；9、供电接口；10、滑块；11、导向杆；12、限位套；13、无线天线；14、指示灯；15、显示屏；16、控制电路板；17、电源；18、支撑架。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图6，一种模型试验用高精度水位自动测量仪，包括从上至下依次固接的电气仓1、中部壳体3和支架6。
在所述中部壳体3内安装有竖直设置的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠设有螺杆4、螺母和支撑架18，所述支撑架18固定在支撑底座7上，所述支撑底座7与所述支架6和所述中部壳体3均固接，在所述螺母上固定有滑块10，所述滑块10与导向杆11的上端固接，所述导向杆11与所述螺杆4平行设置，所述导向杆11的下端穿越限位套12，所述限位套12固定在所述支撑架18上，在所述导向杆11的下端固定有超声传感器5。
所述螺杆4由设置在其上方电机2驱动，所述电机2，安转在所述支撑架18的顶部，由MCU控制，所述MCU，设置在控制电路板16上，集成在所述电气仓1内，实时获取所述超声传感器的测量数据和滑块的位置数据，根据超声传感器测量数据及数据变化趋势，判断是否需要控制所述电机5运转，以调节所述超声传感器与水面的相对位置，保证所述超声传感器工作在有效量程内；所述MCU根据所述超声传感器的测量数据和滑块的位置数据计算并输出实时水位数据。
所述MCU微控制器控制步进电机转动的具体方法为：
所述MCU设置对应L1和L2的两个位置控制点，L1为超声传感器的下行限位，L2为超声传感器的上行限位，当所述超声传感器5的测量距离到达下行限位L1或上行限位L2时，所述MCU控制所述电机2带动所述超声传感器5反向运动。更加具体的控制方案为：所述下行限位L1为超声传感器1/3量程处，所述上行限位L2为超声传感器2/3量程处。当所述超声传感器5的测量距离处于L1到L2之间时，无论水位数据变化趋势如何，所述MCU都要控制所述电机2停止运转；当所述超声传感器5的测量距离大于L2时，所述MCU计算水位的变化速率Ⅰ，并控制所述电机2带动所述超声传感器5以大于所述变化速率Ⅰ的恒定速度下行，运动距离正比于水位变化速率Ⅰ；当所述超声传感器5的测量距离小于L1时，所述MCU计算水位的变化速率Ⅱ，并控制所述电机2带动所述超声传感器5以大于所述变化速率Ⅱ的恒定速度上行，运动距离正比于水位变化速率Ⅱ。电机2运动过程中，依然实时读取水位数据和滑块的位置数据实时位置，并实时输出真实水位值。运动到位后，再次进行水位值的判断，并根据读取数据确定是否进入下一个控制循环。
当所述MCU的数据处理结果与所述超声传感器的运行方向相反时，所述MCU控制所述电机2停止运转，并通过提示灯14灯光闪烁等方式提醒用户。
在本实施例中，在所述电气仓1内还集成有电源17、电源控制及转换模块、无线数据传输模块、显示模块和存储模块，所述电源17通过所述电源控制及转换模块给所述超声传感器5、所述MCU和所述电机2供电，所述MCU与所述无线数据传输模块、所述显示模块、所述存储模块、键盘和通信接口8分别连接，所述显示模块设有显示屏15，所述显示屏15和所述键盘设置在所述电气仓1的侧壁上，所述无线数据传输模块设有天线13，所述天线13安装在所述电气仓1的顶部，所述通信接口8穿过所述中部壳体3固定在所述支撑底座7上。上述结构可不依赖外部电缆实现水位测量过程的采集、存储、显示和传输工作，可有效降低模型试验水位自动测量的复杂程度。
所述电源17为锂离子电池，所述锂离子电池与锂电池充电控制器连接，所述锂电池充电控制器与供电接口9连接，所述供电接口9穿过所述中部壳体3固定在所述支撑底座7上，这种结构便于所述电源17具有足够的电量。锂电池充电控制器可采用市售产品。
所述导向杆11采用管状结构，在所述导向杆11内穿装有与所述超声传感器5连接的线缆，这种结构便于布线。
所述电机2为带编码器反馈的一体式闭环控制步进电机，便于控制。
所述电气仓1是由金属材质制成的。
所述显示屏15为OLED屏，抗震性能好。
所述键盘为薄膜键盘。
本发明采用超声传感器探头和滚珠丝杠组成两级构型，其中超声传感器探头直接测量探头与水面的距离；滚珠丝杠通过滑块与超声探头刚性连接，使用MCU微控制器控制步进电机驱动滚珠丝杠转动，进而带动滑块及超声传感器探头移动，通过滑块移动来弥补超声水位探头量程小的问题。当滑块运动到两端限位时，仅允许电机带动滑块反向运动，此时如果MCU的处理结果与滑块和超声传感器的运行方向相反，则控制电机停止运转，并通过灯光闪烁等方式提醒用户。
本发明的水位自动测量过程如下：
应用时，将水位自动测量仪安放在待测水体上方，MCU控制步进电机带动导向杆及超声传感器向下运动，并实时读取超声传感器采集数据和滑块的位置数据，当水面到传感器的距离达到传感器量程2/3时，关停步进电机，并以传感器采集到的原始值加上滑块到水位仪零点的距离作为当前水位值进行输出。在连续测量过程中，不断监测并计算当前水位值及水位变化率，按照上述MCU微控制器控制步进电机转动的方法进行传感器位置的自动调节。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模型试验用高精度水位自动测量仪，其特征在于，包括从上至下依次固接的电气仓、中部壳体和支架，
在所述中部壳体内安装有竖直设置的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠设有螺杆、螺母和支撑架，所述支撑架固定在支撑底座上，所述支撑底座与所述支架和所述中部壳体均固接，在所述螺母上固定有滑块，所述滑块与导向杆的上端固接，所述导向杆与所述螺杆平行设置，所述导向杆的下端穿越限位套，所述限位套固定在所述支撑架上，在所述导向杆的下端固定有超声传感器，
所述螺杆由设置在其上方电机驱动，所述电机，安转在所述支撑架的顶部，由MCU控制，所述MCU，设置在控制电路板上，集成在所述电气仓内，实时获取所述超声传感器的测量数据和滑块的位置数据，根据超声传感器测量数据及数据变化趋势，判断是否需要控制所述电机运转，以调节所述超声传感器与水面的相对位置，保证所述超声传感器工作在有效量程内；所述MCU根据所述超声传感器的测量数据和滑块的位置数据计算并输出实时水位数据。
2.根据权利要求1所述的模型试验用高精度水位自动测量仪，其特征在于，所述MCU设置对应L1和L2的两个位置控制点，L1为所述超声传感器的下行限位，L2为所述超声传感器的上行限位，当所述超声传感器的测量距离到达下行限位L1或上行限位L2时，所述MCU控制电机带动所述超声传感器反向运动。
3.根据权利要求2所述的模型试验用高精度水位自动测量仪，其特征在于，所述下行限位L1为超声传感器1/3量程处，所述上行限位L2为超声传感器2/3量程处。
4.根据权利要求2所述的模型试验用高精度水位自动测量仪，其特征在于，
当所述超声传感器的测量距离处于L1到L2之间时，所述MCU控制所述电机停止运转；
当所述超声传感器的测量距离大于L2时，所述MCU计算水位的变化速率Ⅰ，并控制所述电机带动所述超声传感器以大于所述变化速率Ⅰ的恒定速度下行；
当所述超声传感器的测量距离小于L1时，所述MCU计算水位的变化速率Ⅱ，并控制所述电机带动所述超声传感器以大于所述变化速率Ⅱ的恒定速度上行；
当所述MCU的数据处理结果与所述超声传感器的运行方向相反，所述MCU控制所述电机停止运转。
5.根据权利要求1所述的模型试验用高精度水位自动测量仪，其特征在于，在所述电气仓内还集成有电源、电源控制及转换模块、无线数据传输模块、显示模块和存储模块，所述电源通过所述电源控制及转换模块给所述超声传感器、所述MCU和所述电机供电，所述MCU与所述无线数据传输模块、所述显示模块、所述存储模块、键盘和通信接口分别连接，所述显示模块设有显示屏，所述显示屏和所述键盘设置在所述电气仓的侧壁上，所述无线数据传输模块设有天线，所述天线安装在所述电气仓的顶部，所述通信接口穿过所述中部壳体固定在所述支撑底座上。
6.根据权利要求5所述的模型试验用高精度水位自动测量仪，其特征在于，所述电源为锂离子电池，所述锂离子电池与锂电池充电控制器连接，所述锂电池充电控制器与供电接口连接，所述供电接口穿过所述外壳固定在所述支撑底座上。
7.根据权利要求1所述的模型试验用高精度水位自动测量仪，其特征在于，所述导向杆采用管状结构，在所述导向杆内穿装有与所述超声传感器连接的线缆。
8.根据权利要求1所述的模型试验用高精度水位自动测量仪，其特征在于，所述电机为带编码器反馈的一体式闭环控制步进电机。
9.根据权利要求1所述的模型试验用高精度水位自动测量仪，其特征在于，所述电气仓是由金属材质制成的。
10.根据权利要求5所述的模型试验用高精度水位自动测量仪，其特征在于，所述显示屏为OLED屏，所述键盘为薄膜键盘。
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