一种实验用高精度数字化自动水位测试系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种实验用高精度数字化自动水位测试系统，包括：电源；导电探针，与电源连接；驱动机构，用于根据驱动指令驱动导电探针升降移动；接地模块，用于使待测溶液接地；位移传感器，用于采集导电探针的位置信息；控制模块，分别与驱动机构和位移传感器连接，控制模块用于向驱动机构发送驱动指令，控制模块还用于在电源、导电探针、待测溶液和接地模块之间形成通路时获取导电探针的第一位置信息，控制模块还用于在导电探针接触待测溶液的底面时获取导电探针的第二位置信息，控制模块还用于根据导电探针的第一位置信息和第二位置信息得到待测溶液的深度信息。本发明具有如下优点：测量结果精度高且无需进行换算。
【专利说明】
一种实验用高精度数字化自动水位测试系统
技术领域
[0001]本发明涉及公共安全与水利学交叉领域，特别涉及一种实验用高精度数字化自动水位测试系统。
【背景技术】
[0002]许多科学实验(尤其是水力学等领域)中需要对水深进行精确的测量。目前已有的各种水深传感器有时无法满足实验需求。超声波液面探测器精度有限，一般仅能达到厘米量级，少数能达到毫米量级，无法满足精密实验的要求。激光测距探测器本身精度很高，但由于水的透明度很高，用于水深测量时效果不好。压力式传感器受环境温度以及气压的影响比较大，因此精度有限，而且在某些不满足静压分布的场合下使用会导致测量错误(例如降雨实验中雨滴会造成额外的冲击压力，导致压力传感器测量值反推的水深偏大)。电阻、电容式水深传感器需要接触测量，在涉及水流动的实验中可能影响流场，还会因为接触角滞回现象而产生额外误差。此外，目前大部分水深传感器都输出模拟信号，需要进行模数转换才能连接计算机实现数据自动采集和处理，模数转换过程中不可避免地会产生二次误差。而且，模拟信号在较长距离传输过程中容易受到干扰，导致数据出错。
【发明内容】
[0003]本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
[0004]为此，本发明的一个目的在于提出一种测量结果精度高且无需进行换算的实验用高精度数字化自动水位测试系统。
[0005]为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种实验用高精度数字化自动水位测试系统，包括:电源；导电探针，所述导电探针与所述电源连接;驱动机构，所述驱动机构用于根据驱动指令驱动所述导电探针升降移动;接地模块，所述接地模块用于使待测溶液接地;位移传感器，所述位移传感器用于采集所述导电探针的位置信息;控制模块，分别与所述驱动机构和所述位移传感器连接，所述控制模块用于向所述驱动机构发送所述驱动指令，所述控制模块还用于在所述电源、所述导电探针、所述待测溶液和所述接地模块之间形成通路时获取所述导电探针的第一位置信息，所述控制模块还用于在所述导电探针接触所述待测溶液的底面时获取所述导电探针的第二位置信息，所述控制模块还用于根据所述导电探针的第一位置信息和第二位置信息得到所述待测溶液的深度信息。
[0006]根据本发明实施例的实验用高精度数字化自动水位测试系统，当导电探针接触待测溶液的水面导电时获取导电探针的第一位置，当导电探针接触待测溶液的底面时，且探针在竖直方向不再移动获取导电探针的第二位置，根据第一位置和第二位置得到所述待测溶液的深度，测量结果精度高且无需进行换算。
[0007]另外，根据本发明上述实施例的实验用高精度数字化自动水位测试系统，还可以具有如下附加的技术特征:
[0008]进一步地，还包括:探针安装部件;安装架;其中，所述导电探针设置所述探针安装部件上，所述位移传感器为电子数显标尺，所述电子数显标尺的标尺的一端固定设置在所述安装架上，所述电子数显标尺的数显单元设置在所述探针安装部件上;所述驱动机构包括带动机构和驱动单元，所述带动机构和所述探针安装部件通过连接绳连接，所述驱动单元用于驱动所述带动机构升降移动。
[0009]进一步地，所述安装架上设置有竖直导轨，所述带动机构为滑块，所述滑块在所述竖直导轨上滑动。
[0010]进一步地，还包括:弹簧，所述弹簧分别与所述安装架与所述探针安装部件连接，所述弹簧用于在所述导电探针处于所述待测溶液底部时，向所述探针安装部件添加向所述待测溶液底部方向的作用力以保证所述导电探针与所述待测溶液的底面的位置相对固定。
[0011]进一步地，还包括至少一个滑轮，所述弹簧为拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的一端与所述安装架固定连接，所述拉伸弹簧的另一端通过所述至少一个滑轮与所述探针安装部件连接，所述至少一个滑轮用于改变受力方向。
[0012]进一步地，所述弹簧为压缩弹簧，所述压缩弹簧的一端与所述安装架固定连接，所述压缩弹簧的另一端与所述探针安装部件固定连接。
[0013]进一步地，所述电源为负电源。
[0014]进一步地，所述导电探针为不锈钢探针。
[0015]进一步地，所述导电探针包括探针主体和针头，所述探针主体为圆柱体，所述圆柱体的底面直径大于等于三毫米且小于等于五毫米，所述针头设置在所述探针主体的下方。
[0016]进一步地，所述安装架为铝合金安装架。
[0017]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0018]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0019]图1是本发明一个实施例的实验用高精度数字化自动水位测试系统的结构框图；
[0020]图2是本发明一个实施例的实验用高精度数字化自动水位测试系统中部分结构的结构示意图；
[0021]图3是本发明实施例的精度数字化自动水位测针与采用精密电子天平称重的方法精确求出容器中实际水深的测量结果的对比图。
【具体实施方式】
[0022]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0023]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0024]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0025]参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0026]以下结合附图描述根据本发明实施例的实验用高精度数字化自动水位测试系统。
[0027]图1是本发明一个实施例的实验用高精度数字化自动水位测试系统的结构框图。
[0028]如图1所示，一种实验用高精度数字化自动水位测试系统，包括:电源110、导电探针120、驱动机构130、接地模块140、位移传感器150和控制模块160。
[0029]其中，导电探针120与电源110连接。驱动机构130用于根据驱动指令驱动导电探针120升降移动。接地模块140用于使待测溶液接地。位移传感器150用于采集导电探针120的位置信息。控制模块160分别与驱动机构130和位移传感器150连接，用于向驱动机构130发送驱动指令。控制模块160还用于在电源110、导电探针120、待测溶液和接地模块140之间形成通路时获取导电探针120的第一位置信息，以及在导电探针120接触待测溶液的底面时获取导电探针120的第二位置信息，并根据导电探针120的第一位置信息和第二位置信息得到待测溶液的深度信息。
[0030]具体地，在进行实验时，导电探针120垂直于待测溶液的水面设置。开启电源110，并使接地模块与待测溶液连接。控制模块160向驱动机构130发送驱动指令，驱动机构130根据驱动指令控制导电探针120竖直向下移动。当导电探针120接触待测溶液的水面时，在电源110、导电探针120、待测溶液和接地模块140之间连通，此时控制模块160检测到上述模块连通时，控制驱动机构130暂停驱动导电探针120继续向下移动，保持导电探针120位置固定第一预设时间。导电探针120在接触待测溶液的水面时会引起水面出现波动，暂停第一预设时间是为了可以准确测量导电探针120的第一位置信息。具体地，在第一预设时间内，位于传感器持续获取导电探针120的位置信息并进行平均从而得到导电探针120的第一位置信息。由于导电探针120的下端与被测量位置之间的距离固定，因此第一位置信息可反映待测溶液的水面高度位置信息。在本发明的一个示例中，第一预设时间为0.5秒-1秒。当控制机构160采集并记录第一位置信息后，继续控制驱动机构130继续驱动导电探针120继续向下移动，直到导电探针120在竖直方向上不再移动(即导电探针120的下端接触待测溶液的底面)为止。然后等待第二预设时间。导电探针120在待测溶液中移动时会引起波动，暂停第二预设时间是为了可以准确测量导电探针120的第二位置信息，第二位置信息可反映待测溶液的水底高度位置信息。具体地，在第二预设时间内，位于传感器持续获取导电探针120的位置信息并进行平均从而得到导电探针120的第二位置信息。然后根据导电探针120的第一位置信息和第二位置信息得到导电探针120在待测溶液中的位移，进而得到待测溶液的深度信息。第二预设时间为0.5秒-1秒。
[0031]图2是本发明一个实施例的实验用高精度数字化自动水位测试系统中部分结构的结构示意图。如图2所示，在本发明的一个实施例中，实验用高精度数字化自动水位测试系统还包括探针安装部件131。探针安装部件131上设置有位置信号发送模块。位移传感器150为电子数显标尺。电子数显标尺的标尺(图中未示出)的一端固定设置在安装架133上，电子数显标尺的数显单元设置在探针安装部件131上。导电探针120设置探针安装部件131上。驱动机构130包括带动机构和驱动单元，带动机构和探针安装部件131通过连接绳132连接，驱动单元用于驱动带动机构升降移动。当导电探针120的下端接触待测溶液的底面时，探针安装部件131不会继续移动，而带动机构在驱动单元的驱动下继续向下小范围移动，由于连接绳132的存在，可以避免损坏导电探针120。
[0032]在本发明的一个实施例中，实验用高精度数字化自动水位测试系统还包括安装架133，安装架133上设置有竖直导轨134。带动机构为滑块135，滑块135在竖直导轨134上滑动，可以保证与滑块134通过连接绳132连接的探针安装部件131在竖直方向上移动，提升驱动方向上的精度。
[0033]在本发明的一个实施例中，实验用高精度数字化自动水位测试系统还包括弹簧。弹簧分别与安装架133与探针安装部件131连接。弹簧用于在导电探针120处于待测溶液底部时，向探针安装部件131添加向待测溶液底部方向的作用力以保证导电探针120与待测溶液的底面的位置相对固定，进而保证导电探针120在待测溶液的底面持续第二预设时间内采集导电探针120位置的准确性。
[0034]在本发明的一个实施例中，实验用高精度数字化自动水位测试系统还包括至少一个滑轮。弹簧为拉伸弹簧170。拉伸弹簧170的一端与安装架133固定连接，另一端通过至少一个滑轮与探针安装部件131连接，至少一个滑轮用于改变受力方向。在本发明的一个示例中，采用第一滑轮181和第二滑轮182改变受力方向，从而在导电探针120接触待测溶液的底面后，在没有探针安装部件131没有受到驱动单元的驱动力时，保证导电探针120与待测溶液的底面的位置相对固定，进而提升位置采集精度。
[0035]在本发明的一个实施例中，簧为压缩弹簧。压缩弹簧的一端与安装架133固定连接，另一端与探针安装部件131固定连接，从而在导电探针120接触待测溶液的底面后，在探针安装部件131没有受到驱动单元的驱动力时，保证导电探针120与待测溶液的底面的位置相对固定，进而提升位置采集精度。
[0036]在本发明的一个实施例中，电源110为负电源，从而使得导电探针120的电势比待测溶液低，进而可以防止导电探针120被电解腐蚀。
[0037]在本发明的一个实施例中，导电探针120为不锈钢探针，防止导电探针120被腐蚀。在本发明的一个示例中，导电探针120采用304不锈钢或316不锈钢材料制成。
[0038]在本发明的一个实施例中，导电探针120包括探针主体和针头。针头设置在探针主体的下方。探针主体为圆柱体，圆柱体的底面直径大于等于三毫米且小于等于五毫米，太细硬度不够，测量底面时可能产生弯曲，造成底面位置测量值偏低，导致水深测量值偏大;太粗则导致成本上升，且测量流动的水时粗探针引起的阻力大，测量结束后水流需要较长时间恢复稳定。。
[0039]在本发明的一个实施例中，安装架133为铝合金安装架，保证强度同时降低重量。
[0040]图3是本发明实施例的精度数字化自动水位测针与采用精密电子天平称重的方法精确求出容器中实际水深的测量结果的对比图。有图3可知，均方误差(RMSE)仅为0.06mm。
[0041]另外，本发明实施例的实验用高精度数字化自动水位测试系统的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
[0042]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0043]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
【主权项】
1.一种实验用高精度数字化自动水位测试系统，其特征在于，包括: 电源； 导电探针，所述导电探针与所述电源连接； 驱动机构，所述驱动机构用于根据驱动指令驱动所述导电探针升降移动； 接地模块，所述接地模块用于使待测溶液接地； 位移传感器，所述位移传感器用于采集所述导电探针的位置信息； 控制模块，分别与所述驱动机构和所述位移传感器连接，所述控制模块用于向所述驱动机构发送所述驱动指令，所述控制模块还用于在所述电源、所述导电探针、所述待测溶液和所述接地模块之间形成通路时获取所述导电探针的第一位置信息，所述控制模块还用于在所述导电探针接触所述待测溶液的底面时获取所述导电探针的第二位置信息，所述控制模块还用于根据所述导电探针的第一位置信息和第二位置信息得到所述待测溶液的深度?目息O2.根据权利要求1所述的实验用高精度数字化自动水位测试系统，其特征在于，还包括: 探针安装部件； 安装架； 其中，所述导电探针设置所述探针安装部件上，所述位移传感器为电子数显标尺，所述电子数显标尺的标尺的一端固定设置在所述安装架上，所述电子数显标尺的数显单元设置在所述探针安装部件上;所述驱动机构包括带动机构和驱动单元，所述带动机构和所述探针安装部件通过连接绳连接，所述驱动单元用于驱动所述带动机构升降移动。3.根据权利要求2所述的实验用高精度数字化自动水位测试系统，其特征在于，所述安装架上设置有竖直导轨，所述带动机构为滑块，所述滑块在所述竖直导轨上滑动。4.根据权利要求3所述的实验用高精度数字化自动水位测试系统，其特征在于，还包括: 弹簧，所述弹簧分别与所述安装架与所述探针安装部件连接，所述弹簧用于在所述导电探针处于所述待测溶液底部时，向所述探针安装部件添加向所述待测溶液底部方向的作用力以保证所述导电探针与所述待测溶液的底面的位置相对固定。5.根据权利要求4所述的实验用高精度数字化自动水位测试系统，其特征在于，还包括至少一个滑轮，所述弹簧为拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的一端与所述安装架固定连接，所述拉伸弹簧的另一端通过所述至少一个滑轮与所述探针安装部件连接，所述至少一个滑轮用于改变受力方向。6.根据权利要求4所述的实验用高精度数字化自动水位测试系统，其特征在于，所述弹簧为压缩弹簧，所述压缩弹簧的一端与所述安装架固定连接，所述压缩弹簧的另一端与所述探针安装部件固定连接。7.根据权利要求1-6任一项所述的实验用高精度数字化自动水位测试系统，其特征在于，所述电源为负电源。8.根据权利要求1-6任一项所述的实验用高精度数字化自动水位测试系统，其特征在于，所述导电探针为不锈钢探针。9.根据权利要求1-6任一项所述的实验用高精度数字化自动水位测试系统，其特征在于，所述导电探针包括探针主体和针头，所述探针主体为圆柱体，所述圆柱体的底面直径大于等于三毫米且小于等于五毫米，所述针头设置在所述探针主体的下方。10.根据权利要求3-6任一项所述的实验用高精度数字化自动水位测试系统，其特征在于，所述安装架为铝合金安装架。
【文档编号】G01F23/00GK106092252SQ201610626181
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月2日 公开号201610626181.8, CN 106092252 A, CN 106092252A, CN 201610626181, CN-A-106092252, CN106092252 A, CN106092252A, CN201610626181, CN201610626181.8
【发明人】苏伯尼, 黄弘, 张楠
【申请人】清华大学