專利名稱：磁光編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型磁光編碼器屬水文測(cè)量中的測(cè)量終端液位計(jì)。
背景技術(shù)：
在水文測(cè)量中最常用的測(cè)量終端莫過(guò)于液位計(jì)，按測(cè)量方式分類大致有機(jī)械浮子式、光電浮子式、超聲波式、激光式、振弦式等多種形式，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，機(jī)械浮子式和光電浮子式都用機(jī)械齒輪減速產(chǎn)生進(jìn)位和退位的辦法來(lái)形成編碼，為了產(chǎn)生可靠編碼，一般都用格雷碼輸出，這種液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較低，缺點(diǎn)是機(jī)械加工復(fù)雜、運(yùn)行阻力大、使用壽命短；超聲波液位計(jì)和激光液位計(jì)有較高的測(cè)量精度且沒(méi)有機(jī)械部件，故其可靠性可以做得較高，但實(shí)用中發(fā)現(xiàn)其對(duì)反射目標(biāo)的要求較高，受環(huán)境因素影響較大，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是因?yàn)槠湫盘?hào)處理電路較復(fù)雜導(dǎo)致其成本居高不下，目前還難以推廣；振弦式液位計(jì)主要用于小量程液位的測(cè)量；實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)上述背景技術(shù)提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、穩(wěn)定性好、精度高、成本低、能完成大量程液位測(cè)量的磁光編碼器。
本磁光編碼器是在現(xiàn)有光電浮子式液位計(jì)基礎(chǔ)上的改進(jìn)發(fā)明。其具體組成是水位輪與轉(zhuǎn)軸通過(guò)螺釘裝在一起，由左右兩個(gè)半圓柱筒組成的殼體分別通過(guò)軸承裝在轉(zhuǎn)軸上，置于殼體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)光電碼盤裝在轉(zhuǎn)軸上隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，其特點(diǎn)是置于殼體內(nèi)與旋轉(zhuǎn)光電碼盤正面相對(duì)應(yīng)的不隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的位置傳感器盤與旋轉(zhuǎn)光電碼盤同圓心地固定在殼體上。此位置傳感器盤正面同圓心同圓弧的120分°角線上分別裝有干簧管，在同一條120°分角線上還同圓弧對(duì)稱地分別沿徑向裝有八個(gè)反射式光電耦合器，位置傳感器盤反面裝有控制電路板，旋轉(zhuǎn)光電碼盤上還裝有永磁鐵。控制電路采用超低功耗單片機(jī)。
本實(shí)用新型由于舍棄了機(jī)械減速裝置產(chǎn)生進(jìn)位和退位的辦法來(lái)形成編碼，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有精度高，穩(wěn)定性好，量程大，價(jià)格低廉，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。


圖1磁光編碼器結(jié)構(gòu)示意圖圖2旋轉(zhuǎn)光電碼盤示意圖圖3位置傳感器盤示意圖圖4控制電路原理圖圖1與圖2的標(biāo)號(hào)名稱1、殼體，2、位置傳感器盤，3、旋轉(zhuǎn)光電碼盤，4、轉(zhuǎn)軸，5、軸承，6、永磁鐵，7、螺釘，8、水位輪，9、支架，10、軸承。
圖3中的符號(hào)名稱，G1、G2、G3-干簧管。D0～D7-光電耦合器。
由圖1可知，本磁光編碼器的具體組成是，水位輪8與轉(zhuǎn)軸4通過(guò)螺釘7裝在一起，轉(zhuǎn)軸隨水位輪一起旋轉(zhuǎn)，殼體1由左右兩個(gè)半圓柱筒組成，兩個(gè)半圓柱筒分別通過(guò)軸承10與軸承5安裝在轉(zhuǎn)軸4上，置于殼體1內(nèi)的旋轉(zhuǎn)光電碼盤3固定在轉(zhuǎn)軸4上，隨轉(zhuǎn)軸4一起轉(zhuǎn)動(dòng)，與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于，置于殼體內(nèi)與旋轉(zhuǎn)光電碼盤3正面相對(duì)的不隨轉(zhuǎn)軸4轉(zhuǎn)動(dòng)的位置傳感器盤2與旋轉(zhuǎn)光電碼盤3同圓心固定在左半圓柱筒殼體上，以替代現(xiàn)有技術(shù)中利用機(jī)械齒輪減速裝置產(chǎn)生進(jìn)位和退位的辦法來(lái)形成編碼。位置傳感器盤如圖3所示，其正面在同圓心同圓弧的120°角分線上沿徑向分別裝有干簧管G1、G2、G3，在同一條120°角分線上同圓弧對(duì)稱地分別沿徑向裝有八個(gè)光電耦合器D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7；位置傳感器盤反面裝有由超低功耗單片機(jī)組成的控制電路板。旋轉(zhuǎn)光電碼盤如圖2所示，在旋轉(zhuǎn)光電碼盤上還裝有永磁鐵6。
本磁光編碼器的工作原理如下一、機(jī)械工作原理本磁光編碼器同普通光電液位計(jì)一樣也有一個(gè)光電碼盤，如圖2所示，碼盤白色部分反射光線而黑色部分則吸收光線，如圖3所示的位置傳感器盤和圖2所示碼盤間距約2mm，同圓心安裝，液位變化時(shí)浮子牽引水位輪轉(zhuǎn)動(dòng)，碼盤和水位輪安裝在同一軸上也隨水位輪作圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤就會(huì)吸收或反射來(lái)自位置傳感器盤上的光電耦合器的光線，從而使8位光電耦合器根據(jù)碼盤和光電耦合器的相對(duì)位置輸出8位格雷碼編碼，傳統(tǒng)的光電液位計(jì)用一個(gè)減速齒輪帶動(dòng)另一個(gè)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)從而獲得高位編碼，而本磁光編碼器摒棄了所有的齒輪減速機(jī)構(gòu)，用安裝角度為120度的三只干簧管來(lái)計(jì)算碼盤旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)安裝于其上的磁鐵依次吸合三只干簧管，根據(jù)這一次序就可以判斷液位是向著液位上升的方向增加圈數(shù)還是向著液位下降的方向減少圈數(shù)。這樣一來(lái)單圈的絕對(duì)位置可以通過(guò)碼盤的編碼得到，而旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)可以由于簧管的吸合次序得到，合起來(lái)就可以得到液位高程從而完成液位的測(cè)量。
二、控制電路原理控制電路原理圖如圖4所示，本控制電路采用美國(guó)TI公司的MSP430系列的超低功耗單片機(jī)MSP430F133，在模式LPM4時(shí)的典型工作電流只有0.1μA，并且能在6μS的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)外部中斷，實(shí)測(cè)在常溫下即使是在1.2伏電源電壓下仍能全速正常工作。
由圖4可知，控制電路的組成是，12伏的電源經(jīng)穩(wěn)壓器78L09分別連于位置傳感器盤2上的兩路光電耦合器串聯(lián)電路D0、D2、D4、D6與D1、D3、D5、D7，兩路串聯(lián)電路的八個(gè)光電耦合器D0～D7的輸出分別連于超低功耗單片機(jī)MSP430F133；同時(shí)12伏電源既連于繼電器JD1又經(jīng)電阻R28和穩(wěn)壓電路U3-HT1036連于1法拉的充放電電容C46，此充放電電容C46的輸出連于超低功耗單片機(jī)及位置傳感器盤2上的三個(gè)干簧管G1、G2、G3，三個(gè)干簧管又分別連于超低功耗單片機(jī)，超低功耗單片機(jī)還分別連于安裝在殼體1上的6位液晶顯示器和485總線接口MAX3483。其工作原理如下當(dāng)要測(cè)量當(dāng)前液位時(shí)，首先要由上位控制器將12伏電源加到本磁光編碼器，此時(shí)繼電器JD1吸合，一方面由R28、U3組成的穩(wěn)壓電路給法拉電容C46進(jìn)行恒流限壓充電，以補(bǔ)充斷電后單片機(jī)工作所需電能，另一方面將Wake信號(hào)由“0”切換到“1”，喚醒單片機(jī)進(jìn)入全速正常工作狀態(tài)，通過(guò)測(cè)量8只反射式光電耦合器電平得到碼盤在一個(gè)圓周內(nèi)的具體位置編碼(8bit格雷碼)，加上正(反)向旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)就可以計(jì)算出實(shí)際液位，換算成格雷碼輸出以兼容現(xiàn)有浮子式液位計(jì)，同時(shí)還通過(guò)485總線按要求的協(xié)議輸出液位以滿足自動(dòng)測(cè)量的要求。6位液晶顯示器用于在本地顯示液位值，其電源是由單片機(jī)的口線來(lái)提供的，目的也是便于在掉電時(shí)關(guān)閉液晶顯示器的電源。
一旦外部+12伏電源撤去，Wake信號(hào)消失，單片機(jī)立即將口線切換到合適的電平，并進(jìn)入低功耗狀態(tài)LPM4，此時(shí)單片機(jī)CPU的功耗只有0.1μA，碼盤上的永磁鐵隨碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)永磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)到三只干簧管附近時(shí)，干簧管吸合，立即引起單片機(jī)引腳電平的變化，MSP430單片機(jī)能在6μS的時(shí)間內(nèi)從低功耗狀態(tài)響應(yīng)這一變化，記錄下這一變化過(guò)程后又立即進(jìn)入到低功耗狀態(tài)以最大限度地節(jié)省電能，研究中發(fā)現(xiàn)干簧管從吸合狀態(tài)回到斷開(kāi)狀態(tài)有一個(gè)遲滯過(guò)程，正好可以防止液位在某一點(diǎn)輕微波動(dòng)時(shí)使干簧管頻繁動(dòng)作致使單片機(jī)退出掉電狀態(tài)而消耗額外的電能。在電路板上三只干簧管間隔120度均勻地分布于在同一圓周上，以允許液位計(jì)以盡可能大的角速度旋轉(zhuǎn)，假定MSP430F133響應(yīng)并處理一個(gè)外圍中斷的時(shí)間(跟中斷程序復(fù)雜程序和時(shí)鐘速度有關(guān))為200μS，則CPU能夠響應(yīng)的最大角速度為120°/200μS。外圍電路除干簧管在吸合狀態(tài)要吸收3.0V/20M歐姆＝0.15μA電流外，其余電路均不消耗電流，這樣整機(jī)待機(jī)電流最小0.1μA，最大0.25μA，若電容充滿電可保證單片機(jī)在掉電后仍能正常工作半個(gè)月以上。
由于舍棄了機(jī)械減速裝置，液位計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)只要克服兩只固定軸承的阻力，機(jī)械靈活性和可靠性大大加強(qiáng)，當(dāng)傳動(dòng)輪周長(zhǎng)為256mm時(shí)，液位計(jì)的分辨力就是1mm，能滿足大部分測(cè)量要求。
利用以上的原理和方法研制的磁光編碼器，其巧妙設(shè)計(jì)在于它具有相對(duì)量軸角編碼器的優(yōu)點(diǎn)，如精度高、穩(wěn)定性好、量程大、價(jià)格低廉、使用方便等，利用TI公司的MSP430F133單片機(jī)低功耗特點(diǎn)，使磁光編碼器又能滿足絕對(duì)量編碼輸出的要求。
權(quán)利要求1.一種磁光編碼器包括水位輪(8)與轉(zhuǎn)軸(4)通過(guò)螺釘(7)裝在一起，殼體(1)由左右兩個(gè)半圓柱筒組成，兩個(gè)半圓柱筒分別通過(guò)軸承(10)與軸承(5)安裝在轉(zhuǎn)軸(4)上，置于殼體(1)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)光電碼盤(3)固定在轉(zhuǎn)軸(4)上，其特征在于它還包括置于殼體(1)內(nèi)與旋轉(zhuǎn)光電碼盤(3)正面相對(duì)的位置傳感器盤(2)與旋轉(zhuǎn)光電碼盤(3)同圓心固定在左半圓柱筒殼體上，此位置傳感器盤(2)正面在同圓心同圓弧的120°角分線上沿徑向分別裝有三個(gè)干簧管(G1、G2、G3)，在同一條120°角分線上還同圓弧對(duì)稱地分別沿徑向裝有兩組共八個(gè)光電耦合器(D0～D7)，位置傳感器盤(2)反面裝有由超低功耗單片機(jī)組成的控制電路板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁光編碼器其特征在于控制電路的組成是電源經(jīng)穩(wěn)壓器分別連于位置傳感器盤(2)上的兩路光電耦合器串聯(lián)電路(D0、D2、D4、D6)與(D1、D3、D5、D7)，兩路串聯(lián)電路的八個(gè)光電耦合器(D0～D7)的輸出分別連于超低功耗單片機(jī)；同時(shí)電源既連于繼電器(JD1)又經(jīng)電阻(R28)和穩(wěn)壓電路(U3)連于充放電電容(C46)，充放電電容(C46)還連于超低功耗單片機(jī)及位置傳感器盤(2)上的三個(gè)干簧管(G1、G2、G3)，超低功耗單片機(jī)還分別與三個(gè)干簧管、安裝于殼體(1)上的6位液晶顯示器以及485總線相連。
專利摘要一種磁光編碼器屬水文測(cè)量中的測(cè)量終端液位計(jì)，包括通過(guò)螺釘(7)裝在一起的水位輪(8)和轉(zhuǎn)軸(4)，通過(guò)軸承(10)、軸承(5)固定在轉(zhuǎn)軸(4)的殼體(1)，裝在轉(zhuǎn)軸(4)上置于殼體(1)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)光電碼盤(3)，其特點(diǎn)是還包括裝在殼體(1)內(nèi)與旋轉(zhuǎn)光電碼盤(3)正面相對(duì)的位置傳感器盤(2)，此位置傳感器盤(2)正面裝有三個(gè)干簧管(G1、G2、G3)和八個(gè)光電耦合器(D0－D7)，反面裝有由超低功耗單片機(jī)組成的控制電路。本磁光編碼器由于舍棄了現(xiàn)有技術(shù)中利用機(jī)械齒輪減速裝置產(chǎn)生進(jìn)位和退位的辦法來(lái)形成編碼的方法。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、穩(wěn)定性好、量程大、價(jià)格低廉、使用方便等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01F23/22GK2676164SQ20042002480
公開(kāi)日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2004年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月20日
發(fā)明者向麥黃, 舒大興 申請(qǐng)人:向麥黃, 舒大興