CN116989652A - 可作为参比电极使用的位移传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可作为参比电极使用的位移传感器及其使用方法，该位移传感器在金属外壳内设置锌块，在锌块与金属外壳之间设置参比电极电位信号采集模块，通过参比电极电位信号采集模块采集锌块与金属外壳之间的电位差，使位移传感器可同时作为参比电极使用；采用该位移传感器进行位移检测时可通过脉冲式负电荷发生器不断的给金属外壳发送负电荷，能有效抑制传感器的金属外壳发生腐蚀，同时对海洋平台的钢结构件形成保护。该传感器将参比电极及位移检测功能集成为一体结构，不但能有效提高传感器的使用寿命，而且而提高系统的集成化程度，方便海洋平台自动化系统的维修、维护。
Description
技术领域
本发明涉及一种位移传感器，特别涉及一种能够同时作为参比电极使用的金属位移传感器以及采用这种位移传感器使用方法。
背景技术
在海洋平台使用过程中，海水会对海洋平台上的水中的钢结构件造成腐蚀，常用的方法是通过阴极保护方式对其进行保护。阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，使被保护结构物成为阴极，进而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。阴极保护系统工作时通过采集放置在水下的参比电极的电位作为参考，调整辅助阳极的输出电流值大小对海洋平台上的钢结构件进行保护。高纯锌参比电极是一种较为常用的参比电极，其结构主要包括金属外壳和设置在金属外壳中的高纯度锌，金属外壳与高纯度锌之间设置绝缘填充物，在使用时以高纯度锌作为基准零电位，其金属外壳与海水中海洋平台上的钢结构件短路连接，金属外壳与高纯度锌之间的电压差即为参比电极的电位。
在海洋平台自动化系统会使用到大量的位移传感器，用于检测液压控制平台立管或其他移动部件的位移情况，实现海洋平台自动化系统的自动化控制，其在海洋平台自动化系统中起着非常重要的作用。但由于海洋环境的腐蚀性，现有海洋平台上使用的位移传感器非常容易损坏，特别是金属壳体的位移传感器需要经常进行更换，由于海洋环境复杂，备件更换难度大、成本高，为海洋平台维修、维护带来很大的困扰，普通的位移传感器越来越难满足海洋平台自动化系统的使用要求。
发明内容
为克服上述现有技术中的不足，本发明的目的是设计开发一种可同时作为参比电极使用的、能有效延长使用寿命位移传感器。
一种可作为参比电极使用的位移传感器，其包括：金属外壳，所述金属外壳内设有锌块，所述金属外壳与所述锌块之间填充有绝缘材料；脉冲式负电荷发生器，所述脉冲式负电荷发生器的输出端与所述金属外壳通过导线连接，所述脉冲式负电荷发生器用于发送包含固定容量负电荷的脉冲信号给所述金属外壳；压差信号采集模块，所述压差信号采集模块连接所述锌块的中心与所述锌块的外周面，所述压差信号采集模块用于采集所述锌块的中心与所述锌块的外周面之间的电压差；参比电极电位信号采集模块，所述参比电极电位信号采集模块连接所述锌块与所述金属外壳，所述参比电极电位信号采集模块用于采集所述金属外壳与所述锌块之间的电位差；控制开关，所述控制开关与所述金属外壳连接，所述控制开关用于控制所述金属外壳与海洋平台上的钢结构件短路或断开；控制模块，所述控制模块与所述脉冲式负电荷发生器、压差信号采集模块、参比电极电位信号采集模块及控制开关连接，所述控制模块控制所述脉冲式负电荷发生器的脉冲频率、宽度及所述控制开关的通断。
优选的，所述金属外壳的材料为外表面镀有铍铜的不锈钢。
优选的，所述脉冲式负电荷发生器包括负电压发生电路、恒电流源电路、IGBT模块、光耦模块、所述负电压发生电路与所述恒电流源电路连接，所述恒电流源电路于所述IGBT模块的集电极连接，所述IGBT模块的栅极通过光耦模块与所述控制模块连接，所述IGBT模块的发射极与所述金属外壳通过导线连接。
优选的，所述压差信号采集模块包括第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一电压跟随器、第二电压跟随器、电压差值比较电路、绝对值电路、信号放大电路及模数转换电路，所述锌块的中心通过第一带通滤波器与第一电压跟随器的输入端连接，所述锌块的外周面通过第二带通滤波器与第二电压跟随器的输入端连接，所述第一电压跟随器、第二电压跟随器的输出端分别与电压差值比较电路的两个输入端连接，所述电压差值比较电路的输出端通过绝对值电路、信号放大电路与所述模数转换电路，所述模数转换电路与所述控制模块连接。
优选的，还包括CAN总线接口，所述CAN总线接口与所述控制模块连接。
本发明还公开了一种上述可作为参比电极使用的位移传感器的使用方法，该位移传感器具有两种检测状态，所述控制器控制该位移传感器在两种检测状态下相互切换；
第一检测状态下使用步骤如下：通过控制器使控制开关闭合，使金属外壳与海洋平台上钢结构件短路，通过控制器采集参比电极电位信号采集模块的输出电压，该电压值即为参比电极的电位；
第二检测状态下使用步骤如下：1）控制器使控制开关断开，控制器发送控制信号给脉冲式负电荷发生器，使脉冲式负电荷发生器发送包含固定容量负电荷的脉冲信号给所述金属外壳，同时控制器实时采集压差信号采集模块输出的电压信号并转换为相应的距离信号；2）控制器使控制开关闭合，使所述金属外壳对海洋平台上钢结构件进行放电；放电完成后，重复步骤1）至步骤2）。
本发明具有如下有益效果：该位移传感器在金属外壳内设置锌块，在锌块与金属外壳之间设置参比电极电位信号采集模块，通过参比电极电位信号采集模块采集锌块与金属外壳之间的电位差，使位移传感器可同时作为参比电极使用；采用该位移传感器进行位移检测时可通过脉冲式负电荷发生器不断的给金属外壳发生负电荷，能有效抑制传感器的金属外壳发生腐蚀，而且脉冲式负电荷发生器产生的负电荷还会通过放电的方式传导给海洋平台上的钢结构件上，对钢结构件形成保护。该传感器将参比电极及位移检测功能集成为一体结构，不但能有效提高传感器的使用寿命，而且而提高系统的集成化程度，方便海洋平台自动化系统的维修、维护。
附图说明
图1为本发明实施例位移传感器的外形图。
图2为本发明实施例位移传感器的结构框图。
图3为本发明实施例中脉冲式负电荷发生器的电路图。
图4为本发明实施例中压差信号采集模块的示意图。
元件标号说明：
1、金属外壳；2、锌块；21、锌块中心；22、锌块外周面；3、脉冲式负电荷发生器；31、负电压发生电路；32、恒电流源电路；33、IGBT模块；34、光耦模块； 4、参比电极电位信号采集模块；5、压差信号采集模块；51、第一带通滤波器；52、第一电压跟随器；53、第二带通滤波器；54第二电压跟随器；55、电压差值比较电路；56、绝对值电路；57、信号放大电路；58、模数转换电路； 6、控制开关；7、海洋平台的钢结构件；8、CAN总线接口；9、控制模块；10绝缘垫片。
实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
如图1、2所示，本发明公开了一种可作为参比电极使用的位移传感器，其包括金属外壳1，在金属外壳1内设有锌块2，金属外壳1与锌块2之间填充有绝缘材料，金属外壳1与锌块2之间绝缘。金属外壳1通过导线与脉冲式负电荷发生器3连接，脉冲式负电荷发生器3用于发送包含固定容量负电荷的脉冲信号给金属外壳。金属外壳1与锌块2之间设有参比电极电位信号采集模块4，参比电极电位信号采集模块4两端分别连接金属外壳1与锌块2，参比电极电位信号采集模块4用于采集金属外壳1与锌块2之间的电位差。锌块中心21与锌块外周面22之间设置有压差信号采集模块5，压差信号采集模块5的两端分别连接锌块中心21与锌块外周面22，压差信号采集模块5用于采集锌块中心21与锌块外周面22之间的电压差信号。
脉冲式负电荷发生器3、压差信号采集模块4、参比电极电位信号5均与控制模块9连接，控制模块9控制脉冲式负电荷发生器3的脉冲频率、宽度。控制模块9还有控制开关6连接，控制开关6一端连接金属外壳1，使用时其另一端连接海洋平台的钢结构件7，控制模块9可使控制开关6导通或者断开，使金属外壳1与海洋平台的钢结构件7连通或断开。
如图3所示，脉冲式负电荷发生器3用于发送包含固定容量负电荷的脉冲信号给金属外壳，脉冲式负电荷发生器3包括负电压发生电路31、恒电流源电路32、IGBT模块33、光耦模块34，负电压发生电路31用于产生负电压，负电压发生电路31与恒电流源电路32连接后可输出恒定的负电流。IGBT模块33的栅极通过光耦模块34与控制模块9连接，光耦模块34起到光电隔离的作用，恒电流源电路32与IGBT模块33的集电极连接， IGBT模块33的发射极与金属外壳1通过导线连接。控制器9可控制IGBT模块33的通断时间，由于恒电流源电路32输出的电流为恒定的电流，因此只要保证IGBT模块33的通断时间一致，就能保证经IGBT模块33的发射极输送固定容量负电荷到金属外壳上。控制模块9可控制IGBT模块33的通断时间的长度，也就能控制脉冲式负电荷发生器3输出脉冲电流信号的脉宽和频率，这样就可进一步控制每个脉冲发送到金属外壳1上的负电荷量。
当固定量的负电荷瞬间充斥到金属外壳1上时，金属外壳1与锌块2之间形成电场，被金属外壳1包围的锌块2的外周面将瞬间产生一定数量的正电荷，而锌块中心必然形成等量的负电荷，此时锌块中心与锌块外周面之间就会形成一定的电压差，该电压差可通过压差信号采集模块4进行采集。当金属外壳1前端有金属物体靠近时，金属外壳上充斥的负电荷会有一部分集中到与该金属物体相对的一端，与靠近的金属物体直接形成电场。由于金属外壳上负电荷数量是固定的，这样金属外壳1与锌块2之间的电场就会相对变弱，锌块中心21与锌块外周面22之间的电压差就会变弱。外部移动的金属物体越靠近金属外壳1，对金属外壳1与锌块2之间形成电场影响越大，锌块中心21与锌块外周面22之间电压差越小，这样通过测量该电压差的减弱程度，采用相应算法可以计算出外部金属物和金属外壳1之间的距离，通过不同时间点的前后比较就可判断出外部金属物的位移。
该位移传感器用在海洋平台自动化系统中，海水虽然具有微弱的导电性，金属外壳上可能会有少量的电荷被海水吸收，但是固定海域的海水的导电率是一定的，位移传感器的外形尺寸和体积也是一定的，所以海水吸收电荷的速率也是一定的，因此只要脉冲式负电荷发生器3充负电荷的脉冲频率快，所充的负电荷量够多，且锌块外周面22和锌块中心21的电压差是瞬间形成的，海水的导电性对实际位移测量所形成的误差就相对较小，可以忽略不计。
压差信号采集模块5设置在锌块中心21与锌块外周面22之间，用于采集锌块中心21与锌块外周面22之间形成的电压差信号。如图4所示，该压差信号采集模块5包括第一带通滤波器51、第一电压跟随器52、第二带通滤波器53、第二电压跟随器54、电压差值比较电路55、绝对值电路56、信号放大电路57及模数转换电路58，锌块中心21通过第一带通滤波器51与第一电压跟随器52的输入端连接，第一带通滤波器51、第一电压跟随器52用于采集锌块中心21的电压。锌块外周面22通过第二带通滤波器53与第二电压跟随器54的输入端连接，第二带通滤波器53、第二电压跟随器54用于采集锌块外周面22的电压，第一电压跟随器52、第二电压跟随器54的输出端分别与电压差值比较电路5的两个输入端连接，由于锌块中心21与锌块外周面22所产生的电压为瞬时电压，设置电压跟随器能保证电压采集的精度。
电压差值比较电路55用于锌块中心21和锌块外周面22电压进行比较并输出电压差值，电压差值比较电路55的输出端通过绝对值电路56、信号放大电路57与模数转换电路58连接，绝对值电路56用于将采集到电压差值转换为正电压，信号放大电路57用于将电压差值进行放大，模数转换电路58用于将放大后的电压差值进行模数转换并发送给控制模块9，控制模块9可根据采集到的电压差值前后变化计算出要检测金属物体的位移。
作为一种优选实施方式，该传感器上还设有CAN总线接口， CAN总线接口与控制模块连接，CAN通信具有抗电磁干扰能力强、传输距离远、传输的信息量大、等优点。并且CAN传输方式，所能挂载的传感器数量庞大，可实现多个传感器信号的集成处理。金属外壳1材料外表面镀有铍铜的316L不锈钢，因海洋生物对传感器及参比电极也具有一定的侵蚀作用，铍铜对海洋生物具有一定的毒性作用，可以杀死附近的海洋生物，延长传感器的使用寿命。该传感器所有的横向水密电缆出头，均采用硫化处理方式，可以达到极好的水密效果。
本专利还公开了一种上述位移传感器使用方法，在使用时该位移传感器通过绝缘垫片10安装在海洋平台的钢结构件7，并使控制开关6的一端与海洋平台的钢结构件7电连接，通过控制开关6的通断实现金属外壳1的连通或断开。该位移传感器两种检测状态，通过控制器9可控制该位移传感器在两种检测状态下相互切换；
第一检测状态为该位移传感器作为参比电极使用时的状态，当位移传感器处于该检测状态时，先通过控制器使控制开关闭合，使金属外壳1与海洋平台的钢结构件7短路，再通过采集参比电极电位信号采集模块4采集金属外壳1与锌块2之间的电位差并发送给控制模块9，该电压值即为参比电极的电位；控制模块9可将该参比电极的电位发送给上位机，这样上位机就可根据参比电极电位控制恒电位仪，使恒电位仪给海洋平台的钢结构件输送阴极保护电流，对海洋平台的钢结构进行保护。
第二检测状态该位移传感器进行位移检测时的状态，当位移传感器处于该检测状态时，先控制模块使控制开关断开，控制模块9发送控制信号给脉冲式负电荷发生器3，使脉冲式负电荷发生器3发送包含固定容量负电荷的脉冲信号给金属外壳，与此同时控制模块9实时采集压差信号采集模块5输出的电压信号并转换为相应的距离信号，压差信号采集模块5的电压信号采集完成后，控制器9使控制开关6闭合，使金属外壳1对海洋平台的钢结构件7放电，使金属外壳1表面电中和，同时金属外壳1释放的负电荷还能对海洋平台的钢结构件7形成阴极保护。不断重复上述步骤，将每次检测的距离进行比较，就可计算出要检测金属移动物的位移大小。
该位移传感器在金属外壳内设置锌块，在锌块与金属外壳之间设置参比电极电位信号采集模块，通过参比电极电位信号采集模块采集锌块与金属外壳之间的电位差，使位移传感器可同时作为参比电极使用；采用该 位移传感器进行位移检测时可通过脉冲式负电荷发生器不断的给金属外壳发生负电荷，能有效抑制传感器的金属外壳发生腐蚀，而且脉冲式负电荷发生器产生的负电荷还会通过放电的方式传导给海洋平台水中的钢结构件上，对钢结构件形成保护。该传感器将参比电极及位移检测功能集成为一体结构，不但能有效提高传感器的使用寿命，而且而提高系统的集成化程度，方便海洋平台自动化系统的维修、维护。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种可作为参比电极使用的位移传感器，其特征在于，其包括：
金属外壳，所述金属外壳内设有锌块，所述金属外壳与所述锌块之间填充有绝缘材料；
脉冲式负电荷发生器，所述脉冲式负电荷发生器的输出端与所述金属外壳通过导线连接，所述脉冲式负电荷发生器用于发送包含固定容量负电荷的脉冲信号给所述金属外壳；
压差信号采集模块，所述压差信号采集模块连接所述锌块的中心与所述锌块的外周面，所述压差信号采集模块用于采集所述锌块的中心与所述锌块的外周面之间的电压差；
参比电极电位信号采集模块，所述参比电极电位信号采集模块连接所述锌块与所述金属外壳，所述参比电极电位信号采集模块用于采集所述金属外壳与所述锌块之间的电位差；
控制开关，所述控制开关与所述金属外壳连接，所述控制开关用于控制所述金属外壳与海洋平台上的钢结构件短路或断开；
控制模块，所述控制模块与所述脉冲式负电荷发生器、压差信号采集模块、参比电极电位信号采集模块及控制开关连接，所述控制模块控制所述脉冲式负电荷发生器的脉冲频率、宽度及所述控制开关的通断。
2.根据权利要求1所述的可作为参比电极使用的位移传感器，其特征在于：所述金属外壳的材料为外表面镀有铍铜的不锈钢。
3.根据权利要求1所述的可作为参比电极使用的位移传感器，其特征在于：所述脉冲式负电荷发生器包括负电压发生电路、恒电流源电路、IGBT模块、光耦模块、所述负电压发生电路与所述恒电流源电路连接，所述恒电流源电路于所述IGBT模块的集电极连接，所述IGBT模块的栅极通过光耦模块与所述控制模块连接，所述IGBT模块的发射极与所述金属外壳通过导线连接。
4.根据权利要求1所述的可作为参比电极使用的位移传感器，其特征在于：所述压差信号采集模块包括第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一电压跟随器、第二电压跟随器、电压差值比较电路、绝对值电路、信号放大电路及模数转换电路，所述锌块的中心通过第一带通滤波器与第一电压跟随器的输入端连接，所述锌块的外周面通过第二带通滤波器与第二电压跟随器的输入端连接，所述第一电压跟随器、第二电压跟随器的输出端分别与电压差值比较电路的两个输入端连接，所述电压差值比较电路的输出端通过绝对值电路、信号放大电路与所述模数转换电路，所述模数转换电路与所述控制模块连接。
5.根据权利要求1所述的可作为参比电极使用的位移传感器，其特征在于：还包括CAN总线接口，所述CAN总线接口与所述控制模块连接。
6.一种权利要求1至5任意一项权利要求所述可作为参比电极使用的位移传感器的使用方法，其特征在于：该位移传感器具有两种检测状态，所述控制器控制该位移传感器在两种检测状态下相互切换；
第一检测状态下使用步骤如下：
通过控制器使控制开关闭合，使金属外壳与海洋平台上钢结构件短路，通过控制器采集参比电极电位信号采集模块的输出电压，该电压值即为参比电极的电位；
第二检测状态下使用步骤如下：
1)控制器使控制开关断开，控制器发送控制信号给脉冲式负电荷发生器，使脉冲式负电荷发生器发送包含固定容量负电荷的脉冲信号给所述金属外壳，同时控制器实时采集压差信号采集模块输出的电压信号并转换为相应的距离信号；
2)控制器使控制开关闭合，使所述金属外壳对海洋平台上钢结构件进行放电；
3)放电完成后，重复步骤1）至步骤2）。
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