專利名稱：電容式柔性電子水尺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容式柔性電子水尺?！?br> 背景技術(shù)：
目前，現(xiàn)有技術(shù)的液位測(cè)量工具有電容式液位計(jì)、電子水尺或電極式液位計(jì)；存在以下缺陷
I、電容式液位計(jì)由于測(cè)量原理的局限，高精度電容式液位計(jì)的量程都很小，不能滿足大量程的需要。2、電子水尺的測(cè)量依靠電極與水面的接觸進(jìn)行測(cè)量，分辨力越高或量程越大，電極的數(shù)量就越多，增大量程困難。電子水尺的尺體都由剛性材料制成，受運(yùn)輸條件的限制，電子水尺的單體長(zhǎng)度都很短。3，在許多應(yīng)用場(chǎng)合，水位測(cè)量通道既彎曲且水位量程大，使得電容式液位計(jì)和電子水尺無(wú)法使用。

發(fā)明內(nèi)容
目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種電容式柔性電子水尺，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，分辨力高、累計(jì)誤差小、水位量程大、電子水尺可以彎卷，利用柔性電容極板作為傳感元件，電容極板既用于模擬測(cè)量又用于數(shù)字測(cè)量，電容極板的模擬測(cè)量得到高分辨力，電容極板的數(shù)字測(cè)量減小累計(jì)誤差，采用柔性材料作為尺體。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種電容式柔性電子水尺，其特征在于包括作為傳感元件的柔性尺體和處理電路；所述柔性尺體包括多個(gè)成排設(shè)置的柔性電容極板和嵌入在多個(gè)柔性電容極板內(nèi)的水尺支撐體，用于提高尺體的強(qiáng)度和防止電子水尺長(zhǎng)度方向尺寸伸縮產(chǎn)生誤差；所述柔性電容極板和處理電路通過(guò)電路連接，用于實(shí)現(xiàn)水位測(cè)量的功能。所述柔性尺體為兩排相鄰柔性電容極板交錯(cuò)排列結(jié)構(gòu)，用于防止相鄰兩柔性電容極板過(guò)渡時(shí)模擬數(shù)值的間斷，使模擬數(shù)值和數(shù)字?jǐn)?shù)值能夠平滑交接。所述柔性電容極板為能夠彎卷的柔性非金屬材料覆金屬薄膜結(jié)構(gòu)。所述水尺支撐體為加強(qiáng)芯結(jié)構(gòu)。所述處理電路由低功耗微處理器組成。所述柔性尺體兼具作為模擬參數(shù)測(cè)量極板和作為數(shù)字參數(shù)的測(cè)量電極的功能。有益效果本發(fā)明提供的電容式柔性電子水尺，具有如下優(yōu)點(diǎn)1、具有分辨力高、累計(jì)誤差小、量程大、可卷彎便于運(yùn)輸和便于在彎曲環(huán)境使用的明顯優(yōu)點(diǎn)，它既具備了模擬測(cè)量高分辨力的優(yōu)點(diǎn)，又具有數(shù)字測(cè)量累計(jì)誤差小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠彎卷具有方便運(yùn)輸和能夠在彎曲通道使用的優(yōu)點(diǎn)，解決了大量程、高分辨力、低測(cè)量誤差、彎曲通道液位測(cè)量的問(wèn)題。2、柔性電容極板制成的大量程電容式柔性電子水尺，屬于模擬測(cè)量與數(shù)字測(cè)量的有機(jī)結(jié)合，它充分利用電容極板的物理特性進(jìn)行模擬測(cè)量，使得電容極板既是數(shù)字電極，又是
3模擬極板，不僅減少電容極板的數(shù)量，同時(shí)提高了測(cè)量分辨力。3、柔性電子水尺的電容極板、尺體均采用柔性材料制成，尺體內(nèi)嵌入加強(qiáng)芯用于提高尺體的強(qiáng)度，防止尺體長(zhǎng)度尺寸的伸縮。電子水尺可以彎卷，不僅方便運(yùn)輸，又可以在彎曲通道使用。4、運(yùn)用范圍廣尤其適用于水利、地質(zhì)、海洋等領(lǐng)域的水位檢測(cè)。高分辨力大量程柔性電子水尺幾乎可以替代現(xiàn)有的任何水位計(jì)。5、由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低、可靠性高，使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值都非常明顯。


圖I為本發(fā)明中柔性電容極板的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的工作原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明為一種電容式柔性電子水尺，包括作為傳感元件的柔性尺體10和處理電路；所述柔性尺體10包括多個(gè)成排設(shè)置的柔性電容極板20和嵌入在多個(gè)柔性電容極板內(nèi)的水尺支撐體，用于提高尺體的強(qiáng)度和防止電子水尺長(zhǎng)度方向尺寸伸縮產(chǎn)生誤差；所述柔性電容極板20和處理電路通過(guò)電路連接，用于實(shí)現(xiàn)水位測(cè)量的功能。所述柔性尺體10為兩排相鄰柔性電容極板20交錯(cuò)排列結(jié)構(gòu)，用于防止相鄰兩柔性電容極板20過(guò)渡時(shí)模擬數(shù)值的間斷，使模擬數(shù)值和數(shù)字?jǐn)?shù)值能夠平滑交接。所述柔性電容極板20為能夠彎卷的柔性非金屬材料覆金屬薄膜結(jié)構(gòu)；所述水尺支撐體為加強(qiáng)芯結(jié)構(gòu)；所述處理電路由低功耗微處理器組成；所述柔性尺體10兼具作為模擬參數(shù)測(cè)量極板和作為數(shù)字參數(shù)的測(cè)量電極的功能。一、傳感電容其電容極板由柔性非金屬材料覆金屬膜制成，保證了電子水尺的柔性。由電容測(cè)量的高分辨力性質(zhì)，保證了電子水尺的高分辨力
二、模擬測(cè)量在模擬測(cè)量中，電容極板是一個(gè)面，電容極板進(jìn)入水中時(shí)，入水深度不同，電容極板與水形成的電容就不同，通過(guò)測(cè)量電容極板與水形成的電容值換算入水深度。模擬測(cè)量保證了測(cè)量的高分辨力。三、數(shù)字測(cè)量在數(shù)字測(cè)量中，電容極板是一個(gè)點(diǎn)，水面電容極板進(jìn)入水中時(shí)，由前面浸沒(méi)與水中電容極板的個(gè)數(shù)確定水位的整數(shù)數(shù)值。由于電容極板的位置精度是由加工的機(jī)械精度確定的，不存在間接轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換誤差，從而保證了低累計(jì)誤差。四、交錯(cuò)排列相鄰兩電容極板交錯(cuò)排列，可以防止相鄰兩電容極板過(guò)渡時(shí)模擬數(shù)值的間斷，使模擬數(shù)值和數(shù)字?jǐn)?shù)值能夠平滑交接。當(dāng)其中某個(gè)電容極板損壞時(shí)，與損壞電容極板相鄰的2個(gè)電容極板仍然可以完成損壞電容極板的工作。五、參考電容利用電容傳感的原理測(cè)量液位，測(cè)量精度受液體和絕緣體介電常數(shù)、環(huán)境溫度、電器參數(shù)等影響，通過(guò)相同環(huán)境的、確定長(zhǎng)度的電容就可以消除這些誤差。由于每個(gè)電容極板的面積是已知的，上一個(gè)淹沒(méi)電容極板與當(dāng)前的水面電容極板距離最近，這2個(gè)電容極板的各項(xiàng)參數(shù)最接近，利用上一個(gè)淹沒(méi)電容極板作為參考電容，保證了當(dāng)前水面電容極板電容值的測(cè)量精度。六、柔性尺體水尺支撐體由柔性非金屬材料內(nèi)嵌柔性加強(qiáng)芯制成,既可以保證電子水尺的柔性，又可防止電子水尺長(zhǎng)度方向尺寸誤差。柔性的尺體可以卷彎，便于運(yùn)輸，水位測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)直接展開(kāi)使用，無(wú)需二次拼接。同時(shí)柔性的尺體也可在測(cè)量通道彎曲場(chǎng)合使用。本發(fā)明的工作原理如下
I、電容極板交錯(cuò)排列及其冗余糾錯(cuò)
相鄰兩電容極板交錯(cuò)排列，可以防止相鄰兩電容極板過(guò)渡時(shí)模擬數(shù)值的間斷，使模擬數(shù)值和數(shù)字?jǐn)?shù)值能夠平滑交接。如圖I所不,水面處于3號(hào)電容極板位置時(shí)，當(dāng)水面低于3號(hào)電容極板1/2時(shí),2號(hào)電容極板和3號(hào)電容極板同時(shí)處于可測(cè)量的未飽和電容值位置，當(dāng)水面高于3號(hào)電容極板1/2時(shí)，3號(hào)電容極板和4號(hào)電容極板同時(shí)處于可測(cè)量的未飽和電容值位置。這就是說(shuō)在同一時(shí)刻總有2個(gè)電容極板同時(shí)處于可測(cè)量的未飽和電容值位置，當(dāng)其中某個(gè)電容極板損壞時(shí)，與損壞電容極板相鄰的2個(gè)電容極板仍然可以完成損壞電容極板的工作。即使電容極板沒(méi)有損壞，同時(shí)有2個(gè)電容極板參與測(cè)量也可以將2個(gè)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，判斷測(cè)量結(jié)果的合理性。2、參考電容
利用電容傳感的原理測(cè)量液位，測(cè)量精度受液體和絕緣體介電常數(shù)、環(huán)境溫度、電器參數(shù)等影響，通過(guò)相同環(huán)境的、確定長(zhǎng)度的電容值就可以消除這些誤差。如圖2所示，當(dāng)水面高于3號(hào)電容極板1/2時(shí)，3號(hào)電容極板和4號(hào)電容極板同時(shí)處于可測(cè)量的未飽和電容值位置，即電容C3和C4都可以測(cè)量水位的高度。此時(shí)I號(hào)電容極板和2電容極板處于完全浸沒(méi)狀態(tài)，即電容極板的的高度就是已知的，電容值C1=C2。I號(hào)電容極板和2電容極板也是距離3號(hào)電容極板和4電容極板最近的電容極板，Cl和C2電容極板的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)與C3和C4最為接近。測(cè)量前首先將通過(guò)Kl將Cl的測(cè)量端與測(cè)量電路的B端相連，通過(guò)K2和KS將C2的測(cè)量端與測(cè)量電路的A端相連，此時(shí)測(cè)得的電容值為Cl、C2的串聯(lián)值。由于C1、C2電容極板的高度是已知的，C3、C4的環(huán)境參數(shù)可以通過(guò)C1、C2參數(shù)獲得，此時(shí)C1、C2就是C3、C4的參考電容。3、水位模擬數(shù)值的測(cè)量
測(cè)量C3時(shí)通過(guò)K2將C2的測(cè)量端與測(cè)量電路的B端相連，通過(guò)K3和KS將C3的測(cè)量端與測(cè)量電路的A端相連，此時(shí)測(cè)得的電容值為C2、C3的串聯(lián)值；測(cè)量C4時(shí)通過(guò)K2將C2的測(cè)量端與測(cè)量電路的B端相連，通過(guò)K4和KS將C4的測(cè)量端與測(cè)量電路的A端相連，此時(shí)測(cè)得的電容值為C2、C4的串聯(lián)值。4、水位數(shù)字?jǐn)?shù)值的測(cè)量
通過(guò)C2、C3、C4電容值的判斷可以知道C2的電容極板處于完全浸沒(méi)狀態(tài)，因此可以知道水位處于電容極板2的數(shù)字高度值。由于電子水尺的電極尺寸是機(jī)械加工確定，不存在轉(zhuǎn)換誤差，累計(jì)誤差小。5、水位的合理性判斷與電極的冗余互補(bǔ)
通過(guò)C3、C4都可以得到當(dāng)前水位的實(shí)際高度，理論上由C3、C4得到的水位高度應(yīng)該是一致的，通過(guò)判斷C3、C4的一致性就可以判斷水位高度的合理性。如果C3失效，通過(guò)C4可以得到水位值，反之如果C4失效，通過(guò)C3也可以得到水位值。C3、C4實(shí)現(xiàn)了冗余互補(bǔ)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.電容式柔性電子水尺，其特征在于包括作為傳感元件的柔性尺體和處理電路；所述柔性尺體包括多個(gè)成排設(shè)置的柔性電容極板和嵌入在多個(gè)柔性電容極板內(nèi)的水尺支撐體，用于提高尺體的強(qiáng)度和防止電子水尺長(zhǎng)度方向尺寸伸縮產(chǎn)生誤差；所述柔性電容極板和處理電路通過(guò)電路連接，用于實(shí)現(xiàn)水位測(cè)量的功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容式柔性電子水尺，其特征在于所述柔性尺體為兩排相鄰柔性電容極板交錯(cuò)排列結(jié)構(gòu)，用于防止相鄰兩柔性電容極板過(guò)渡時(shí)模擬數(shù)值的間斷，使模擬數(shù)值和數(shù)字?jǐn)?shù)值能夠平滑交接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容式柔性電子水尺，其特征在于所述柔性電容極板為能夠彎卷的柔性非金屬材料覆金屬薄膜結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容式柔性電子水尺，其特征在于所述水尺支撐體為加強(qiáng)芯結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容式柔性電子水尺，其特征在于所述處理電路由低功耗微處理器組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的電容式柔性電子水尺，其特征在于所述柔性尺體兼具作為模擬參數(shù)測(cè)量極板和作為數(shù)字參數(shù)的測(cè)量電極的功能。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電容式柔性電子水尺，包括作為傳感元件的柔性尺體和處理電路；所述柔性尺體包括多個(gè)成排設(shè)置的柔性電容極板和嵌入在多個(gè)柔性電容極板內(nèi)的水尺支撐體，用于提高尺體的強(qiáng)度和防止電子水尺長(zhǎng)度方向尺寸伸縮產(chǎn)生誤差；所述柔性電容極板和處理電路通過(guò)電路連接，用于實(shí)現(xiàn)水位測(cè)量的功能；所述柔性電容極板為相鄰兩電容極板交錯(cuò)排列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的電容式柔性電子水尺，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，分辨力高、累計(jì)誤差小、水位量程大、電子水尺可以彎卷，利用柔性電容極板作為傳感元件，電容極板既用于模擬測(cè)量又用于數(shù)字測(cè)量，電容極板的模擬測(cè)量得到高分辨力，電容極板的數(shù)字測(cè)量減小累計(jì)誤差，采用柔性材料作為尺體。
文檔編號(hào)G01F23/26GK102944287SQ201210480550
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者金玉虹, 唐躍平 申請(qǐng)人:水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所, 金玉虹