專利名稱：感應式數字水位傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于自動化控制技術領域，具體而言是一種用于水位和導電液位檢測的傳感器。
目前國內外在水位監測方面采用的技術和產品不少，歸納起來為以下幾種1、超聲波探測器。這類產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。目前國內外都有此類產品生產廠家。
2、壓差式水位傳感器隨著半導體技術的發展，半導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準大氣壓的壓差。它是通過水底壓強使半導體擴散硅薄膜產生形變的壓電效應，而獲取水位信號。目前國內外都有此類產品生產廠家。
3、電容式水〔物〕位傳感器是近些年出現的新產品、新技術，它是依靠電容原理而制作的。電容是由兩極板和介質構成的，改變介質將改變電容量。水作為電容的介質，水淹沒傳感器越多，介質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，目前國內也有廠家生產。
以上幾種傳感器雖然技術比較成熟，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。目前在工業控制或者是民用事業的水位監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。不銹鋼管內裝有四個干簧繼電器，空心球內裝有一塊永久磁鐵。當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于四個定點水位開關，用這四個水位開關對水動力裝置進行控制。它的優點是安裝使用方便，強信號便于輸送，且造價低，所以適應面廣。它的缺點是不能連續測量水位，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。
隨著科學技術的迅猛發展，水位監測不只是大型水利工程和工業自動控制中應用，高樓大廈的高位水箱、水塔、城市地下水道管網、地下水池水井等等，都需要水位監控。都需要新技術來解決當前存在的問題，引黃入晉工程的水位監測問題就是突出的一例。工業控制和民用事業中的水位控制，在現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控裝置。本發明的目得在于1、解決現有技術不能解決的問題，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、地下管溝等水位監測。
3、降低造價，提供一種結構簡單，適應性強的水位可直接采樣的普及通用型水位傳感器。
本發明感應式水位傳感器是按照仿生物學的思路，按照仿神經網絡理論而設計的。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細胞，每個細胞相當于一個傳感器，眾多的神經細胞組成了神經網絡，向神經中樞〔大腦〕輸送信息。目前研究表明，生物神經網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元將外界信息，經過神經軸索送入大腦神經中樞。經大腦處理后的信息，再由神經軸索伸向各功能器，支配生物的各種行為。
本發明感應式數字水位傳感器，其特征在于是一種，水位信號可直接取樣的，按照仿生物學和仿神經網絡原理而設計的，是由若干個感應式神經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神經元電路板，每塊感應神經元電路都是由一組反相比較型觸發器和一個感應電極構成，每個神經元電路都是以開關脈沖的形式輸出數字信號，固定于傳感器芯片骨架正面上的感應神經元電路，其間隔為2厘米，芯片的背面固定有若干個感應元電極，其間隔亦為2厘米，感應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，芯片與外殼經澆鑄后成為一個實體。其直徑一般為20-50毫米，長度根據具體情況一般可設計為0.5-20米，其引線端子用自行設計的水封式引線端子。
感應式數字水位傳感器，其特征在于芯片骨架最好用環氧樹脂板制成，感應元電極最好由石墨、碳或非磁、耐腐、導體材料制成，外殼可用環氧樹脂、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。
感應式數字傳感器在使用時傳感器垂直安裝于水中，當水位上下變化時相應的神經元電路向中樞發出信號。具體而言就是，水面靠近某個內部神經元電路時，該電路產生觸發性翻轉，輸出信號由“1”變為“O”。當水面離開內部神經元電路時輸出信號由“0”變為“1”。若干個神經元電路組成了一條水位神經線。每一塊神經元電路都是由一組反相比較型觸發器和一個感應電極構成。詳見原理圖。〔圖1〕每個神經元電路都是以開關脈沖的形式輸出數字信號，再經過D-A轉換電路，將開關數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。設計在15-36伏范圍內供電，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式神經元電路懸浮供電。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。〔結構祥見圖2、圖3、圖4〕芯片骨架〔1〕用環氧樹脂板做成，〔或其它絕緣材料板〕芯片的正面固定有若干塊感應神經元電路板〔3〕，其它電路塊根據安裝條件穿插固定在感應神經元電路板之間。
芯片的背面固定有若干個感應元電極〔2〕。詳見結構圖〔圖2〕。
感應元電極由石墨、碳或其它非磁耐腐導體材料制成。
外殼用可塑性絕緣材料澆鑄而成。可用材料有環氧樹脂、塑料等。〔芯片與外殼經澆鑄后成為一個實體〕引線端子〔4〕用自行設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。發明的主要用途及優點1、用途用于工礦企業的水自動化控制。用于河流、水庫、高位水池、水塔，地下水池、渠道、城市下水、管網等水設施的水自動化監控。
2、優點a、信號具有遠傳特性。抗干擾性能強。
b、測量精度高，誤差小，穩定可靠。
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、發明附圖另附最佳實施例引黃工程水位監測的水位傳感器。
為引黃工程設計的傳感器直經為32毫米，長度為5米。〔分體為兩節〕該傳感器芯片骨架〔1〕用環氧樹脂板做成。芯片的正面固定有14塊電路板，固定有D1-D246共246個感應神經元電路，每個間隔為2厘米〕其它電路塊根據安裝條件穿插固定在感應神經元電路板之間。
芯片的背面固定有246個感應元電極〔2〕。詳見結構圖〔圖2〕。為2厘米〕感應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氧樹脂澆鑄而成。〔芯片與外殼經澆鑄后成為一個實體〕引線端子用自行設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、基準電壓源電路2、步進式供電電路6、感應觸發開關數字電路3、D-A數模轉換電路 7、傳感元電路4、恒流輸出電路圖2；圖3；圖4；傳感器結構圖。
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〔環氧樹脂澆鑄〕4、水封式接線端子8、電器元件
權利要求
1.本發明感應式數字水位傳感器，其特征在于是一種，水位信號可直接取樣的，按照仿生物學和仿神經網絡原理而設計的，是由若干個感應式神經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神經元電路板，每塊感應神經元電路都是由一組反相比較型觸發器和一個感應電極構成，每個神經元電路都是以開關脈沖的形式輸出數字信號，固定于傳感器芯片骨架正面上的感應神經元電路，其間隔為2厘米，芯片的背面固定有若干個感應元電極，其間隔亦為2厘米，感應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，芯片與外殼經澆鑄后成為一個實體。其直徑一般為20-50毫米，長度根據具體情況一般可設計為0.5-20米，其引線端子用自行設計的水封式引線端子。
2.按照權利要求所說的感應式數字水位傳感器，其特征在于芯片骨架最好用環氧樹脂板制成，感應元電極最好由石墨、碳或非磁、耐腐、導體材料制成，外殼可用環氧樹脂、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
一種感應式數字水位傳感器，是一種用于水位監測的傳感器。該傳感器，每一塊感應神經元電路都是由一組反相比較型觸發器和一個感應電極構成。每個神經元電路都是以開關脈沖的形式輸出數字信號。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，結構簡單，造價低，在任何條件下都能使用。關鍵是解決了遠距離監測的問題。
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 優先權日1996年7月11日
發明者馬福昌, 賈秀美 申請人:太原工業大學