專利名稱：感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，具體而言是一種用于水位和導(dǎo)電液位檢測的傳感器。
目前國內(nèi)外在水位監(jiān)測方面采用的技術(shù)和產(chǎn)品不少，歸納起來為以下幾種1、超聲波探測器。這類產(chǎn)品主要適用寬闊水域的水位探測。儀器安裝在遠離水面的上方，向水面發(fā)射和接收電磁波，并測量電磁波的反射波長、周期，測出水面距儀器的距離，從而測定水位。目前國內(nèi)外都有此類產(chǎn)品生產(chǎn)廠家。
2、壓差式水位傳感器隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體表面擴散工藝在傳感器平衡電橋的制作中，得到了廣泛應(yīng)用。擴散硅壓差傳感器是利用水的壓強原理，在水底下檢測水底壓強和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓差。它是通過水底壓強使半導(dǎo)體擴散硅薄膜產(chǎn)生形變的壓電效應(yīng)，而獲取水位信號。目前國內(nèi)外都有此類產(chǎn)品生產(chǎn)廠家。
3、電容式水〔物〕位傳感器是近些年出現(xiàn)的新產(chǎn)品、新技術(shù)，它是依靠電容原理而制作的。電容是由兩極板和介質(zhì)構(gòu)成的，改變介質(zhì)將改變電容量。水作為電容的介質(zhì)，水淹沒傳感器越多，介質(zhì)填充也越多電容量越大。通過檢測電容量的大小，來檢測水位。主要由西德、日本、加拿大幾家生產(chǎn)，目前國內(nèi)也有廠家生產(chǎn)。
以上幾種傳感器雖然技術(shù)比較成熟，但是由于受使用條件方的限制，或者是價格過于昂貴，使它們的使用范圍受到了很大局限。比如超聲波探測器只能在寬敞的安裝條件下使用，壓差式水位傳感器只能在干凈無污的水中使用，電容式傳感器價格昂貴。而且它們的共同的特點是信號不能遠距離傳輸，使它們的使用受到了很大局限。目前在工業(yè)控制或者是民用事業(yè)的水位監(jiān)控中使用最多的是浮子式水位傳感器。
4、浮子式水位傳感器它是一種最簡單的水位傳感器，它由一根不銹鋼管和一個不銹鋼空心球組成。不銹鋼管內(nèi)裝有四個干簧繼電器，空心球內(nèi)裝有一塊永久磁鐵。當(dāng)空心球隨著水位上下運動時，磁鐵作用于繼電器。整個浮子式水位傳感器相當(dāng)于四個定點水位開關(guān)，用這四個水位開關(guān)對水動力裝置進行控制。它的優(yōu)點是安裝使用方便，強信號便于輸送，且造價低，所以適應(yīng)面廣。它的缺點是不能連續(xù)測量水位，而且它依靠穿在鋼管上的浮球作上下機械運動，容易出現(xiàn)雜物堵塞卡殼失誤。特別是在流動的水中，上下游水壓差使浮球與鋼管間磨擦力增加，形成卡殼。
隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，水位監(jiān)測不只是大型水利工程和工業(yè)自動控制中應(yīng)用，高樓大廈的高位水箱、水塔、城市地下水道管網(wǎng)、地下水池水井等等，都需要水位監(jiān)控。都需要新技術(shù)來解決當(dāng)前存在的問題，引黃入晉工程的水位監(jiān)測問題就是突出的一例。工業(yè)控制和民用事業(yè)中的水位控制，在現(xiàn)代化的今天仍然用的是浮球、浮子式水位控制方式。急需要有新的、既能滿足高性能又能適用面廣的通用水位監(jiān)控裝置。本發(fā)明的目得在于1、解決現(xiàn)有技術(shù)不能解決的問題，如泥沙污物堵塞，掩埋、信號遠距離傳送等問題。
2、擴大適用范圍，解決安裝、使用、維護方便的問題。使之在水位監(jiān)測的任何條件下都能使用。如深井、隧道、下水、地下管溝等水位監(jiān)測。
3、降低造價，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強的水位可直接采樣的普及通用型水位傳感器。
本發(fā)明感應(yīng)式水位傳感器是按照仿生物學(xué)的思路，按照仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論而設(shè)計的。一個人如果站在水中，即使閉上眼睛也知到水淹沒到自己身體的那個部位。這是由于人體遍布著神經(jīng)細胞，每個細胞相當(dāng)于一個傳感器，眾多的神經(jīng)細胞組成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，向神經(jīng)中樞〔大腦〕輸送信息。目前研究表明，生物神經(jīng)網(wǎng)之間的信息傳遞主要是以電脈沖的形式進行的。生物通過各個感觀神經(jīng)元將外界信息，經(jīng)過神經(jīng)軸索送入大腦神經(jīng)中樞。經(jīng)大腦處理后的信息，再由神經(jīng)軸索伸向各功能器，支配生物的各種行為。
本發(fā)明感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器，其特征在于是一種，水位信號可直接取樣的，按照仿生物學(xué)和仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理而設(shè)計的，是由若干個感應(yīng)式神經(jīng)元電路組成的棒式傳感器，從整體上講該傳感器由兩部分組成。一部分是電路芯片，另一部分是外殼，其芯片骨架用絕緣材料板制成，芯片的正面固定有若干塊感應(yīng)神經(jīng)元電路板，每塊感應(yīng)神經(jīng)元電路都是由一組反相比較型觸發(fā)器和一個感應(yīng)電極構(gòu)成，每個神經(jīng)元電路都是以開關(guān)脈沖的形式輸出數(shù)字信號，固定于傳感器芯片骨架正面上的感應(yīng)神經(jīng)元電路，其間隔為2厘米，芯片的背面固定有若干個感應(yīng)元電極，其間隔亦為2厘米，感應(yīng)元電極由耐腐蝕材料制成，外殼用可塑性絕緣材料澆鑄而成，芯片與外殼經(jīng)澆鑄后成為一個實體。其直徑一般為20-50毫米，長度根據(jù)具體情況一般可設(shè)計為0.5-20米，其引線端子用自行設(shè)計的水封式引線端子。
感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器，其特征在于芯片骨架最好用環(huán)氧樹脂板制成，感應(yīng)元電極最好由石墨、碳或非磁、耐腐、導(dǎo)體材料制成，外殼可用環(huán)氧樹脂、塑料等可塑絕緣材料澆鑄而成。水封式引線端子是用塑料和環(huán)氧樹脂或其它絕緣材料制成的，具有水封閉能力的三芯電器接插件。
感應(yīng)式數(shù)字傳感器在使用時傳感器垂直安裝于水中，當(dāng)水位上下變化時相應(yīng)的神經(jīng)元電路向中樞發(fā)出信號。具體而言就是，水面靠近某個內(nèi)部神經(jīng)元電路時，該電路產(chǎn)生觸發(fā)性翻轉(zhuǎn)，輸出信號由“1”變?yōu)椤癘”。當(dāng)水面離開內(nèi)部神經(jīng)元電路時輸出信號由“0”變?yōu)椤?”。若干個神經(jīng)元電路組成了一條水位神經(jīng)線。每一塊神經(jīng)元電路都是由一組反相比較型觸發(fā)器和一個感應(yīng)電極構(gòu)成。詳見原理圖?！矆D1〕每個神經(jīng)元電路都是以開關(guān)脈沖的形式輸出數(shù)字信號，再經(jīng)過D-A轉(zhuǎn)換電路，將開關(guān)數(shù)字信號變換成模擬信號輸出。整個變換的總效果是將由低到高的水位變化，變換成4-20毫安的電流信號從信號端輸出。
激勵電源是傳感器的工作電源。設(shè)計在15-36伏范圍內(nèi)供電，首先由恒壓電路對激勵電源進行恒壓處理。然后由步進供電電路依照水位情況向感應(yīng)式神經(jīng)元電路懸浮供電。以此減小傳感器電源和信號輸送中的損耗，進一步提高遠傳能力。
傳感器有不同的規(guī)格，其棒直徑為20-50毫米。長度為0.5米-20米。該傳感器主要由兩部分組成，一部分是電路芯片，另一部分是外殼?！步Y(jié)構(gòu)祥見圖2、圖3、圖4〕芯片骨架〔1〕用環(huán)氧樹脂板做成，〔或其它絕緣材料板〕芯片的正面固定有若干塊感應(yīng)神經(jīng)元電路板〔3〕，其它電路塊根據(jù)安裝條件穿插固定在感應(yīng)神經(jīng)元電路板之間。
芯片的背面固定有若干個感應(yīng)元電極〔2〕。詳見結(jié)構(gòu)圖〔圖2〕。
感應(yīng)元電極由石墨、碳或其它非磁耐腐導(dǎo)體材料制成。
外殼用可塑性絕緣材料澆鑄而成。可用材料有環(huán)氧樹脂、塑料等?！残酒c外殼經(jīng)澆鑄后成為一個實體〕引線端子〔4〕用自行設(shè)計的帶有水封的接插式引線端子。〔該接插件，在接插緊固好后無需做其它防水處理即可全投入水中使用。發(fā)明的主要用途及優(yōu)點1、用途用于工礦企業(yè)的水自動化控制。用于河流、水庫、高位水池、水塔，地下水池、渠道、城市下水、管網(wǎng)等水設(shè)施的水自動化監(jiān)控。
2、優(yōu)點a、信號具有遠傳特性?？垢蓴_性能強。
b、測量精度高，誤差小，穩(wěn)定可靠。
c、全投入式，具有不怕泥沙污物堵塞掩埋，沒有機械運動，不存在卡殼失誤的問題。
d、安裝、使用、維護方便。不受安裝條件所限制，可在任何條件下使用。八、發(fā)明附圖另附最佳實施例引黃工程水位監(jiān)測的水位傳感器。
為引黃工程設(shè)計的傳感器直經(jīng)為32毫米，長度為5米。〔分體為兩節(jié)〕該傳感器芯片骨架〔1〕用環(huán)氧樹脂板做成。芯片的正面固定有14塊電路板，固定有D1-D246共246個感應(yīng)神經(jīng)元電路，每個間隔為2厘米〕其它電路塊根據(jù)安裝條件穿插固定在感應(yīng)神經(jīng)元電路板之間。
芯片的背面固定有246個感應(yīng)元電極〔2〕。詳見結(jié)構(gòu)圖〔圖2〕。為2厘米〕感應(yīng)元電極由鎳鉻合金制成外殼用塑料管，與芯片之間的空間用環(huán)氧樹脂澆鑄而成。〔芯片與外殼經(jīng)澆鑄后成為一個實體〕引線端子用自行設(shè)計的帶有水封的接插式引線端子。〔該接插件，在接插緊固好后無需做其它防水處理即可全投入水中使用。


圖1；電路原理圖。
1、恒壓電路 5、基準(zhǔn)電壓源電路2、步進式供電電路6、感應(yīng)觸發(fā)開關(guān)數(shù)字電路3、D-A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 7、傳感元電路4、恒流輸出電路圖2；圖3；圖4；傳感器結(jié)構(gòu)圖。
圖2是傳感器芯片正面圖。圖3是傳感器芯片背面圖。
圖4；是傳感器俯視圖。
1、傳感器芯片骨架5、傳感源電極2、傳感元電極6、可塑性絕緣材料外殼3、傳感元電路板 7、絕緣材料填充材料〔環(huán)氧樹脂澆鑄〕4、水封式接線端子8、電器元件
權(quán)利要求
1.本發(fā)明感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器，其特征在于是一種，水位信號可直接取樣的，按照仿生物學(xué)和仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理而設(shè)計的，是由若干個感應(yīng)式神經(jīng)元電路組成的棒式傳感器，從整體上講該傳感器由兩部分組成。一部分是電路芯片，另一部分是外殼，其芯片骨架用絕緣材料板制成，芯片的正面固定有若干塊感應(yīng)神經(jīng)元電路板，每塊感應(yīng)神經(jīng)元電路都是由一組反相比較型觸發(fā)器和一個感應(yīng)電極構(gòu)成，每個神經(jīng)元電路都是以開關(guān)脈沖的形式輸出數(shù)字信號，固定于傳感器芯片骨架正面上的感應(yīng)神經(jīng)元電路，其間隔為2厘米，芯片的背面固定有若干個感應(yīng)元電極，其間隔亦為2厘米，感應(yīng)元電極由耐腐蝕材料制成，外殼用可塑性絕緣材料澆鑄而成，芯片與外殼經(jīng)澆鑄后成為一個實體。其直徑一般為20-50毫米，長度根據(jù)具體情況一般可設(shè)計為0.5-20米，其引線端子用自行設(shè)計的水封式引線端子。
2.按照權(quán)利要求所說的感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器，其特征在于芯片骨架最好用環(huán)氧樹脂板制成，感應(yīng)元電極最好由石墨、碳或非磁、耐腐、導(dǎo)體材料制成，外殼可用環(huán)氧樹脂、塑料等可塑絕緣材料澆鑄而成，水封式引線端子是用塑料和環(huán)氧樹脂或其它絕緣材料制成的，具有水封閉能力的三芯電器接插件。
全文摘要
一種感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器，是一種用于水位監(jiān)測的傳感器。該傳感器，每一塊感應(yīng)神經(jīng)元電路都是由一組反相比較型觸發(fā)器和一個感應(yīng)電極構(gòu)成。每個神經(jīng)元電路都是以開關(guān)脈沖的形式輸出數(shù)字信號。該傳感器具有步進式激勵電源。信號具有遠傳特性，其安裝、使用、維護方便，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，在任何條件下都能使用。關(guān)鍵是解決了遠距離監(jiān)測的問題。
文檔編號G01F23/24GK1152708SQ9611073
公開日1997年6月25日 申請日期1996年7月11日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月11日
發(fā)明者馬福昌, 賈秀美 申請人:太原工業(yè)大學(xué)