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一種超低功耗磁感應(yīng)式浮子水位傳感器及信號處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超低功耗磁感應(yīng)式浮子水位傳感器及信號處理方法，其中浮子式水位傳感器由編碼器、傳動齒輪組、水位計程輪、配重、鋼絲繩、浮子組成，在編碼器的固定碼盤上安裝有3個呈120度角差的磁感應(yīng)干簧管，每個干簧管引出2根信號線，在編碼器的旋轉(zhuǎn)臂的頂端安裝一塊磁鐵，當(dāng)磁鐵經(jīng)過干簧管時，可以使干簧管的2根輸出信號線產(chǎn)生低電平，將數(shù)據(jù)采集器喚醒，通過信號線的邏輯狀態(tài)的比較，得出水位情況。本發(fā)明不僅能夠?qū)崟r感應(yīng)水位變化，將水位變化轉(zhuǎn)換為電脈沖信號傳送給數(shù)據(jù)采集器，使采集器在休眠時不至于錯過重要的水位變化過程，并且功耗低且大部分狀態(tài)下可以以零功耗運(yùn)行，特別適用于野外無交流供電條件下的水位實(shí)時采集。
【專利說明】一種超低功耗磁感應(yīng)式淳子水位傳感器及信號處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超低功耗磁感應(yīng)式浮子水位傳感器及信號處理方法，屬于水文水 利自動化領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 在水文水利自動化領(lǐng)域，水文遙測站用來實(shí)現(xiàn)對原始的水文信息進(jìn)行采集和遠(yuǎn)程 傳輸，這些水文信息包括降雨量、水位、流量等。水文遙測站一般由各種傳感器、數(shù)據(jù)采集 器、遠(yuǎn)程通訊設(shè)備、電源設(shè)備組成。其中傳感器負(fù)責(zé)將水文信息轉(zhuǎn)換為電信號，而數(shù)據(jù)采集 器負(fù)責(zé)采集這些電信號并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的物理量數(shù)值，通過遠(yuǎn)程通訊設(shè)備將這些數(shù)據(jù)發(fā) 送給數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理、分析。
[0003] 目前應(yīng)用于水位測量的傳感器從數(shù)據(jù)的輸出方式上看可以分為2種： 純被動式傳感器：這類水位傳感器測量都需要數(shù)據(jù)采集器主動發(fā)起，自身無法主動發(fā) 起測量，傳感器只有在接收到數(shù)據(jù)采集器發(fā)出的測量命令或電源激勵后，才能進(jìn)行采樣，并 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號輸出給數(shù)據(jù)采集器。目前在水文遙測站中應(yīng)用的水位傳感器絕大多數(shù) 都屬于被動式傳感器。
[0004] 主動式傳感器：這類傳感器自身可以發(fā)起水位測量，并能夠?qū)y量的數(shù)據(jù)主動上 傳給數(shù)據(jù)采集器；也可以接收數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的命令發(fā)起測量，返回測量結(jié)果給數(shù)據(jù)采集 器。
[0005] 水文遙測站往往安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，現(xiàn)場基本無交流供電條件，設(shè)備一般采用蓄電 池和太陽能電池供電，為保證設(shè)備在無日照環(huán)境下工作盡可能長的時間，設(shè)備的運(yùn)行功耗 應(yīng)盡可能低。在實(shí)際應(yīng)用中，水文遙測站的數(shù)據(jù)采集器一般是以一個固定的時間間隔發(fā)起 對水位傳感器的采樣，采集到數(shù)據(jù)后通過遠(yuǎn)程信道發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，然后就進(jìn)入休眠狀態(tài)， 以降低自身的功耗，直到下次采樣時刻到來時再啟動工作。如果水文遙測站采用的是被動 式水位傳感器，那么這種定時采樣的工作方式也決定了在兩次采樣時刻之間，如果水位發(fā) 生大的變化，這個變化的過程是無法被感知和采樣的，因為在這個時間段數(shù)據(jù)采集器是處 于休眠狀態(tài)的。但往往水位發(fā)生突變時可能造成巨大的災(zāi)害，例如夏季暴雨可以導(dǎo)致短時 間內(nèi)山區(qū)洪水暴漲，引起山洪災(zāi)害。如果水文遙測站采用的是主動式傳感器，那么傳感器一 直處于工作狀態(tài)，又會導(dǎo)致設(shè)備整體的功耗增大，在連續(xù)陰雨，太陽能供電不足的狀況下， 蓄電池可支撐設(shè)備持續(xù)工作的時間有限。因此如何在能夠?qū)崟r捕捉水位變化的前提下降低 設(shè)備的功耗一直是野外無交流供電條件下水位測量的一個難題。
[0006] 目前在一些關(guān)鍵的水文遙測站點(diǎn)，為了實(shí)時捕捉水位信息，一般采用光電編碼的 浮子式傳感器。這種傳感器相對采用其它測量原理的傳感器(主要有壓力水位傳感器、雷達(dá) 水位傳感器、超聲波水位傳感器、激光水位傳感器）來說，是唯一一種內(nèi)部可以不包含處理 器的主動式傳感器，因此功耗在所有的主動式傳感器中也是最低的。采用光電編碼的浮子 傳感器內(nèi)部有一套光開關(guān)器件，其測量原理是水位的上升或下降會帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，光開關(guān) 器件輸出的信號會隨之變化，同時有一套光電轉(zhuǎn)換器件將光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，這個 電脈沖信號可以將后端的數(shù)據(jù)采集器從休眠狀態(tài)喚醒，啟動水位采集。這種浮子式水位計 工作時需要提供外部電源，光開關(guān)器件平時一直處于工作狀態(tài)，平均功耗大約在IOOmw左 右，對于野外的水文遙測站點(diǎn)，需要配備大容量的蓄電池以確保在連續(xù)陰雨條件下設(shè)備的 持續(xù)工作時間。
[0007] 在野外無交流供電的條件下，為降低水文遙測站設(shè)備的整體運(yùn)行功耗，數(shù)據(jù)采集 器一般不全速運(yùn)行，而是以一定的時間間隔啟動傳感器采集，在完成采集和遠(yuǎn)程通訊任務(wù) 后進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省功耗。而目前水文遙測站應(yīng)用的絕大部分水位傳感器都屬于被動式 傳感器，在數(shù)據(jù)采集器處于休眠狀態(tài)時，無法采集水位數(shù)據(jù)，這有可能錯過重要的水位變化 過程。目前較為流行的光電編碼浮子式水位傳感器雖然可以主動實(shí)時測量水位，但需要全 速運(yùn)行，通過持續(xù)發(fā)送光信號感知水位變化，因此功耗偏大，安裝在野外的水文遙測站需要 配置較大容量的蓄電池以確保設(shè)備能夠在連續(xù)陰雨條件下可以持續(xù)工作較長時間。但水文 遙測站往往都在交通條件的地區(qū)，大容量蓄電池不方便運(yùn)輸和攜帶。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供了一種超低功耗磁感應(yīng)式浮子水位傳感器及信號處理方法，不僅能夠 實(shí)時感應(yīng)水位變化，將水位變化轉(zhuǎn)換為電脈沖信號傳送給數(shù)據(jù)采集器，使采集器在休眠時 不至于錯過重要的水位變化過程；并且該傳感器平時的最大功耗只有光電編碼浮子式水位 傳感器的1/40左右，且大部分狀態(tài)下可以以零功耗運(yùn)行。因此該傳感器特別適用于野外無 交流供電條件下的水位實(shí)時采集。
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 一種超低功耗磁感應(yīng)式浮子水位傳感器，包括編碼器、傳動齒輪組、水位計程輪、配重、 鋼絲繩和浮子，所述編碼器和傳動齒輪組安裝在浮子水位傳感器的外殼，所述鋼絲繩安裝 在水位計程輪上，鋼絲繩的一端為配重，另一端為浮子； 所述編碼器由一個固定碼盤和一個旋轉(zhuǎn)臂構(gòu)成，所述固定碼盤上安裝有3個呈120度 角度差的磁感應(yīng)干簧管，所述每個磁感應(yīng)干簧管引出2根信號線，從每個磁感應(yīng)干簧管中 各抽出1根信號線，連接在一起作為公共端； 所述旋轉(zhuǎn)臂和固定碼盤平行面對安裝，旋轉(zhuǎn)臂的頂端安裝一塊磁鐵，隨旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動； 所述傳動齒輪組包含2組傳動齒輪和傳動軸，兩個傳動齒輪相哨合，其中1根傳動軸與 旋轉(zhuǎn)臂共軸，另1根傳動軸和水位計程輪共軸；水位上升或下降時，鋼絲繩帶動水位計程輪 轉(zhuǎn)動，水位計程輪帶動同一傳動軸上的傳動齒輪轉(zhuǎn)動，該傳動齒輪又會帶動和旋轉(zhuǎn)臂共軸 的另一傳動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動； 所述磁感應(yīng)干簧管作為公共端的信號線連接到水文遙測站的數(shù)據(jù)采集器的數(shù)字信號 地，另外3根信號線連接到水文遙測站的數(shù)據(jù)采集器的數(shù)字量輸入端口上。
[0010] 前述的數(shù)據(jù)采集器的數(shù)字量輸入端口使用電阻上拉至高電平，并且這些數(shù)字量輸 入端口支持電平中斷。
[0011] 前述的電阻值在ιοιΓιοοκ之間選取。
[0012] 超低功耗磁感應(yīng)式浮子水位傳感器的信號處理方法，包括以下步驟： 1)定義磁感應(yīng)干簧管輸出信號的二進(jìn)制邏輯狀態(tài)表示方式，得到三個磁感應(yīng)干簧管的 二進(jìn)制邏輯狀態(tài)組合，當(dāng)磁感應(yīng)干簧管吸合時的輸出信號用二進(jìn)制0表示，非吸合狀態(tài)時 用-進(jìn)制1表不； 2) 定義旋轉(zhuǎn)臂順時針旋轉(zhuǎn)表示水位下降，逆時針旋轉(zhuǎn)表示水位上升； 3) 水文遙測站的數(shù)據(jù)采集器平時處于休眠狀態(tài)，當(dāng)水位上升或下降時，旋轉(zhuǎn)臂相應(yīng)作 逆時針或順時針轉(zhuǎn)動，從而帶動磁鐵一起轉(zhuǎn)動； 4) 當(dāng)磁鐵經(jīng)過任一磁感應(yīng)干簧管時，會導(dǎo)致磁感應(yīng)干簧管內(nèi)部的簧片吸合，從而導(dǎo)致 該磁感應(yīng)干簧管的2根輸出信號線處于短路狀態(tài)，輸出低電平； 5) 低電平信號使數(shù)據(jù)采集器的處理器對應(yīng)的數(shù)字量輸入端口上產(chǎn)生一個中斷，將數(shù)據(jù) 采集器從休眠狀態(tài)喚醒； 6) 數(shù)據(jù)采集器讀取當(dāng)前3個磁感應(yīng)干簧管輸出信號的二進(jìn)制邏輯狀態(tài)，和上一次的邏 輯狀態(tài)比較，確定旋轉(zhuǎn)臂是順時針運(yùn)動還是逆時針運(yùn)動，進(jìn)而確定水位是上升一個分辨率 單位還是下降一個分辨率單位。
[0013] 前述的水位傳感器分辨率的計算方法為： 相鄰兩個水位信號產(chǎn)生的水位變動的幅度即是該水位傳感器的分辨率，假設(shè)計程輪每 轉(zhuǎn)一圈，編碼器旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)N圈，水位計程輪周長為L，水位傳感器分辨率為R，則R = L / (N X3)。
[0014] 本發(fā)明不需要單獨(dú)供電，完全是靠水位輪旋轉(zhuǎn)觸發(fā)磁感應(yīng)干簧管產(chǎn)生電脈沖信號 喚醒數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行工作，電流的消耗僅僅在后端信號處理電路的一個上拉電阻上，因此 本發(fā)明在功耗水平上大大優(yōu)于光電編碼的主動式傳感器，適合在野外無交流供電的條件下 用于水位測量。本發(fā)明采用的測量原理不僅能夠?qū)崟r捕捉水位變化，并且大大降低了設(shè)備 的運(yùn)行功耗，增強(qiáng)了野外無交流供電條件下設(shè)備的電池續(xù)航能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的浮子水位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的傳感器中編碼器固定碼盤結(jié)構(gòu)及信號線示意圖； 圖3為本發(fā)明的傳感器中編碼器旋轉(zhuǎn)臂和固定碼盤位置示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明的超低功耗磁感應(yīng)式浮子水位傳感器如圖1所示，由編碼器、傳動齒輪組、 水位計程輪2、配重3、鋼絲繩4和浮子5組成，其中，編碼器和傳動齒輪組安裝在浮子水位 傳感器的外殼1，鋼絲繩4安裝在水位計程輪2上，鋼絲繩4的一端為配重3,另一端為浮子 5。傳動齒輪組包含2組傳動齒輪和傳動軸，兩個傳動齒輪相哨合，其中1根傳動軸與旋轉(zhuǎn) 臂共軸，另1根傳動軸和水位計程輪共軸；當(dāng)水位上升或下降時，鋼絲繩4帶動水位計程輪 2轉(zhuǎn)動，水位計程輪2帶動同一傳動軸上的傳動齒輪轉(zhuǎn)動，該傳動齒輪又會帶動和旋轉(zhuǎn)臂共 軸的另一傳動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動。
[0017] 編碼器是本發(fā)明的傳感器的核心部件，由一個固定碼盤和一個旋轉(zhuǎn)臂構(gòu)成， 如圖2所示，固定碼盤上安裝有3個呈120度角差的磁感應(yīng)干簧管，每個干簧管引出2 根信號線，從每個干簧管各抽出1根信號線，連接在一起作為公共端G，其余的信號線分別 記為A、B、C。當(dāng)干簧管受到磁場引力時，干簧管內(nèi)部的簧片被磁場吸引并使該干簧管內(nèi)的 2條信號線短路，而平時這2條信號線處于斷路狀態(tài)。
[0018] 如圖3所示，旋轉(zhuǎn)臂9是一個可以做圓周運(yùn)動的部件，和固定碼盤6平行面對安 裝，旋轉(zhuǎn)臂9由與其共軸的傳動齒輪驅(qū)動，當(dāng)被測水位波動時，傳動齒輪會帶動旋轉(zhuǎn)臂9轉(zhuǎn) 動。旋轉(zhuǎn)臂9的頂端安裝了一塊磁鐵8,磁鐵8隨旋轉(zhuǎn)臂9轉(zhuǎn)動，當(dāng)磁鐵8經(jīng)過磁感應(yīng)干簧 管7時，會導(dǎo)致磁感應(yīng)干簧管7內(nèi)部的簧片吸合，從而導(dǎo)致該磁感應(yīng)干簧管的2根輸出信號 線處于短路狀態(tài)，輸出低電平。
[0019] 本發(fā)明的信號處理方法為： 首先，定義磁感應(yīng)干簧管輸出信號的二進(jìn)制邏輯狀態(tài)表示方式，當(dāng)干簧管吸合時的輸 出信號用二進(jìn)制〇表示，非吸合狀態(tài)時用二進(jìn)制1表示，那么三個干簧管的邏輯狀態(tài)組合用 二進(jìn)制邏輯表示，存在如表1所示的幾種狀態(tài)。
[0020] 表1干簧管邏輯狀態(tài)表

【權(quán)利要求】
1. 一種超低功耗磁感應(yīng)式浮子水位傳感器，其特征在于，包括編碼器、傳動齒輪組、水 位計程輪、配重、鋼絲繩和浮子，所述編碼器和傳動齒輪組安裝在浮子水位傳感器的外殼， 所述鋼絲繩安裝在水位計程輪上，鋼絲繩的一端為配重，另一端為浮子； 所述編碼器由一個固定碼盤和一個旋轉(zhuǎn)臂構(gòu)成，所述固定碼盤上安裝有3個呈120度 角度差的磁感應(yīng)干簧管，所述每個磁感應(yīng)干簧管引出2根信號線，從每個磁感應(yīng)干簧管中 各抽出1根信號線，連接在一起作為公共端； 所述旋轉(zhuǎn)臂和固定碼盤平行面對安裝，旋轉(zhuǎn)臂的頂端安裝一塊磁鐵，隨旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動； 所述傳動齒輪組包含2組傳動齒輪和傳動軸，兩個傳動齒輪相哨合，其中1根傳動軸與 旋轉(zhuǎn)臂共軸，另1根傳動軸和水位計程輪共軸；水位上升或下降時，鋼絲繩帶動水位計程輪 轉(zhuǎn)動，水位計程輪帶動同一傳動軸上的傳動齒輪轉(zhuǎn)動，該傳動齒輪又會帶動和旋轉(zhuǎn)臂共軸 的另一傳動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動； 所述磁感應(yīng)干簧管作為公共端的信號線連接到水文遙測站的數(shù)據(jù)采集器的數(shù)字信號 地，另外3根信號線連接到水文遙測站的數(shù)據(jù)采集器的數(shù)字量輸入端口上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超低功耗磁感應(yīng)式浮子水位傳感器，其特征在于，所述 數(shù)據(jù)采集器的數(shù)字量輸入端口使用電阻上拉至高電平，并且所述數(shù)字量輸入端口支持電平 中斷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超低功耗磁感應(yīng)式浮子水位傳感器，其特征在于，所述 電阻值在lOflOOK之間選取。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3中任意一項所述的超低功耗磁感應(yīng)式浮子水位傳感器的信號處 理方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 定義磁感應(yīng)干簧管輸出信號的二進(jìn)制邏輯狀態(tài)表示方式，得到三個磁感應(yīng)干簧管的 二進(jìn)制邏輯狀態(tài)組合，當(dāng)磁感應(yīng)干簧管吸合時的輸出信號用二進(jìn)制〇表示，非吸合狀態(tài)時 用-進(jìn)制1表不； 2) 定義旋轉(zhuǎn)臂順時針旋轉(zhuǎn)表示水位下降，逆時針旋轉(zhuǎn)表示水位上升； 3) 水文遙測站的數(shù)據(jù)采集器平時處于休眠狀態(tài)，當(dāng)水位上升或下降時，旋轉(zhuǎn)臂相應(yīng)作 逆時針或順時針轉(zhuǎn)動，從而帶動磁鐵一起轉(zhuǎn)動； 4) 當(dāng)磁鐵經(jīng)過任一磁感應(yīng)干簧管時，會導(dǎo)致磁感應(yīng)干簧管內(nèi)部的簧片吸合，從而導(dǎo)致 該磁感應(yīng)干簧管的2根輸出信號線處于短路狀態(tài)，輸出低電平； 5) 低電平信號使數(shù)據(jù)采集器的處理器對應(yīng)的數(shù)字量輸入端口上產(chǎn)生一個中斷，將數(shù)據(jù) 采集器從休眠狀態(tài)喚醒； 6) 數(shù)據(jù)采集器讀取當(dāng)前3個磁感應(yīng)干簧管輸出信號的二進(jìn)制邏輯狀態(tài)，和上一次的邏 輯狀態(tài)比較，確定旋轉(zhuǎn)臂是順時針運(yùn)動還是逆時針運(yùn)動，進(jìn)而確定水位是上升一個分辨率 單位還是下降一個分辨率單位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的信號處理方法，其特征在于，所述水位傳感器分辨率的計算 方法為： 相鄰兩個水位信號產(chǎn)生的水位變動的幅度即是該水位傳感器的分辨率，假設(shè)計程輪每 轉(zhuǎn)一圈，編碼器旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)N圈，水位計程輪周長為L，水位傳感器分辨率為R，則R = L / (N X3)。
【文檔編號】G01F23/72GK104236677SQ201410422869
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】熊光亞, 黃磊, 李延軍, 薛升寧 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院, 南京南瑞集團(tuán)公司