CN112097858B - 一种液位传感器及其监测水位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器领域，提供一种液位传感器及其监测水位的方法，包括：敏感芯片，敏感芯片用于监测水位；上位机，上位机与敏感芯片电性连接，用于通过敏感芯片以预设监测频率监测水位；单片机，单片机同时与敏感芯片和上位机电性连接，用于获取监测数据，并根据监测数据的平均值以及当前水位情况调整监测频率，将新的监测频率传输至上位机。本发明提供的液位传感器，利用单片机和上位机来控制敏感芯片，根据监测数据的平均值以及当前水位情况调控敏感芯片的监测频率，使得该液位传感器能够根据矿井含水层水位变化趋势与程度自动调整液位传感器的监测频率，确保矿井水害获取数据的及时性，给矿井水位智能监测预警带来巨大的安全效益。

Description

一种液位传感器及其监测水位的方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种液位传感器及其监测水位的方法。

背景技术

目前，如图1所示，液位传感器的工作方案是通过数据电缆线100将投入式液位传感器从水位孔孔口传送至含水层水位以下，用于监测水位孔中液体200的水位变化。借助液位传感器300与液面之间存在水位差形成的水压，传递至液位传感器300的敏感芯片上，使其产生应变。利用水压＝水位差×密度×重力加速度，实现水位孔中液位的监测。

煤矿投入式液位传感器是煤矿含水层水位监测的重要装置。投入式液位传感器带有微处理机，具有信息采集、处理、交换的能力。在矿井生产过程中，因开采破坏含水层下覆隔水层的完整性而导致含水体通过采动裂隙进入井下采掘空间，增加了矿井安全生产风险。投入式液位传感器是监测含水层水位变化的重要设备，在含水层水位快速变化时，投入式液位传感器能够及时将信号分析处理后经监测分站传输至上位机，从而发出预警信号，为矿井水害监测、预防创造条件。

但在实际生产过程中，矿井投入式液位传感器在矿井水位出现较大幅度变化时，仍以某一固定频率进行监测，未能很好的与矿井水位变化相匹配，造成采集数据可靠性不确定、采集数据不及时等缺点，加剧了矿井安全生产的风险。

发明内容

本发明实施例提供一种液位传感器，用以解决采集数据可靠性不确定、采集数据不及时的缺点，降低矿井安全生产的风险。

本发明实施例提供一种液位传感器，包括：

敏感芯片，所述敏感芯片用于监测水位；

上位机，所述上位机与所述敏感芯片电性连接，用于通过所述敏感芯片以预设监测频率监测水位；

单片机，所述单片机同时与所述敏感芯片和所述上位机电性连接，用于获取监测数据，并根据监测数据的平均值以及当前水位情况调整监测频率，将新的监测频率传输至所述上位机。

根据本发明一个实施例的液位传感器，所述液位传感器还包括：自诊断模块和敏感芯片开关；

所述上位机依次通过所述自诊断模块和所述敏感芯片开关与所述敏感芯片电性连接。

根据本发明一个实施例的液位传感器，所述自诊断模块包括：自诊断单元、第一导线和第二导线；

所述自诊断单元与所述第一导线和所述第二导线电性连接，所述第一导线和所述第二导线均位于所述液位传感器中，所述自诊断单元用于检测所述第一导线和所述第二导线间的电阻，以在电阻小于预设电阻时，开启所述敏感芯片开关。

根据本发明一个实施例的液位传感器，所述液位传感器还包括：外部开关；所述上位机通过所述外部开关与所述自诊断模块电性连接。

根据本发明一个实施例的液位传感器，所述液位传感器还包括：放大电路；所述敏感芯片通过所述放大电路与所述单片机电性连接。

根据本发明一个实施例的液位传感器，所述液位传感器还包括：膜片、硅油和壳体；

所述敏感芯片安装在所述壳体内，所述膜片对应所述敏感芯片的位置安装，连接在所述壳体的顶部；所述硅油填充在所述壳体内，位于所述膜片和所述敏感芯片之间。

本发明实施例还提供一种液位传感器监测水位的方法，包括：

以预设监测频率监测水位，获取监测数据；

根据监测数据的平均值以及最新获取的当前水位情况，获取新的监测频率。

根据本发明一个实施例的液位传感器监测水位的方法，所述根据监测数据的平均值以及最新获取的当前水位情况，获取新的监测频率的步骤具体包括：

获取预设数量的监测水位的平均值，以及最新获取的当前水位，调整监测频率，调整后新的监测频率为INT{p/[1+(a-b)/c]}；

其中，p为预设监测频率，a为监测水位的平均值，b为最新获取的当前水位，c为监测水位的平均值与最新获取的当前水位差值的绝对值，INT{p/[1+(a-b)/c]}为p/[1+(a-b)/c]的取整函数。

根据本发明一个实施例的液位传感器监测水位的方法，所述以预设监测频率监测水位，获取监测数据的步骤中还包括：

判断液位传感器所处的液位情况；

若第一导线和第二导线间的电阻低于预设电阻，则打开敏感芯片开关；

若第一导线和第二导线间的电阻大于等于预设电阻，则关闭敏感芯片开关，并向上位机返回报错信息。

根据本发明一个实施例的液位传感器监测水位的方法，所述根据监测数据的平均值以及最新获取的当前水位情况，获取新的监测频率的步骤之后还包括：

将新的监测频率更新至上位机，上位机通过新的监测频率启动敏感芯片。

本发明提供的液位传感器及其监测水位的方法，利用单片机和上位机来控制敏感芯片，根据监测数据的平均值以及当前水位情况调控敏感芯片的监测频率，使得该液位传感器能够根据矿井含水层水位变化趋势与程度自动调整液位传感器的监测频率，确保矿井水害获取数据的及时性，给矿井水位智能监测预警带来巨大的安全效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中液位传感器的结构示意图；

图2是本发明提供的液位传感器的结构示意图；

图3是本发明提供的液位传感器的自调整流程图；

图4是本发明提供的液位传感器监测水位方法的流程示意图；

图中，1、敏感芯片；2、上位机；3、单片机；4、自诊断模块；5、敏感芯片开关；6、外部开关；7、导线；8、壳体；9、膜片；10、硅油；41、第一导线；42、第二导线；100、数据电缆线；200、液体；300、液位传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图2和图3描述本发明实施例提供的液位传感器，该液位传感器包括：

敏感芯片1，敏感芯片用于监测水位。

上位机2，上位机2与敏感芯片1电性连接，上位机2用于通过敏感芯片1以预设监测频率监测水位。

单片机3，单片机3同时与敏感芯片1和上位机2电性连接，单片机3用于获取监测数据，并根据监测数据的平均值以及当前水位情况调整监测频率，将新的监测频率传输至上位机2。

本实施例中，上位机2的控制端与敏感芯片1的被控端电性连接。单片机3的信号接收端与敏感芯片1的信号发送端电性连接，二者通过导线7连接。单片机3的信号输出端与上位机2的信号接收端电性连接。

本实施例中，该液位传感器在工作过程包括以下步骤：

将该液位传感器投入液位之下，钻孔中水压传输至敏感芯片1，转化为含水层水位数值，并将数值传输至上位机2，同时存储在液位传感器的单片机3中。根据含水层受采动影响的程度，初步确定含水层监测频率，此时的监测频率为预设监测频率。上位机2通过敏感芯片1以预设监测频率监测水位。单片机3用于获取监测数据，并根据监测数据的平均值以及当前水位情况调整监测频率，将新的监测频率传输至上位机2，最后上位机通过新的监测频率启动敏感芯片1。

本发明实施例提供的液位传感器，利用单片机和上位机来控制敏感芯片，根据监测数据的平均值以及当前水位情况调控敏感芯片的监测频率，使得该液位传感器能够根据矿井含水层水位变化趋势与程度自动调整液位传感器的监测频率，确保矿井水害获取数据的及时性，给矿井水位智能监测预警带来巨大的安全效益。

通常情况下，当含水层水位降至投入式液位传感器以下时，监测数据上反映出数据不变化，从而造成采矿活动未波及含水层的假象，为指导矿井安全生产决策提供了错误信息，增加了矿井安全生产的风险。液位传感器状态自诊断是判别获取的水位数据可靠性的重要依据，而在观测水位变化时，必须确保液位传感器位于含水层水位之下。

基于此，在本发明提供的一实施例中，如图2和图3所示，液位传感器还包括：自诊断模块4和敏感芯片开关5。上位机2依次通过自诊断模块4和敏感芯片开关5与敏感芯片1电性连接。

其中，自诊断模块4包括：自诊断单元(图未示)、第一导线41和第二导线42。自诊断单元与第一导线41和第二导线42电性连接，第一导线41和第二导线42均位于液位传感器中，自诊断单元用于检测第一导线41和第二导线42间的电阻，以在电阻小于预设电阻时，开启敏感芯片开关5。

为便于控制自诊断模块，液位传感器还包括：外部开关6。上位机2通过外部开关6与自诊断模块4电性连接。外部开关6用于连通电源和自诊断模块4。

打开自诊断模块4后，若第一导线41和第二导线42间的电阻小于预设电阻，例如小于1Ω时，则表明液位传感器位于含水层水位之下，第一导线41和第二导线42通过液体连通，此时上位机获取液位传感器的位置信号，判断出液位传感器位于含水层水位之下，开启敏感芯片开关5，从而敏感芯片1开始工作。

若第一导线41和第二导线42间的电阻大于等于预设电阻，则表明液位传感器位于含水层上，第一导线41和第二导线42断开，上位机获取液位传感器的位置信号，判断出液位传感器位于含水层水位之上，敏感芯片开关5处于关闭状态，从而敏感芯片1处于关闭状态。

其中，为便于监测，该液位传感器还设有放大电路(图未示)。敏感芯片1通过放大电路与单片机3电性连接。放大电路用于放大敏感芯片1的监测信号。

此外，液位传感器还包括：膜片9、硅油10和壳体8。敏感芯片1安装在壳体8内，膜片9对应敏感芯片1的位置安装，膜片9连接在壳体8的顶部。硅油10填充在壳体8内，硅油10位于膜片9和敏感芯片1之间。膜片9可采用不锈钢膜片，受压后通过硅油10传递给敏感芯片1。

本实施例中，液位传感器在工作过程中主要分为四个阶段，分别为：

第一阶段：获取基础数据

将该液位传感器投入液位之下，钻孔中水压传输至敏感芯片1，转化为含水层水位数值，并将数值传输至上位机2，同时存储在液位传感器的单片机3中。根据含水层受采动影响的程度，初步确定含水层监测频率，此时的监测频率为预设监测频率p。

第二阶段：液位传感器状态自诊断

确定监测频率后，上位机2向外部开关6发出指令，唤醒外部开关6。外部开关6启动自诊断模块4，自诊断模块4获取两个外部导线之间的电阻，当电阻小于1Ω时，开启敏感芯片开关5。反之，则向上位机发送报错信息。

第三阶段：液位传感器监测频率自调整

通过敏感芯片1以预设监测频率p获取含水层水位，将信号传输并暂时存储至单片机3。单片机3获取预设数量的监测水位的平均值，例如单片机3存储的20组数据的平均值，单片机3再最新获取的当前水位，根据上述数值调整监测频率，调整后新的监测频率为INT{p/[1+(a-b)/c]}。其中，a为监测水位的平均值，b为最新获取的当前水位，c为监测水位的平均值与最新获取的当前水位差值的绝对值，INT{p/[1+(a-b)/c]}为p/[1+(a-b)/c]的取整函数。

第四阶段：液位传感器监测频率传输至上位机

将监测频率更新至上位机2，上位机2将结合调整后的监测频率再依次通过外部开关6、自诊断模块4和敏感芯片开关5来启动敏感芯片1。

本发明实施例提供的液位传感器，利用单片机和上位机来控制敏感芯片，根据监测数据的平均值以及当前水位情况调控敏感芯片的监测频率，使得该液位传感器能够根据矿井含水层水位变化趋势与程度自动调整液位传感器的监测频率，确保矿井水害获取数据的及时性，给矿井水位智能监测预警带来巨大的安全效益。

此外，区别于上述实施例，本实施例提供的液位传感器增加了状态自诊断、采集周期自调节功能，能够及时判断液位传感器工作状态，为分析液位传感器获取数据的有效性提供重要支撑。

本发明还提供液位传感器监测水位的方法，如图4所示，主要包括如下步骤：

步骤S1：以预设监测频率监测水位，获取监测数据。

步骤S2：根据监测数据的平均值以及最新获取的当前水位情况，获取新的监测频率。

为了能够判断液位传感器的工作状态，步骤S1中还包括：

判断液位传感器所处的液位情况；若第一导线和第二导线间的电阻低于预设电阻，则打开敏感芯片开关；若第一导线和第二导线间的电阻大于等于预设电阻，则关闭敏感芯片开关。

具体地，如图2和图3所示，打开自诊断模块4后，若第一导线41和第二导线42间的电阻小于预设电阻，例如小于1Ω时，则表明液位传感器位于含水层水位之下，第一导线41和第二导线42通过液体连通，开启敏感芯片开关5，从而敏感芯片1开始工作。若第一导线41和第二导线42间的电阻大于等于预设电阻，则表明液位传感器位于含水层上，第一导线41和第二导线42断开，敏感芯片开关5处于关闭状态，从而敏感芯片1处于关闭状态。

其中，步骤S2具体包括：

根据监测数据的平均值以及最新获取的当前水位情况，获取新的监测频率的步骤具体包括：获取预设数量的监测水位的平均值，以及最新获取的当前水位，调整监测频率，调整后新的监测频率为INT{p/[1+(a-b)/c]}。其中，p为预设监测频率，a为监测水位的平均值，b为最新获取的当前水位，c为监测水位的平均值与最新获取的当前水位差值的绝对值，INT{p/[1+(a-b)/c]}为p/[1+(a-b)/c]的取整函数。

如图2和图3所示，在获取了新的监测频率后，可将新的监测频率更新至上位机，上位机通过新的监测频率依次通过外部开关6、自诊断模块4和敏感芯片开关5来启动敏感芯片1。

在一个具体的实施例中，液位传感器在工作过程中主要分为四个阶段，分别为：

第一阶段：获取基础数据

将该液位传感器投入液位之下，钻孔中水压传输至敏感芯片1，转化为含水层水位数值，并将数值传输至上位机2，同时存储在液位传感器的单片机3中。根据含水层受采动影响的程度，初步确定含水层监测频率，此时的监测频率为预设监测频率p。

第二阶段：液位传感器状态自诊断

确定监测频率后，上位机2向外部开关6发出指令，唤醒外部开关6。外部开关6启动自诊断模块4，自诊断模块4获取两个外部导线之间的电阻，当电阻小于1Ω时，开启敏感芯片开关5。反之，则向上位机发送报错信息。

第三阶段：液位传感器监测频率自调整

通过敏感芯片1以预设监测频率p获取含水层水位，将信号传输并暂时存储至单片机3。单片机3获取预设数量的监测水位的平均值，例如单片机3存储的20组数据的平均值，单片机3再最新获取的当前水位，根据上述数值调整监测频率，调整后新的监测频率为INT{p/[1+(a-b)/c]}。其中，a为监测水位的平均值，b为最新获取的当前水位，c为监测水位的平均值与最新获取的当前水位差值的绝对值，INT{p/[1+(a-b)/c]}为p/[1+(a-b)/c]的取整函数。

第四阶段：液位传感器监测频率传输至上位机

将监测频率更新至上位机2，上位机2将结合调整后的监测频率再依次通过外部开关6、自诊断模块4和敏感芯片开关5来启动敏感芯片1。

本发明实施例提供的液位传感器监测水位的方法，利用单片机和上位机来控制敏感芯片，根据监测数据的平均值以及当前水位情况调控敏感芯片的监测频率，使得该液位传感器能够根据矿井含水层水位变化趋势与程度自动调整液位传感器的监测频率，确保矿井水害获取数据的及时性，给矿井水位智能监测预警带来巨大的安全效益。

此外，本实施例提供的方法，增加了状态自诊断、采集周期自调节功能，能够及时判断液位传感器工作状态，为分析液位传感器获取数据的有效性提供重要支撑。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种液位传感器，其特征在于，包括：

敏感芯片，所述敏感芯片用于监测水位；

上位机，所述上位机与所述敏感芯片电性连接，用于通过所述敏感芯片以预设监测频率监测水位；

单片机，所述单片机同时与所述敏感芯片和所述上位机电性连接，用于获取监测数据，并根据监测数据的平均值以及当前水位情况调整监测频率，将新的监测频率传输至所述上位机；

自诊断模块和敏感芯片开关，所述上位机依次通过所述自诊断模块和所述敏感芯片开关与所述敏感芯片电性连接；所述自诊断模块包括：自诊断单元、第一导线和第二导线；所述自诊断单元与所述第一导线和所述第二导线电性连接，所述第一导线和所述第二导线均位于所述液位传感器中，所述自诊断单元用于检测所述第一导线和所述第二导线间的电阻，以在电阻小于预设电阻时，开启所述敏感芯片开关。

2.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征在于，所述液位传感器还包括：外部开关；所述上位机通过所述外部开关与所述自诊断模块电性连接。

3.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征在于，所述液位传感器还包括：放大电路；所述敏感芯片通过所述放大电路与所述单片机电性连接。

4.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征在于，所述液位传感器还包括：膜片、硅油和壳体；

所述敏感芯片安装在所述壳体内，所述膜片对应所述敏感芯片的位置安装，所述膜片连接在所述壳体的顶部；所述硅油填充在所述壳体内，位于所述膜片和所述敏感芯片之间。

5.一种采用权利要求1-4任一项所述的液位传感器监测水位的方法，其特征在于，包括：

以预设监测频率监测水位，获取监测数据；

根据监测数据的平均值以及最新获取的当前水位情况，获取新的监测频率。

6.根据权利要求5所述的液位传感器监测水位的方法，其特征在于，所述根据监测数据的平均值以及最新获取的当前水位情况，获取新的监测频率的步骤具体包括：

获取预设数量的监测水位的平均值，以及最新获取的当前水位，调整监测频率，调整后新的监测频率为INT{p/[1+(a-b)/c]}；

其中，p为预设监测频率，a为监测水位的平均值，b为最新获取的当前水位，c为监测水位的平均值与最新获取的当前水位差值的绝对值，INT{p/[1+(a-b)/c]}为p/[1+(a-b)/c]的取整函数。

7.根据权利要求5所述的液位传感器监测水位的方法，其特征在于，所述以预设监测频率监测水位，获取监测数据的步骤中还包括：

判断液位传感器所处的液位情况；

若第一导线和第二导线间的电阻低于预设电阻，则打开敏感芯片开关；

若第一导线和第二导线间的电阻大于等于预设电阻，则关闭敏感芯片开关，并向上位机返回报错信息。

8.根据权利要求5所述的液位传感器监测水位的方法，其特征在于，所述根据监测数据的平均值以及最新获取的当前水位情况，获取新的监测频率的步骤之后还包括：

将新的监测频率更新至上位机，上位机通过新的监测频率启动敏感芯片。