專利名稱：數(shù)字液位傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于測量液位的傳感器，尤其涉及一種利用高精度隧道磁電阻(TMR)開關(guān)和編碼器實現(xiàn)數(shù)字信號輸出的數(shù)字液位傳感器。
背景技術(shù)：
液位傳感器廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、環(huán)保等領(lǐng)域，對各種開口或有壓容器內(nèi)的液位或相界面進行連續(xù)測量，也可應(yīng)用于液面或相界面的報警和控制。目前，應(yīng)用較多的是干簧管液位傳感器和霍爾式液位傳感器。干簧管液位傳感器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，可應(yīng)用于限位、計數(shù)等，其工作原理是磁性浮子隨液位高度變化而上下移動，所產(chǎn)生的磁場變化使磁簧開關(guān)產(chǎn)生動作。這類傳感器的一種結(jié)構(gòu)是當(dāng)磁性浮子浮動到某個干簧管高度處時，該干簧管里的磁簧開關(guān)因受到外部磁場的作用而閉合，便形成了完整的閉合電路。當(dāng)磁性浮子遠離此干簧管時，即移除磁場，磁簧片由于自身的彈性而分開，使電路斷開。這樣根據(jù)所形成電路上的電阻大小，系統(tǒng)里的變送器產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流信號。通過檢測所產(chǎn)生的電流信號，可以判斷被測液位的高度。但干簧管液位傳感器經(jīng)常會發(fā)生個別開關(guān)該斷開未斷開的故障，造成虛假液位，并且由于干簧管的尺寸較大，限制了傳感器的分辨頻率。當(dāng)傳感器受到?jīng)_擊、磨損和振動等影響時，傳感器內(nèi)部的玻璃殼會因此而容易破裂，這也致使傳感器不易安裝和焊接。進一步，當(dāng)存在電感和電容負載時，傳感器的使用壽命會受到影響。此夕卜，干簧管液位傳感器的輸出是模擬信號，抗干擾能力差，因而需要進一步的數(shù)字處理電路將模擬信號處理為數(shù)字信號?；魻柺揭何粋鞲衅鞴ぷ髟砼c干簧管液位傳感器相同，只是用開關(guān)式霍爾片代替了干簧管，其尺寸比干簧管的尺寸要小，也易于安裝和焊接，并且其輸出信號是經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，抗干擾能力較強。但因為霍爾元件功耗較高，為毫安級，開關(guān)點也達到幾十高斯，這種液位傳感器需要經(jīng)常維修和更換，增加了使用成本。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的以上問題，提供一種新穎的、先進的、可靠的數(shù)字液位傳感器。本實用新型利用隧道磁電阻開關(guān)在外部磁場的作用下產(chǎn)生動作，將其所在狀態(tài)以高、低電平的形式傳達給與其連接的編碼器，再通過編碼器將數(shù)字信號提供給數(shù)據(jù)總線，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確快速的判斷所測液位的高度。為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達到上述技術(shù)效果，本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):一種數(shù)字液位傳感器，其將測量的液位轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，該數(shù)字液位傳感器包括以下幾個部分:數(shù)據(jù)總線；電源端子；接地端子；固定并且放置在液體里的非磁性導(dǎo)管；[0011]漂浮在所述液體中的浮子，所述浮子鄰近所述非磁性導(dǎo)管放置，隨著液位的變化，所述浮子沿所述非磁性導(dǎo)管上下移動；至少一個隧道磁電阻開關(guān)，所述開關(guān)在所述永磁體產(chǎn)生的磁場作用下可閉合或者斷開；至少一個編碼器，所述編碼器為所述浮子的每一個位置產(chǎn)生唯一的編碼；固定于所述浮子的永磁體，所述永磁體產(chǎn)生具有足夠幅度和方向的磁場以使與該永磁體處于相同水平的一個或多個隧道磁電阻開關(guān)閉合或斷開；一個或者多個密封在所述非磁性導(dǎo)管中的印刷電路板，所述隧道磁電阻開關(guān)、所述編碼器、所述數(shù)據(jù)總線、所述電源端子和所述接地端子安裝在所述印刷電路板上且相互電聯(lián)。優(yōu)選地，所述非磁性導(dǎo)管的長度為10 12000mm,外直徑為12 40mm。優(yōu)選地，所述浮子的寬度為l(T200mm，高度為l(T200mm。優(yōu)選地，所述永磁體的磁化方向與所述非磁性導(dǎo)管的軸向平行，所述隧道磁電阻開關(guān)為隧道磁電阻全極開關(guān)或隧道磁電阻單極開關(guān)，并且其敏感方向與所述非磁性導(dǎo)管的軸向平行。優(yōu)選地，所述永磁體的磁化方向與所述非磁性導(dǎo)管的軸向垂直，所述隧道磁電阻開關(guān)為隧道磁電阻全極開關(guān)、隧道磁電阻雙極開關(guān)或隧道磁電阻單極開關(guān)并且其敏感方向與所述非磁性導(dǎo)管的軸向垂直。優(yōu)選地，所述非磁性導(dǎo)管與所述浮子同軸放置，所述浮子的內(nèi)徑大于所述非磁性導(dǎo)管的外徑。
優(yōu)選地，所述隧道磁電阻開關(guān)等間距放置在所述印刷電路板上。優(yōu)選地，所述編碼器為優(yōu)先編碼器。優(yōu)選地，每一個所述編碼器有2n個不同的輸入端，有N個不同的輸出端，N為自然數(shù)。優(yōu)選地，所述浮子的位置用數(shù)字0，I,…，2N_1來表示，N為自然數(shù)，所述數(shù)字與所述液面的高度呈線性比例關(guān)系。優(yōu)選地，所述編碼器為專用ASIC、FPGA、CPLD或其他可編程邏輯器件，來最小化所述印刷電路板上部件的數(shù)量。優(yōu)選地，對于2n個所述隧道磁電阻開關(guān)，所述數(shù)據(jù)總線的寬度至少為N位，N為自然數(shù)。優(yōu)選地，所述隧道磁電阻開關(guān)分別與所述編碼器的相應(yīng)的輸入接口電連接。優(yōu)選地，所述編碼器的輸出接口與所述數(shù)據(jù)總線上的相應(yīng)接口電連接。優(yōu)選地，所述印刷電路板是柔性印刷線路板。優(yōu)選地，所述編碼器和所述隧道磁電阻開關(guān)放置在由柔性印刷線路板互連的多個小型剛性印刷電路板上。一種數(shù)字液位傳感器，包括:非磁性導(dǎo)管，和位于所述非磁性導(dǎo)管外并可沿所述非磁性導(dǎo)管軸向移動的浮子，固定于所述浮子的永磁體，[0035]所述非磁性導(dǎo)管中進一步包括:開關(guān)單元，包括至少一個在所述永磁體產(chǎn)生的磁場作用下閉合或斷開的隧道磁電阻開關(guān)，編碼單元，包括至少一個編碼器，所述編碼單元的輸入端分別接收來自所述隧道磁電阻開關(guān)的通斷信號并輸出表征所述浮子位置的數(shù)字信號。優(yōu)選地，該液位傳感器包括2N個隧道磁電阻開關(guān)，各隧道磁電阻開關(guān)沿所述非磁性導(dǎo)管的軸向排列設(shè)置且沿非磁性導(dǎo)管軸向的位置已知。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型采用隧道磁電阻開關(guān)對浮子的位置進行檢測，并采用優(yōu)先編碼器對來自隧道磁電阻開關(guān)的開關(guān)信號進行編碼。本實用新型具有以下有益效果:體積小、成本低、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨率高、使用壽命長、抗干擾能力強，并能實現(xiàn)數(shù)字信號直接輸出。上述說明僅是本實用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下將對本實用新型的較佳實施例并結(jié)合附圖進行詳細說明。

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限定。在附圖中:圖1為根據(jù)本實用新型實施例1的液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為根據(jù)本實用新型實施例1的液位傳感器另一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為根據(jù)本實用新型實施例2的隧道磁電阻開關(guān)和優(yōu)先編碼器的連接示意圖。圖4根據(jù)本實用新型實施例3的隧道磁電阻開關(guān)和優(yōu)先編碼器的連接示意圖。圖5為隧道磁電阻單極開關(guān)信號示意圖。圖6為隧道磁電阻雙極開關(guān)信號示意圖。圖7為隧道磁電阻全極開關(guān)信號示意圖。
具體實施方式
下面將參考附圖并結(jié)合實施例，來詳細說明本實用新型。實施例1圖1和圖2分別示出根據(jù)本實用新型實施例1的液位傳感器100，200的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中示意性顯示出一種使用隧道磁電阻開關(guān)單元3和編碼器4實現(xiàn)數(shù)字信號輸出的數(shù)字液位傳感器。該傳感器包括一根可相對于待測容器固定的非磁性導(dǎo)管I，一個可在液體11中漂浮，并沿非磁性導(dǎo)管I外表面隨液面變化而上下滑動的浮子2。優(yōu)選地，非磁性導(dǎo)管I和浮子2的中心軸相同。非磁性導(dǎo)管I里裝有印刷電路板5，優(yōu)選是柔性印刷線路板。印刷電路板5上安裝有隧道磁電阻開關(guān)單元3、編碼器4、數(shù)據(jù)總線9以及電源端子7和接地端子8。編碼器和所述磁電阻開關(guān)也可安裝在多個小型剛性印刷電路板上，相互之間用柔性印刷線路板或者電布線連接。隧道磁電阻開關(guān)單元3包括多個隧道磁電阻開關(guān)，各隧道磁電阻開關(guān)在非磁性導(dǎo)管中具有確定的位置。在浮子2里有一個固定的永磁體6，該永磁體6可產(chǎn)生使隧道磁電阻開關(guān)單元3中與其大致在同一液面高度處的隧道磁電阻開關(guān)產(chǎn)生動作所需要的足夠幅度和方向的磁場，永磁體6內(nèi)部的磁化方向12可以與非磁性導(dǎo)管I的軸向13平行，如圖1所示，也可以與非磁性導(dǎo)管I的軸向13垂直，如圖2所示。隧道磁電阻開關(guān)單元3的各個輸出端與編碼器4的相應(yīng)輸入接口依次電連接，編碼器4的輸出接口與數(shù)據(jù)總線9的相應(yīng)接口依次電連接，其使能輸出端14與數(shù)據(jù)總線或下一級的編碼器的相應(yīng)輸入接口電連接。當(dāng)液位傳感器置于液體11中時，浮子2漂浮在液體11的液面上，隨液面位置的變化而沿非磁性導(dǎo)管I外表面上下移動，浮子2里的永磁體6在非磁性導(dǎo)管I周圍產(chǎn)生了穩(wěn)定磁場。隧道磁電阻開關(guān)單兀3中相應(yīng)位置的隧道磁電阻開關(guān)在永磁體6產(chǎn)生的磁場作用下產(chǎn)生閉合或者斷開動作，將其所在狀態(tài)以高或低電平的形式輸出給與其連接的編碼器4。每個編碼器有2N個輸入端和N個輸出端，N是自然數(shù)。編碼器4對來自開關(guān)單元3的各個輸入進行編碼將數(shù)字信號輸出至數(shù)據(jù)總線，根據(jù)所輸出的數(shù)字信號便能確定出液面的高度。對于2N個隧道磁電阻開關(guān)，數(shù)據(jù)總線的寬度至少為N位。根據(jù)液位傳感器的使用環(huán)境和使用條件，非磁性導(dǎo)管I優(yōu)選的具有以下特征，例如12 40mm的外直徑，l(Tl2000mm的長度，可以是直管，也可以是彎管，其制成材料可以為耐腐蝕的適用的金屬、合金或結(jié)實耐用的工程塑料。優(yōu)選地，浮子與非磁性導(dǎo)管同軸設(shè)置，浮子的內(nèi)徑大于非磁性導(dǎo)管的外徑。浮子2的寬度優(yōu)選為l(T200mm，高度優(yōu)選為l(T200mm。浮子上固定有永磁體6，帶動永磁體一起隨液位的高低變化沿非磁性導(dǎo)管的軸向上下移動。永磁體可以固定在浮子內(nèi)，也可以固定在浮子外。 隧道磁電阻開關(guān)單元3中的每一個隧道磁電阻開關(guān)S0，SI，…，S7優(yōu)選的具有以下特征:體積小，經(jīng)過封裝后的尺寸例如為2mm X 3mm x Imm ;功耗低,低于10微安，開關(guān)點十幾高斯。因而本實用新型的液位傳感器可以具有較小的體積，使用范圍廣泛；使用壽命長；靈敏度高。進一步通過根據(jù)需要設(shè)置隧道磁電阻開關(guān)在非磁性導(dǎo)管中的位置，可以設(shè)計具有高分辨率的液位傳感器。具體地，液位傳感器的開關(guān)單元中隧道磁電阻開關(guān)的數(shù)量可以是，Ns=2N-m (I)式中m表示編碼器上無效的輸入端的數(shù)量，m取值為0，1，2，N為自然數(shù)，其具體數(shù)值可根據(jù)用戶的要求來確定。各隧道磁電阻開關(guān)S0，S1，…，S7沿所述非磁性導(dǎo)管的軸向排列設(shè)置，各開關(guān)沿非磁性導(dǎo)管的軸向位置已知。優(yōu)選的，各隧道磁電阻開關(guān)沿所述非磁性導(dǎo)管的軸向等間距設(shè)置，每兩個開關(guān)之間的距離可根據(jù)非磁性導(dǎo)管I的長度L、非磁性導(dǎo)管I上下兩端的未安裝開關(guān)的剩余空間Dl、D2以及隧道磁電阻開關(guān)的數(shù)量Ns和長度L’來確定。例如，對于長度為1000mm、上下兩端的剩余空間均為50mm的非磁性導(dǎo)管I以及具有100個長度為2mm的隧道磁電阻開關(guān)的開關(guān)單元3，則每兩個開關(guān)之間的距離DS為:DS= (L-Dl-D2-Ns*L，)/Ns= (1000-2*50-100*2)/100=7mm (2)由此可知，該液位傳感器的分辨率為7mm。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，只要隧道磁電阻開關(guān)沿所述非磁性導(dǎo)管的軸向排列設(shè)置且沿非磁性導(dǎo)管軸向的位置已知，則可根據(jù)響應(yīng)于非磁性導(dǎo)管外固定于浮子的永磁體的位置改變隧道磁電阻開關(guān)輸出的通斷信號，確定數(shù)字液位傳感器所處液體的液位位置。[0061]實施例2圖3為實施例1中隧道磁電阻開關(guān)和優(yōu)先編碼器的連接示意圖。本實用新型中編碼器根據(jù)來自隧道磁電阻開關(guān)的通斷信號，為固定有永磁體的浮子的每一個位置產(chǎn)生唯一的編碼。在該實施例中，編碼器15例如是8線-3線優(yōu)先編碼器。優(yōu)先編碼器允許同時在多個輸入端有輸入信號，編碼器按輸入信號排定的優(yōu)先順序，只對同時輸入的幾個信號中優(yōu)先權(quán)最高的一個進行編碼，優(yōu)先級低的信號不起作用，也就是說在所輸出的信號中，只有優(yōu)先級最高的為有效電平。使用此類型的編碼器，即使有幾個隧道磁電阻開關(guān)在外部磁場的作用下同時產(chǎn)生動作，優(yōu)先編碼器也只會對優(yōu)先級最高的進行編碼，輸出一個有效電平，從而能準(zhǔn)確快速的判斷液面位置，避免了浮子附近的開關(guān)的錯誤動作造成虛假液位的情形。例如，如圖3所示，對于隧道磁電阻開關(guān)單元3中開關(guān)的數(shù)量Ns不多于8個的情形，例如可以只用一個8線-3線優(yōu)先編碼器15。圖3顯示了具有8個隧道磁電阻開關(guān)S0-S7的開關(guān)單元和一個8線-3線優(yōu)先編碼器15的連接示意圖。圖中，8個隧道磁電阻開關(guān)S0-S7與8線-3線優(yōu)先編碼器15的8個輸入端分別電連接，當(dāng)隧道磁電阻開關(guān)S0-S7中的一個或者幾個在外部磁場的作用下產(chǎn)生動作時，8線-3線優(yōu)先編碼器15的3個輸出端便將相應(yīng)的電平信息反饋給數(shù)據(jù)總線9。對于8 (=23)個隧道磁電阻開關(guān)S0-S7，數(shù)據(jù)總線9的寬度至少為3位，其可以傳送出8種不同的二進制數(shù)字信號。這8種二進制數(shù)字信號便反映了浮子的相應(yīng)位置，如表I所示。表I中，浮子的位置用數(shù)字0，I,…，2n-1來表示，N為自然數(shù)，所述數(shù)字與所述液面的高度呈線性比例關(guān)系。表I浮子位置、所對應(yīng)的液面與輸出的數(shù)字信號之間的關(guān)系
權(quán)利要求1.一種數(shù)字液位傳感器，其將測量的液位轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，其特征在于，該數(shù)字液位傳感器包括以下幾個部分: 數(shù)據(jù)總線； 電源端子； 接地端子； 固定并且放置在液體里的非磁性導(dǎo)管； 漂浮在所述液體中的浮子，所述浮子鄰近所述非磁性導(dǎo)管放置，隨著液位的變化，所述浮子沿所述非磁性導(dǎo)管上下移動； 至少一個隧道磁電阻開關(guān)，所述開關(guān)在所述永磁體產(chǎn)生的磁場作用下可閉合或者斷開； 至少一個編碼器，所述編碼器為所述浮子的每一個位置產(chǎn)生唯一的編碼； 固定于所述浮子的永磁體，所述永磁體產(chǎn)生具有足夠幅度和方向的磁場以使與該永磁體處于相同水平的一個或多個隧道磁電阻開關(guān)閉合或斷開； 一個或者多個密封在所述非磁性導(dǎo)管中的印刷電路板，所述隧道磁電阻開關(guān)、所述編碼器、所述數(shù)據(jù)總線、所述電源端子和所述接地端子安裝在所述印刷電路板上且相互電聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述非磁性導(dǎo)管的長度為10 12000臟，外直徑為12 40mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述浮子的寬度為l(T200mm，高度為10 200mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述永磁體的磁化方向與所述非磁性導(dǎo)管的軸向平行，所述隧道磁電阻開關(guān)為隧道磁電阻全極開關(guān)或隧道磁電阻單極開關(guān)，并且其敏感方向與所述非磁性導(dǎo)管的軸向平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述永磁體的磁化方向與所述非磁性導(dǎo)管的軸向垂直，所述隧道磁電阻開關(guān)為隧道磁電阻全極開關(guān)、隧道磁電阻雙極開關(guān)或隧道磁電阻單極開關(guān)，并且其敏感方向與所述非磁性導(dǎo)管的軸向垂直。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述非磁性導(dǎo)管與所述浮子同軸放置，所述浮子的內(nèi)徑大于所述非磁性導(dǎo)管的外徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述隧道磁電阻開關(guān)等間距放置在所述印刷電路板上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述編碼器為優(yōu)先編碼器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，每一個所述編碼器有2N個不同的輸入端，有N個不同的輸出端，N為自然數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求11所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述浮子的位置用數(shù)字O,1，…，2N-1來表示，N為自然數(shù)，所述數(shù)字與所述液面的高度呈線性比例關(guān)系。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述編碼器為專用ASIC、FPGA、CPLD或其他可編程邏輯器件，來最小化所述印刷電路板上部件的數(shù)量。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，對于2N個所述隧道磁電阻開關(guān)，所述數(shù)據(jù)總線的寬度至少為N位，N為自然數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的 數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述隧道磁電阻開關(guān)分別與所述編碼器的相應(yīng)的輸入接口電連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述編碼器的輸出接口與所述數(shù)據(jù)總線上的相應(yīng)接口電連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述印刷電路板是柔性印刷線路板。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，所述編碼器和所述隧道磁電阻開關(guān)放置在由柔性印刷線路板互連的多個小型剛性印刷電路板上。
17.一種數(shù)字液位傳感器，包括: 非磁性導(dǎo)管，和 位于所述非磁性導(dǎo)管外并可沿所述非磁性導(dǎo)管軸向移動的浮子， 其特征在于， 固定于所述浮子的永磁體， 所述非磁性導(dǎo)管中進一步包括: 開關(guān)單元，包括至少一個在所述永磁體產(chǎn)生的磁場作用下閉合或斷開的隧道磁電阻開 關(guān)， 編碼單元，包括至 少一個編碼器，所述編碼單元的輸入端分別接收來自所述隧道磁電阻開關(guān)的通斷信號并輸出表征所述浮子位置的數(shù)字信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的數(shù)字液位傳感器，其特征在于，該液位傳感器包括2N個隧道磁電阻開關(guān)，各隧道磁電阻開關(guān)沿所述非磁性導(dǎo)管的軸向排列設(shè)置且沿非磁性導(dǎo)管軸向的位置已知。
專利摘要本實用新型涉及一種數(shù)字液位傳感器。該數(shù)字液位傳感器包括非磁性導(dǎo)管，位于所述非磁性導(dǎo)管外并可沿所述非磁性導(dǎo)管軸向移動的浮子，和固定于所述浮子的永磁體。該非磁性導(dǎo)管中進一步包括開關(guān)單元和編碼單元。開關(guān)單元包括至少一個在所述永磁體產(chǎn)生的磁場作用下閉合或斷開的隧道磁電阻開關(guān)，編碼單元包括至少一個編碼器，其輸入端分別接收來自所述隧道磁電阻開關(guān)的通斷信號并輸出表征所述浮子位置的數(shù)字信號。根據(jù)本實用新型的數(shù)字液位傳感器體積小、成本低、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨率高、使用壽命長、抗干擾能力強，并能實現(xiàn)數(shù)字信號直接輸出。
文檔編號G01F23/72GK203083663SQ20132004127
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
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