專利名稱：一種步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置
駄艦
本實(shí)用新型涉及水深測(cè)量裝置，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種步進(jìn)電 機(jī)水深測(cè)量裝置。 背暈技術(shù)
目前，測(cè)量水深的方法有好幾種，如靜壓力一電阻變換的擴(kuò)散硅方法、液 相界面波反射一距離變換的超聲波方法以及液體介質(zhì)介電系數(shù)一電容變換的 電容方法等?；谶@些原理方法的儀表產(chǎn)品在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。然 而在水利行業(yè)，由于測(cè)量裝置必須置于野外，并經(jīng)受酷暑、嚴(yán)寒以及風(fēng)雨雷電 的嚴(yán)峻考驗(yàn)，使用環(huán)境十分惡劣。超聲波方法不僅受溫度影響，而且在下雨時(shí)
雨滴會(huì)使超聲波產(chǎn)生散射和反射影響測(cè)量；電容方法受環(huán)境溫度影響且水文測(cè) 量對(duì)象的水位變化非常之大，所以這些測(cè)量方法在水文測(cè)量領(lǐng)域幾無應(yīng)用，目 前廣泛應(yīng)用的是擴(kuò)散硅壓阻式液位傳感器。但是這種測(cè)量?jī)x器在野外易受潮濕 空氣影響，當(dāng)濕度加大、空氣結(jié)露并逐漸積聚在參考?jí)毫κ乙欢藭r(shí)，會(huì)使測(cè)量 值產(chǎn)生嚴(yán)重漂移。另外，浸入水中的測(cè)量探頭其密封性能在長(zhǎng)時(shí)間的壓力作用 下將漸漸退化，因此產(chǎn)品壽命大受影響。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種測(cè)量精確、適 應(yīng)野外嚴(yán)酷的自然環(huán)境的步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置。
本實(shí)用新型目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 一種步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置，二片測(cè)量電極通過雙芯電極電纜的一端與 相連接前置放大電路電氣連接，前置放大電路與微處理器電氣連接，微處理器 還分別與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、顯示驅(qū)動(dòng)器電氣連接，顯示驅(qū)動(dòng)器與顯示數(shù)碼管電氣連 接；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出端與步進(jìn)電機(jī)相連，步進(jìn)電機(jī)通過安裝在其輸出軸上的繩 輪以及與繩輪連接的鋼繩與二片測(cè)量電極連接。
為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，所述微處理器、顯示驅(qū)動(dòng)器、顯示數(shù) 碼管和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置在電氣線路板上，電氣線路板置于防水機(jī)箱中。
所述步進(jìn)電機(jī)通過支承板安裝在支架板上，支架板嵌入混凝土地基中。 所述支架板上設(shè)有零位開關(guān)，零位開關(guān)經(jīng)緩沖后與微處理器相連。所述二片測(cè)
量電極固定安裝于電極外罩上。所述微處理器為AT89C2051型單片微處理器。 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果
(1) 本實(shí)用新型充分利用了步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)的步距角與直線位移距離嚴(yán)格 線性的特點(diǎn)，再配上步進(jìn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，可以達(dá)到很高的測(cè)量精度，測(cè)量原理 不同于傳統(tǒng)方法。
(2) 本實(shí)用新型的測(cè)量元件只是一對(duì)普通電極，不需要象擴(kuò)散硅壓阻式 液位傳感器那樣嚴(yán)格密封，不受周圍環(huán)境干擾影響，能夠耐受嚴(yán)酷的野外環(huán)境。
(3) 測(cè)量穩(wěn)定不漂移。感測(cè)電極只需測(cè)量有水和無水兩種狀態(tài)，它與環(huán)
境溫度、濕度完全無關(guān)。
(4) 維護(hù)調(diào)整十分容易。步進(jìn)馬達(dá)、測(cè)量電極、驅(qū)動(dòng)電路及數(shù)顯部分是 各自獨(dú)立的，因此可以對(duì)每一獨(dú)立部分分別進(jìn)行調(diào)整、維護(hù)或更換，這大大降 低了裝置的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。
總體來說，本實(shí)用新型充分利用了步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)特點(diǎn)，配上液面感測(cè)電 極，只需測(cè)量有水和無水兩種狀態(tài)，與周圍環(huán)境溫度、濕度完全無關(guān)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，則測(cè)量可以達(dá)到很高的精度，適合水利水文野外測(cè)量環(huán)境。

圖1為本實(shí)用新型步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1中電氣線路板電氣原理圖。 圖3是微處理器工作程序流程框圖具體實(shí)施方式
為了更好地理解本實(shí)用新型，
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一 步地描述。
如圖l、 2所示，步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置包括步進(jìn)電機(jī)4、繩輪2、零位 開關(guān)3、測(cè)量電極9、電極外罩8、鋼繩IO、電極引線電纜ll、機(jī)箱12和電 氣線路板13。 二片測(cè)量電極9通過雙芯電極電纜11與前置放大電路23電氣 連接，前置放大電路23與微處理器20電氣連接，微處理器20還分別與電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器24、顯示驅(qū)動(dòng)器21電氣連接，顯示驅(qū)動(dòng)器21與顯示數(shù)碼管22電氣連 接。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器24輸出端與步進(jìn)電機(jī)4相連，步進(jìn)電機(jī)4通過安裝在其輸出 軸上的繩輪2以及與繩輪2連接的鋼繩10與二片測(cè)量電極9連接，測(cè)量電極 9從上往下伸入須測(cè)量的水文7面上。步進(jìn)電機(jī)4通過支承板5安裝在支架板 1上，支架板1嵌入混凝土地基6中。二片測(cè)量電極9固定安裝于電極外罩8 上。支架板1上設(shè)有零位開關(guān)3，作為系統(tǒng)原點(diǎn)定位之用，當(dāng)電極外罩8碰觸 零位開關(guān)3，即表明系統(tǒng)回復(fù)原點(diǎn)。零位開關(guān)3經(jīng)緩沖后與微處理器(20)相 連。微處理器20、顯示驅(qū)動(dòng)器21、顯示數(shù)碼管22、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器24設(shè)置 在電氣線路板13上，電氣線路板13置于防水機(jī)箱12中。
前置放大變換電路23由第四 第六電阻R4 R6、第一、第二三極管Ql、 Q2和緩沖非門IC2:B構(gòu)成。二片測(cè)量電極9分別與第一三極管Ql和第四電 阻R4連接，第五電阻R5—端同第一三極管Q1基極連接，另一端接地，第一 三極管Ql發(fā)射極與第三三極管Q2基極連接，兩三極管的集電極并連后與緩 沖非門IC2:B連接，緩沖非門IC2:B與微處理器20連接；兩三極管的集電極 還與第六電阻R6連接，第四、第六電阻R4、 R6分別與電源連接。緩沖非門 IC2:B型號(hào)為74HC14。微處理器(CPU) 20為AT89C2051型單片微處理器。 以及第九電阻R9、第十電阻RIO、第九電容C9、第1 第4 二極管D1 D4 連接構(gòu)成。第一二極管D1和第二二極管D2的一端接步進(jìn)電機(jī)A相繞組，另 一端接地。第三二極管D3和第四二極管D4的一端接步進(jìn)電機(jī)B相繞組，另 一端也接地。這四個(gè)二極管在繞組驅(qū)動(dòng)換相時(shí)用來泄放電機(jī)繞組電流以保護(hù)二 相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路IC3中的功率晶體管，以避免電壓過高而損壞。二相 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路IC3型號(hào)為TA8435，第九電阻R9、第十電阻R10用來限制步進(jìn)電機(jī)4每相繞組中的電流，電容C9決定二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電 路IC3中PWM的斬波頻率。顯示驅(qū)動(dòng)器21由三個(gè)串行一并行移位寄存器 IC4 IC6以及與其連接的限流電阻R11 R34構(gòu)成。串行一并行移位寄存器 IC4 IC6型號(hào)為74HC595，它們接收微處理器發(fā)送過來的串行碼，然后將串行 碼變換成數(shù)碼管可以顯示的七段碼并行輸出。數(shù)碼顯示22由三個(gè)共陽高亮數(shù) 碼管DG1 DG3組成，負(fù)責(zé)顯示水深數(shù)據(jù)。零位檢測(cè)由零位開關(guān)3、第一電阻 R1和第四電容C4、緩沖輸出及緩沖非門IC2:F構(gòu)成，當(dāng)電極外罩壓住零位開 關(guān)3時(shí)，緩沖非門IC2:F的輸出產(chǎn)生由低到高的變化。
如圖3所示，使用時(shí)，假定系統(tǒng)起初位于原點(diǎn)，且內(nèi)部計(jì)數(shù)器清零。此時(shí) 微處理器20發(fā)出指令脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)鋼繩10與二片測(cè)量電極9 垂直向下移動(dòng)。每走一步微處理器都掃描一次電極輸入信號(hào)。若電極未觸水， 則驅(qū)動(dòng)電機(jī)再走一步，如此重復(fù)，直到電極接觸水面。當(dāng)測(cè)量電極觸水后，兩 電極間大約有150千歐左右電阻，此時(shí)有微弱電流經(jīng)電源、電阻R4、電極和 水流入Ql基極，經(jīng)過兩三極管Ql、 Q2兩級(jí)放大后，三極管Q2即由截止變 為導(dǎo)通，緩沖非門IC2:B輸出由低電平變到高電平，微處理器監(jiān)測(cè)到這一變化 后即停止電機(jī)運(yùn)行。由于每個(gè)步進(jìn)脈沖的位移當(dāng)量嚴(yán)格確定，所以可根據(jù)總 步數(shù)計(jì)算出原點(diǎn)到液面的距離，再由水利工程相關(guān)高程數(shù)據(jù)立即可求得水深。
應(yīng)用時(shí)，先選一個(gè)二相或四相步進(jìn)電機(jī)4，例如42BYGH41-556型四相步 進(jìn)電機(jī)，加工一個(gè)繩輪2并將之安裝在電機(jī)輸出軸上，再選用細(xì)鋼繩10—根， 將它的一端固定在繩輪1上，另一端與測(cè)量電極9的電極外罩8相連。用不銹 鋼或銅材料制作測(cè)量電極9，再用絕緣材質(zhì)制作電極外罩8，并把測(cè)量電極9 固定在電極外罩8內(nèi)。將測(cè)量電極9引線電纜的一端與二電極相連，另外一端 與電氣線路板13上的前置放大電路23相連。然后用角鋼或鋼板在待測(cè)量的水 面上方制作一個(gè)步進(jìn)電機(jī)固定支架板l，并將步進(jìn)電機(jī)4安裝固定到位。在支 架板上安裝一個(gè)零位開關(guān)3作為系統(tǒng)原點(diǎn)定位之用，當(dāng)電極外罩碰觸該行程開 關(guān)，即表明系統(tǒng)回復(fù)原點(diǎn)。按原理圖2設(shè)計(jì)好電氣線路板13,將前置放大電
路23、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路24、顯示驅(qū)動(dòng)器21與顯示數(shù)碼管22各單元中的元 器件安裝在印制電路板上。然后將電氣線路板置于野外防水機(jī)箱12內(nèi)，并做 好防雷接地。設(shè)置微處理器工作程序并聯(lián)機(jī)調(diào)試。將水深信號(hào)用無線或有線方 式傳送到監(jiān)測(cè)中心，以供三防指揮中心調(diào)度和決策之用。依照上述方法實(shí)施制 作的測(cè)量裝置對(duì)20米范圍內(nèi)的水庫(kù)水位進(jìn)行了連續(xù)跟蹤測(cè)量，結(jié)果表明該裝 置工作穩(wěn)定，測(cè)量精度可達(dá)8%。，這足以滿足水利水文監(jiān)測(cè)需要。
以上所述僅為本實(shí)用新型較佳的可行實(shí)施例，并非因此限定本實(shí)用新型的 保護(hù)范圍，故凡應(yīng)用本實(shí)用新型說明書或附圖內(nèi)容所進(jìn)行的等效結(jié)構(gòu)變化，均 包含于本實(shí)用新型保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置的二片測(cè)量電極(9)通過雙芯電極電纜(11)的一端與相連接前置放大電路(23)電氣連接，前置放大電路(23)與微處理器(20)電氣連接，微處理器(20)還分別與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(24)、顯示驅(qū)動(dòng)器(21)電氣連接，顯示驅(qū)動(dòng)器(21)與顯示數(shù)碼管(22)電氣連接；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(24)輸出端與步進(jìn)電機(jī)(4)相連，步進(jìn)電機(jī)(4)通過安裝在其輸出軸上的繩輪(2)以及與繩輪(2)連接的鋼繩(10)與二片測(cè)量電極(9)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置，其特征在于所述微處理 器(20)、顯示驅(qū)動(dòng)器(21)、顯示數(shù)碼管(22)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(24)設(shè)置在 電氣線路板(13)上，電氣線路板(13)置于防水機(jī)箱(12)中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置，其特征在于所述步進(jìn)電 機(jī)(4)通過支承板(5)安裝在支架板(1)上，支架板(1)嵌入混凝土地基(6)中。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置，其特征在于所述支架板 (1)上設(shè)有零位開關(guān)(3)，零位開關(guān)(3)經(jīng)緩沖后與微處理器(20)相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置，其特征在于所述二片測(cè) 量電極(9)固定安裝于電極外罩(8)上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置，其特征在于所述微處理 器(20)為AT89C2051型單片微處理器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種一種步進(jìn)電機(jī)水深測(cè)量裝置，該裝置的二片測(cè)量電極(9)通過雙芯電極電纜(11)的一端與相連接前置放大電路(23)電氣連接，前置放大電路(23)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(24)、顯示驅(qū)動(dòng)器(21)電氣分別與微處理器(20)電氣連接，顯示驅(qū)動(dòng)器(21)與顯示數(shù)碼管(22)電氣連接；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(24)輸出端與步進(jìn)電機(jī)(4)相連，步進(jìn)電機(jī)(4)通過安裝在其輸出軸上的繩輪(2)以及與繩輪(2)連接的鋼繩(10)與二片測(cè)量電極(9)連接。該裝置充分利用了步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)特點(diǎn)，只需測(cè)量有水和無水兩種狀態(tài)，與周圍環(huán)境溫度、濕度完全無關(guān)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，則測(cè)量可以達(dá)到很高的精度，適合水利水文野外測(cè)量環(huán)境。
文檔編號(hào)G01F23/22GK201069380SQ200720053329
公開日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者胡興剛 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)