一种大量程电容型波高传感器的制作方法

本发明属于港口及近海工程物理模型实验研究技术领域，涉及用于实时检测波浪高度及水位高度的波高传感器，尤其是一种大量程电容型波高传感器。

背景技术：

在港口及近海工程实验研究技术领域，造波是进行物理模型试验研究的一种必备实验方法，造波过程中需要使用波高传感器实时检测波浪高度。

一般的液位测量，因液位的变化相对缓慢且液面平整，因此超声波、激光、雷达、电阻、电容、压力、浮子等液位计都可以满足测量需求。波高测量是液位测量的一种，因为液位变化迅速，所以压力、浮子式测量方式便无法使用，又因为液面非常不平整，所以超声波、激光、雷达等方式都无法使用，因此，波高测量仅可选择电阻或电容测量方式。

目前，在进行波高测量时，一般采用小量程电容型波高传感器，该小量程电容型传波高感器结构由两根不锈钢管构成电容的两极，但试验表明，只有在量程较小时(量程小于2m)，才能够保证两根钢管之间的平行度和每根钢管的直线度，从而确保测量精度。但当量程较大时(量程大于2m)，甚至量程大于8m的测量场合，如果仍采用上述电容型波高传感器结构，那么两根钢管之间的平行度和每根钢管的直线度都无法保证，而两根钢管之间平行度和直线度直接影响波高传感器的线性度，从而影响测量精度，产生由于量程变大而导致测量精度低下的问题。

一种双线式电容型波高传感器(cn203422058u)，包括接地测杆、电容感应丝、集线轴、上弹簧锁丝、弹簧、下弹簧锁丝、连接块、电路板、手柄内腔和手柄套筒，所述连接块和所述电路板均固定在所述手柄内腔上，所述手柄内腔固定在所述手柄套筒内；所述弹簧的一端套在所述上弹簧锁丝上，所述上弹簧锁丝与所述集线轴连接，所述弹簧的另一端套在所述下弹簧锁丝上，所述下弹簧锁丝与所述连接块连接；其特征在于，所述电容感应丝为相互平行的两根，两根所述电容感应丝均与所述接地测杆平行，且所述电容感应丝在所述集线轴上汇聚之后依次穿过所述集线轴上的中心孔、所述上弹簧锁丝、所述弹簧、所述连接块和所述下弹簧锁丝，所述电容感应丝的一端环过所述接地测杆的一端，所述电容感应丝的另一端与所述电路板连接。本发明能够解决长距离传送信号的过程中会存在电磁干扰和电压损耗的情况从而影响采集精度的问题。

因此，在大比尺水工试验中，如何找到一个适用于大量程情况下的高精度波高传感器,成为本领域技术人员所面临的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、结构简易、测量精度高的大量程电容型波高传感器。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种大量程电容型波高传感器，包括上张紧架和下张紧架，在所述上张紧架和下张紧架之间固定连接有两个相互平行的电容电极，所述两个相互平行的电容电极与检测电路相连接；所述两个相互平行的电容电极的上端铰装在上张紧架上，该两个相互平行的电容电极的下端铰装在下张紧架上。

而且，所述上张紧架的一侧端面和底面为敞口结构，该上张紧架顶部端面制有用于穿装张紧螺栓的通孔，该张紧螺栓穿过所述通孔与置于上张紧架两侧内壁之间的上张紧块螺纹连接；该上张紧块内左右对称嵌入两个上绝缘块；所述两个上绝缘块分别与两个相互平行的电容电极的上端安装在一起，两个相互平行的电容电极的下端分别与两个下绝缘块安装在一起，所述下绝缘块嵌装在下张紧块内，所述下张紧块可绕下张紧架上的转轴左右旋转。

而且，所述两个相互平行的电容电极由两条长度相同的钢丝制成，所述钢丝外包覆有绝缘层。

而且，所述下张紧架由下安装板和固装在下安装板上的转轴构成，所述转轴前端制有用于安装下张紧块的螺纹，所述下张紧块与下张紧架上的转轴采用轴孔连接，其前端的转轴上同轴安装有用于锁紧下张紧块的螺母和垫片。

而且，所述下张紧块为一块方板，在该方板左右两侧对称制有用于穿装两个相互平行的电容电极的长槽，在该长槽内嵌装有下绝缘块，所述两个相互平行的电容电极的下端分别与嵌装在长槽内的两个下绝缘块安装在一起。

而且，所述两个相互平行的电容电极的两端分别穿装于对应的上绝缘块和下绝缘块的凹槽内，该两个相互平行的电容电极的两端穿过所述凹槽并通过卡环固装在对应的上绝缘块和下绝缘块上。

而且，在所述下绝缘块的空隙处充满绝缘胶。

而且，所述上张紧架和下张紧架分别通过多个胀管固装在水槽或水池壁上。

而且，所述检测电路包括c-t转换模块、单片机、串行输出模块和电源模块；所述c-t转换模块采用单稳态触发器，该c-t转换模块的输入端与电容电极相连接，该c-t转换模块的输出端与单片机相连接，用于将传感器电容量转换为电容的充电时间信号后输出至单片机，所述单片机用于将所述充电时间信号转变为可用于计算、传输和处理的数字量输出至所述串行输出模块，并通过单片机串行接口与上位机通信；所述电源模块的输出端与c-t转换模块和单片机相连接并为其供电。

而且，所述单稳态触发器的核心部件为555定时器，所述单片机为51单片机，所述电源模块采用型号为lm7805的稳压芯片。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明可用于实时采集大幅度变化的波浪高度，当旋转上张紧架上张紧螺栓时，上张紧块随之向上移动，从而使安装在上绝缘块内的两个相互平行的电容电极(即：两条长度相同的钢丝)被拉紧，即便在测量量程较大的情况下，也能够保证波高传感器的两个相互平行的电容电极的直线度和平行度，进而确保了大量程波高传感器的测量精度；而且，在上张紧块向上移动拉紧两个相互平行的电容电极的过程中，如果出现下张紧块两侧的两个相互平行的电容电极的张紧度不一致的情况发生时，可通过下张紧块的左右旋转，自动调整两个相互平行的电容电极的直线度和平行度，更进一步确保了大量程波高传感器的测量精度，多次试验证明，本发明的大量程波电容型高传感器的测量量程可达8-10m。

2、本发明的下张紧块前端的转轴上同轴安装有用于锁紧下张紧块的螺母和垫片，从而防止下张紧块在转动过程中，从下张紧架的转轴上脱落。

3、本发明的两个相互平行的电容电极的两端(即：两条长度相同的钢丝的两端)分别穿装在上绝缘块和下绝缘块上的凹槽内，并通过卡环固定在对应的绝缘块上，卡环用于锁紧两个相互平行的电容电极(即：钢丝的两端)以防止其脱出上绝缘块和下绝缘块。

4、本发明采用绝缘胶充满下绝缘块的空隙处，提高了电容型波高传感器的防水性，确保两条长度相同的钢丝下端与水绝缘，进而确保检测的准确性。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是图1的剖视图；

图3是图2的a部局部放大图；

图4是本发明的检测电路框图；

图5是本发明的检测电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种大量程电容型波高传感器，如图1、图2和图3所示，包括固装在水槽壁上或大型推波板上的上张紧架1和下张紧架5，在所述上张紧架和下张紧架之间固定连接有两个相互平行的电容电极，所述两个相互平行的电容电极与检测电路相连接；所述两个相互平行的电容电极的上端铰装在上张紧架上，该两个相互平行的电容电极的下端铰装在下张紧架上。

在本实施例中，所述上张紧架的一侧端面和底面为敞口结构，该上张紧架顶部端面制有用于穿装张紧螺栓2的通孔，该张紧螺栓穿过所述通孔与置于上张紧架两侧内壁之间的上张紧块11螺纹连接，当旋转张紧螺栓时，所述上张紧块可沿所述上张紧架两侧内壁向上移动；该上张紧块内左右对称嵌入两个上绝缘块13；所述两个上绝缘块分别与两个相互平行的电容电极的上端安装在一起，两个相互平行的电容电极的下端分别与两个下绝缘块7安装在一起，所述下绝缘块嵌装在下张紧块10内，在上张紧块向上移动拉紧两个相互平行的电容电极的过程中，下张紧块可绕下张紧架上的转轴5-2左右旋转。所述两条相互平行的电容电极由两条长度相同的钢丝4构成，所述钢丝外包覆有绝缘层15。

在本实施例中，所述下张紧架由下安装板5-1和固装在下安装板上的转轴5-2构成，所述转轴前端制有用于安装下张紧块的螺纹，所述下张紧块与下张紧架上的转轴采用轴孔连接，其前端的转轴上同轴安装有用于锁紧下张紧块的螺母8和垫片9，从而防止下张紧块在自由转动过程中，从下张紧架的转轴上脱落。

在本实施例中，所述下张紧块为一块方板，在该方板左右两侧对称制有用于穿装两个相互平行的电容电极(即两条长度相同的钢丝)的长槽6，在该长槽内嵌装有下绝缘块，所述两个相互平行的电容电极的下端分别与嵌装在长槽内的两个下绝缘块安装在一起。

在本实施例中，在两个上绝缘块和两个下绝缘块上分别制有用于穿装所述两条相互平行的电容电极(两条长度相同的钢丝)的凹槽，所述两条相互平行的电容电极的两端分别穿装于对应的上绝缘块和下绝缘块的凹槽内，该两个相互平行的电容电极的两端穿过所述凹槽并通过卡环12固装在对应的上绝缘块和下绝缘块上，所述卡环用于锁紧钢丝以防止两条相互平行的电容电极在向上拉紧的过程中，脱出上绝缘块和下绝缘块的凹槽。

在本实施例中，在所述下绝缘块的空隙处充满绝缘胶14。

在本实施例中，所述上张紧架和下张紧架分别通过四个胀管3固装在水槽或水池壁上。

在本实施例中，所述检测电路如图4和图5所示，包括c-t转换模块、单片机、串行输出模块和电源模块；所述c-t转换模块采用单稳态触发器，该c-t转换模块的输入端与电容电极相连接，该c-t转换模块的输出端与单片机相连接，该单稳态触发器的核心部件为555定时器，用于将传感器电容量转换为电容的充电时间信号输出至单片机，所述单片机为51单片机，用于将所述充电时间信号转变为可用于计算、传输和处理的数字量输出至所述串行输出模块，并通过单片机串行接口与上位机通信；所述电源模块的输出端与c-t转换模块和单片机相连接并为其供电。

本发明的大量程电容型波高传感器测量精度不受电源精度的制约，因此采用一般的三端稳压器如lm7805组成的电源电路即可，它具有体积小、成本低、可靠性高等优点。

本发明的工作原理是：

本发明的上张紧架和下张紧架通过胀管固定至水槽或水池壁上，张紧螺栓穿过上张紧架顶部端面上的通孔与上张紧块螺纹连接，两个上绝缘块嵌装在上张紧块中，下张紧块与下张紧架为轴孔连接，螺母和垫片用于锁紧下张紧块，两个下绝缘块镶嵌于下张紧块中，两根长度相同且包有绝缘层的钢丝(即：两个相互平行的电容电极)的两端分别穿过上绝缘块和下绝缘块上的凹槽后，用卡环卡紧固定好，以防钢丝脱出上绝缘块和下绝缘块，再用绝缘胶充满下绝缘块的空隙部分，确保两条钢丝下端与水绝缘。

顺时针旋转张紧螺栓时，上张紧块在螺纹的作用下向上移动，从而拉紧两根钢丝，且在拉紧钢丝的过程中下张紧块可绕下张紧架的转轴左右旋转，使得两根钢丝被拉紧并保持平行，确保了两根电容电极的直线度和平行度，进而保证了波高测量的精确度。在造波试验时，将下张紧架及部分钢丝置于水位线以下，钢丝的电容值随着钢丝浸没水中的深度的改变而线性变化。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。