CN207439502U - 一种基于摩擦电感应的水位传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于摩擦电感应的水位传感器，包括内部密封水位传感部件、信号测量调理电路、信号控制系统和上位机；所述内部密封水位传感部件依次与信号测量调理电路、信号控制系统和上位机相连；所述内部密封水位传感部件由聚四氟乙烯薄膜、电极阵列和导线组成，所述电极阵列包括多个沿硬质板高度方向并列的电极单元。本实用新型的内部密封水位传感部件与海水构成电流、电压信号发生器，通过导线将内部摩擦纳米发电机的感应信号传至信号测量调理电路，经过信号控制系统检测，在上位机中相应水位处显示电压曲线信号。并将水位升降波动转换为电压曲线信号输出，根据其电压曲线信号的正负性可以判断水位的升降。
Description
技术领域
本实用新型涉及海工装备智能传感领域，尤其涉及一种用于水位传感和波浪传感的基于摩擦电感应的水位传感器。
背景技术
随着智能海洋科技的建设发展，船舶以及海工装备越来越需要实时的智能感知数据。海水与船舶、海工装备相互作用产生的动态水位信息，对于船舶航行安全、海工装备稳定性等具有重要的作用，是船舶、海工装备智能感知的重要组成部分。目前通常采用超声波、雷达等手段对船舶、海工装备进行水位探测，但是这些设备成本高，且不能精确提供海水与船体、海工装备表面相互作用产生的动态波浪信息。
实用新型内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本实用新型要提供一种能够提供动态水位信息，且成本低、耐腐蚀、自驱动的基于摩擦电感应的水位传感器。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：
一种基于摩擦电感应的水位传感器，包括内部密封水位传感部件、信号测量调理电路、信号控制系统和上位机，所述内部密封水位传感部件密封在硬质板上；所述的信号测量调理电路通过信号输出线与内部密封水位传感部件相连；信号测量调理电路与信号控制系统连接；所述信号控制系统与上位机相连；所述硬质板垂直置于海水中；
所述内部密封水位传感部件由聚四氟乙烯薄膜、电极阵列和导线组成，所述电极阵列包括多个沿硬质板高度方向并列的双电极单元，所述双电极单元由两支沿硬质板高度方向并列的电极及一个电阻组成，两支电极之间留有空隙，两支电极之间连接电阻；所述电极沿硬质板宽度方向呈长条状，并粘贴于聚四氟乙烯薄膜表面；所述双电极单元之间留有空隙；所述双电极单元通过信号输出线与信号测量调理电路连接。
本实用新型的另一个技术方案是：
一种基于摩擦电感应的水位传感器，包括内部密封水位传感部件、信号测量调理电路、信号控制系统和上位机，所述内部密封水位传感部件密封在硬质板上；所述的信号测量调理电路通过信号输出线与内部密封水位传感部件相连；信号测量调理电路与信号控制系统连接；所述信号控制系统与上位机相连；所述硬质板垂直置于海水中；
所述内部密封水位传感部件由聚四氟乙烯薄膜、电极阵列和导线组成，所述电极阵列包括多个沿硬质板高度方向并列的单电极单元，所述单电极单元由一支电极及一个电阻组成，所述电极与电阻串联；所述电极沿硬质板宽度方向呈长条状，并粘贴于聚四氟乙烯薄膜表面；所述单电极单元之间留有空隙；所述单电极单元通过信号输出线与信号测量调理电路连接；所述电阻的一端连接电极，另一端接于岸基、船体或者海工装备。
进一步地，所述电极为金属电极；所述硬质板为绝缘材料板。
进一步地，所述电极为铜电极或铝电极；所述硬质板为亚克力板。
进一步地，所述电极阵列位于聚四氟乙烯薄膜与硬质板之间。
进一步的，所述内部密封水位传感部件直接粘贴于海工设备的外壳表面，去掉硬质板。
进一步地，所述的信号测量调理电路包括放大滤波装置、信号调理装置和电压比较器，所述的放大滤波装置输入端与电极单元连接、输出端经信号调理装置和电压比较器后与信号控制系统连接，所述信号控制系统包括多个微控制单元，所述信号控制系统与上位机相连。
进一步地，所述的上位机按以下步骤进行数据处理：
A、计时开始，令时间变量t＝1，并令水位变量s＝0000；
B、水位变量s进入上位机后，每接收一次信号测量调理电路的水位信号时，令时间变量t＝t+1，并给通过上位机更新水位变量s；
C、根据水位变量s的不同情况计算水位参数wl；
D、换算成实际水位数据。上位机界面实时显示水位随时间变化曲线；
E、返回步骤B直至程序终止。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
1、本实用新型的内部密封水位传感部件与海水构成电流、电压信号发生器，其工作原理为摩擦纳米发电机的固液接触带电工作原理，内部密封水位传感部件经过密封处理，通过导线将内部摩擦纳米发电机的感应信号传至电阻，电阻将电流信号转换放大为电压信号输出，经过信号控制系统检测，在上位机中相应水位处显示电压曲线信号。并将水位升降波动转换为电压曲线信号输出，根据其电压曲线信号的正负性可以判断水位的升降。
2、本实用新型应用于水位传感，其信号输出是通过海水与高分子材料表面接触带电激发的，在内部密封水位传感部件处无需外加电源，且信号输出准时稳定，是一种高稳定性的水位传感装置和波浪传感装置。可以应用于港口水位监测、船体水位以及波浪监测等。为实现海洋智能化、船舶智能化、数据化提供了关键的数据解决方案。为推动“透明海洋”的经济建设做出了重要贡献。
3、本实用新型的水位传感器大多采用高分子材料，相对于其他金属传感器价格低廉；本发明的电极阵列密封于水位传感部件中，在水位传感部件处不容易被腐蚀。
附图说明
图1为双电极基于摩擦电感应的水位传感器水位传感部件示意图。
图2为单电极基于摩擦电感应的水位传感器水位传感部件示意图。
图3为双电极基于摩擦电感应的水位传感器侧视图。
图4为双电极基于摩擦电感应的水位传感器电荷转移原理图。
图5为单电极基于摩擦电感应的水位传感器侧视图。
图6为单电极式水位计电子转移示意图。
图7为水位计测量布置示意图。
图8为基于摩擦电感应的水位传感器测量布置总体图。
图9为基于摩擦电感应的水位传感器用于监测船舶水位示意图。
图10为水位测量电路图。
图11为上位机计算水位流程图。
图中：1、聚四氟乙烯薄膜；2、电极；3、导线；4、电阻、11、海水；12、内部密封水位传感部件；13、信号输出线；14、信号测量调理电路；15、信号控制系统；16、上位机；17、船体。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
如图1、3、4、7‐11所示，一种基于摩擦电感应的水位传感器，包括内部密封水位传感部件12、信号测量调理电路14、信号控制系统15和上位机16，所述内部密封水位传感部件12密封在硬质板上；所述的信号测量调理电路14通过信号输出线13与内部密封水位传感部件12相连；信号测量调理电路14与信号控制系统15连接；所述信号控制系统15与上位机16相连；所述硬质板垂直置于海水11中；
所述内部密封水位传感部件12由聚四氟乙烯薄膜1、电极阵列和导线3组成，所述电极阵列包括多个沿硬质板高度方向并列的双电极单元，所述双电极单元由两支沿硬质板高度方向并列的电极2及一个电阻4组成，两支电极2之间留有空隙，两支电极2之间连接电阻4；所述电极2沿硬质板宽度方向呈长条状，并粘贴于聚四氟乙烯薄膜1表面；所述双电极单元之间留有空隙；所述双电极单元通过信号输出线13与信号测量调理电路14连接。
本实用新型的另一个技术方案是：
如图2、5、6‐11所示，一种基于摩擦电感应的水位传感器，包括内部密封水位传感部件12、信号测量调理电路14、信号控制系统15和上位机16，所述内部密封水位传感部件12密封在硬质板上；所述的信号测量调理电路14通过信号输出线13与内部密封水位传感部件12相连；信号测量调理电路14与信号控制系统15连接；所述信号控制系统15与上位机16相连；所述硬质板垂直置于海水11中；
所述内部密封水位传感部件12由聚四氟乙烯薄膜1、电极阵列和导线3组成，所述电极阵列包括多个沿硬质板高度方向并列的单电极单元，所述单电极单元由一支电极2及一个电阻4组成，所述电极2与电阻4串联；所述电极2沿硬质板宽度方向呈长条状，并粘贴于聚四氟乙烯薄膜1表面；所述单电极单元之间留有空隙；所述单电极单元通过信号输出线13与信号测量调理电路14连接；所述电阻4的一端连接电极2，另一端接于岸基、船体17或者海工装备。
进一步地，所述电极2为金属电极；所述硬质板为绝缘材料板。
进一步地，所述电极2为铜电极或铝电极；所述硬质板为亚克力板。
进一步地，所述电极阵列位于聚四氟乙烯薄膜1与硬质板之间。
如图7所示，所述内部密封水位传感部件12直接粘贴于海工设备的外壳表面，去掉硬质板。
如图10所示，所述的信号测量调理电路14包括放大滤波装置、信号调理装置和电压比较器，所述的放大滤波装置输入端与电极单元连接、输出端经信号调理装置和电压比较器后与信号控制系统15连接，所述信号控制系统15包括多个微控制单元，所述信号控制系统15与上位机16相连。
如图11所示，所述的上位机16按以下步骤进行数据处理：
A、计时开始，令时间变量t＝1，并令水位变量s＝0000；
B、水位变量s进入上位机16后，每接收一次信号测量调理电路14的水位信号时，令时间变量t＝t+1，并给通过上位机16更新水位变量s；
C、根据水位变量s的不同情况计算水位参数wl；
D、换算成实际水位数据。上位机16界面实时显示水位随时间变化曲线；
E、返回步骤B直至程序终止。
下面结合附图对本实用新型作进一步地说明。
如图7‐9所示，本实用新型的内部密封水位传感部件12可以垂直附着于海洋港口、海工装备以及船舶表面，并与海水11接触，用于水位监测以及波浪监测。如图9所示，本实用新型应用于船舶时，内部密封水位传感部件12封装于船体17上，用于船体17水位监测。
图10所示为水位测量电路图，所述信号测量调理电路14包括放大滤波装置、信号调理装置和电压比较器三个模块，所述放大滤波装置将水位电势差信号做适当放大并滤除杂波。所述信号调理装置由多个集成运算构成，将水位电势差信号调整到合适的电压范围内。
所述电压比较器由施密特触发器与集成运放电路组成，所述施密特触发器将模拟信号转化为正负饱和电压，再经过集成运放调整为0‐5V的标准数字量信号传输到信号控制系统15中。
所述信号控制系统15由多个微控制单元构成，所述微控制单元数量取决于内部密封水位传感部件12中电极单元的数量。
所述微控制单元数量为电极单元数量的1/16。
所述微控制单元为单片机，所述单片机的P0引脚与P1引脚的每一位与信号测量调理电路14输出的数字量相连。P2引脚与P3引脚的每一位将水位信号整理为长度N的一组水位变量s实时上传给上位机16。
本实用新型的工作方法如下：
聚四氟乙烯薄膜1与海水11接触产生电压信号，经过电极单元(包括双电极单元或单电极单元)输入信号测量调理电路14，经过放大、滤波、调理后进入电压比较器。电压比较器由施密特触发器与信号运算电路构成，施密特触发器将水位模拟信号转化为正负饱和电压信号，再经过信号运算电路转化为标准的数字量信号。之后多路电极单元中的水位信号进入信号控制系统15中的微控制单元，将其定义为长度N的一组水位变量s向上传送给上位机16进行处理。
本实用新型的工作原理是利用海水11和聚四氟乙烯薄膜1的接触带电原理。
聚四氟乙烯薄膜1表面由于和海水11接触而带电，在聚四氟乙烯薄膜1上形成的纳米线使其具有疏水性，并且增加了表面积。由于波动的海水11在上升和下降的过程中，聚四氟乙烯薄膜1表面电荷的不对称性，该过程引起自由电子在电极2两端通过一个电阻4转移，从而导致信号测量调理电路14电流和电压信号输出。
由于其电流数值较小，在信号测量调理电路14中加入电阻4，通过信号控制系统15测量电阻4两端的电压，如果有电压值的波动，说明水位到达该处。通过电压值的正负性可以判断出水位的上升和下降，从而实现水位监测。这就是基于摩擦电感应的水位传感器的基本原理。
Claims (7)
1.一种基于摩擦电感应的水位传感器，其特征在于：包括内部密封水位传感部件(12)、信号测量调理电路(14)、信号控制系统(15)和上位机(16)，所述内部密封水位传感部件(12)密封在硬质板上；所述的信号测量调理电路(14)通过信号输出线(13)与内部密封水位传感部件(12)相连；信号测量调理电路(14)与信号控制系统(15)连接；所述信号控制系统(15)与上位机(16)相连；所述硬质板垂直置于海水(11)中；
所述内部密封水位传感部件(12)由聚四氟乙烯薄膜(1)、电极阵列和导线(3)组成，所述电极阵列包括多个沿硬质板高度方向并列的双电极单元，所述双电极单元由两支沿硬质板高度方向并列的电极(2)及一个电阻(4)组成，两支电极(2)之间留有空隙，两支电极(2)之间连接电阻(4)；所述电极(2)沿硬质板宽度方向呈长条状，并粘贴于聚四氟乙烯薄膜(1)表面；所述双电极单元之间留有空隙；所述双电极单元通过信号输出线(13)与信号测量调理电路(14)连接。
2.一种基于摩擦电感应的水位传感器，其特征在于：包括内部密封水位传感部件(12)、信号测量调理电路(14)、信号控制系统(15)和上位机(16)，所述内部密封水位传感部件(12)密封在硬质板上；所述的信号测量调理电路(14)通过信号输出线(13)与内部密封水位传感部件(12)相连；信号测量调理电路(14)与信号控制系统(15)连接；所述信号控制系统(15)与上位机(16)相连；所述硬质板垂直置于海水(11)中；
所述内部密封水位传感部件(12)由聚四氟乙烯薄膜(1)、电极阵列和导线(3)组成，所述电极阵列包括多个沿硬质板高度方向并列的单电极单元，所述单电极单元由一支电极(2)及一个电阻(4)组成，所述电极(2)与电阻(4)串联；所述电极(2)沿硬质板宽度方向呈长条状，并粘贴于聚四氟乙烯薄膜(1)表面；所述单电极单元之间留有空隙；所述单电极单元通过信号输出线(13)与信号测量调理电路(14)连接；所述电阻(4)的一端连接电极(2)，另一端接于岸基、船体(17)或者海工装备。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于摩擦电感应的水位传感器，其特征在于：所述电极(2)为金属电极；所述硬质板为绝缘材料板。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于摩擦电感应的水位传感器，其特征在于：所述电极(2)为铜电极或铝电极；所述硬质板为亚克力板。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于摩擦电感应的水位传感器，其特征在于：所述电极阵列位于聚四氟乙烯薄膜(1)与硬质板之间。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于摩擦电感应的水位传感器，其特征在于：所述内部密封水位传感部件(12)直接粘贴于海工设备的外壳表面，去掉硬质板。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于摩擦电感应的水位传感器，其特征在于：所述的信号测量调理电路(14)包括放大滤波装置、信号调理装置和电压比较器，所述的放大滤波装置输入端与电极单元连接、输出端经信号调理装置和电压比较器后与信号控制系统(15)连接，所述信号控制系统(15)包括多个微控制单元，所述信号控制系统(15)与上位机(16)相连。
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| CN201721598665.2U CN207439502U (zh) | 2017-11-23 | 2017-11-23 | 一种基于摩擦电感应的水位传感器 |
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| CN201721598665.2U CN207439502U (zh) | 2017-11-23 | 2017-11-23 | 一种基于摩擦电感应的水位传感器 |
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| CN207439502U true CN207439502U (zh) | 2018-06-01 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107782406A (zh) * | 2017-11-23 | 2018-03-09 | 大连海事大学 | 一种基于摩擦电感应的水位传感器 |
| CN111307247A (zh) * | 2019-02-26 | 2020-06-19 | 北京纳米能源与系统研究所 | 自供能水位监测装置和监测方法 |
-
2017
- 2017-11-23 CN CN201721598665.2U patent/CN207439502U/zh not_active Expired - Fee Related
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