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机械式传感器原理:机械传感器式电子水表的工作原理及设计

发布日期:2022-05-12 点击率:57


机械式传感器原理:机械传感器式电子水表的工作原理及设计  第1张

机械式传感器原理:机械传感器式电子水表的工作原理及设计

描述
今天为大家介绍一项国家发明授权专利——机械传感器式电子水表。该专利由南京水门电子有限公司申请,并于2018年8月31日获得授权公告。
内容说明
本发明涉及的是一种机械传感器式电子水表,属于流量的测量领域。
发明背景
机械水表,以及脉冲式水表和直读式水表的转速流量比,只能是一个固定的比值,即水表齿轮组的变速比。电子水表中的关键部件-单板机电路,最怕水的侵害。特别是超低功耗的技术要求,别说进一滴水,哪怕工作环境湿度增大,造成正负线路间的放电电流增大。就足以使电池提前耗尽,让远传水表失效;其次,传感器的方式目前采用磁隧道效应管。因为水表的信号源在基表水中的叶轮上,而传感器与电路置于电路盒中。为了防止水的侵害,相隔2道防水壁墙。信号能正常传递的只有磁场最为可靠。但是磁场会吸附水中的铁锈,阻塞叶轮的转动;外部强磁场会干扰内部传感器的工作,使得水表不能正常计量。
专利申请号为.6的发明专利公开了一种机械传感器式电子水表,提供了一种低能耗、防磁效率较高、密封性能较好的电子水表,然而实际使用时,因叶轮中心孔是一个内部直径大于下方出口的空心空洞,由于机械传感器式电子水表叶轮的比重减轻至1.05克/立方厘米后,当机械传感器式电子水表安装在验表装置上时,阀门打开,水流入水表内腔时,叶轮中心孔只有1个向下的出口,比水轻的叶轮中心孔内的残留空气,大部分只会聚集在叶轮中心孔上部;在空气中,机械传感器式电子水表叶轮总重量只有5克;在水中,机械传感器式电子水表叶轮重力只有0.25克。当叶轮中心孔残留气体产生的浮力大于0.25克时,将水表叶轮推向上行,与不锈钢顶盖的下部接触,在叶轮转动时,叶轮钢珠会与不锈钢顶盖产生较大的摩擦力。
由于叶轮中心孔内的残留空气体积的大小是随机变化的,从而浮力对叶轮产生的摩擦力也是无法确定的,大大影响了叶轮在流体中的转动速度,改变了叶轮的流体力学性能,使得叶轮转动规律改变,造成机械传感器式电子水表的计量精度也不稳定;同时,该机械传感器式电子水表结构中,叶轮嵌入的磁棒产生的磁场,对流动的水中铁锈的吸附作用的屏蔽,靠的是叶轮下方安装的导磁圈,而实际使用过程中发现,导磁圈减弱了叶轮磁棒向上的磁场信号强度,不利于叶轮转动信号对于传感器的作用。
发明内容
本发明提供了一种机械传感器式电子水表,其目的旨在解决现有电子水表所存在的上述缺陷,提供一种叶轮转速稳定、且叶轮转动信号不受干扰的机械传感器式电子水表。
机械传感器式电子水表的结构示意图
本发明的技术解决方案:机械传感器式电子水表,其结构由机械式基表,和接受磁场信号并进行计算机处理的电路盒两部分组成,所述的基表由产生水流信号的机芯和密封水道的壳体组成,机芯的压盖由无磁性金属的顶盖,工程塑料的上压盖,下压盖组成,机芯的阀座下部是滤网口,阀门接叶轮盒,叶轮盒内的叶轮顶部嵌有磁铁棒;其特征在于,所述上压盖内孔壁上嵌有一个防磁垫圈;所述叶轮是单顶针玛瑙套,小磁棒小钢珠结构,叶轮的下端镶嵌稳定套,在叶轮的玛瑙套下方的位置垂直方向上设有两个对称的排气孔;所述的电路盒内分上、下两部分,下部是由防磁罩保护的磁隧道效应传感器,上部是装有锂电池的主电路板,主电路板顶上是液晶显示器。
本发明的优点:1)毫安级的超低功耗的电路设计,表内置电池不更换,能正常工作十几年以上;2)电路盒的结构和出线设计,不受潮湿工作环境的侵害;同时具有防磁干扰,防非法拆卸,防灰尘污染等功能;3)机芯的设计保证水表计量精度不受水压变化的影响,叶轮的设计保证了灵敏耐磨、转速稳定、读数精准;比重接近水的密度,随水流规律运动;4)采用防磁垫圈设计防磁结构,既不受外界强磁场干扰,又引导内部磁场不对水中的铁锈产生吸附作用。
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机械式传感器原理:机械传感器式电子水表的工作原理及设计  第2张

机械式传感器原理:机械式传感器.ppt

3. 混浊度检测         把被测物放在光学通路中,光源的部分光通量由被测物吸收,剩余的光通量投射到光电元件上。         因被吸收的光通量与被测物的透明度有关,故光电元件收到的光通量也与被测物的透明度有关。所以,通过这种方式可以测量物体的混浊度。         4. 表面粗糙度检测         当光源发出的光投射到被测物上时,被测物把部分光通量反射到光电元件上。         反射的光通量取决于反射表面的性质、状态和与光源之间的距离。利用这个原理可以制成表面粗糙度测试仪。         5. 物体位移量检测         当光源发出的光通量被不透光的被测物遮挡了一部分时,使投射到光电元件上的光通量减弱。         光通量减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关,由光通量减弱的程度可以准确判断被测物在光学通路中的位置。因此,利用这个原理可以制成位移计。         6. 温度检测         当被测物是光辐射源时,被测物发出的光可以投射到光电元件上。         辐射体的温度不同则其发出的光波长和颜色就不同。利用这个原理可以制成光电比色高温计和红外测温仪。 红外测温仪 使用红外测温仪注意目标的尺寸(距离系数L/d)!         7. 光电编码器         光电编码器一般用于轴的角位移的测量。 转轴 光    电编码器 脉冲(增量式光电编码器,相对) 编码(绝对式光电编码器,绝对)       (1)增量式光电编码器         增量式光电编码器把转轴的角位移(转角)变为脉冲信号输出,其输出为“脉冲/转”,最高精度的增量式光电编码器可达到5000脉冲/转(有些资料上介绍,最高可达到脉冲/转)。 注意:正、反转!零位! A B 防止反转或抖动 90°相移 旋转增量式编码器以转动时输出脉冲,通过计数设备实现脉冲的累加来知道其位置,当编码器不动或停电时,依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样,当停电后,编码器不能有任何的移动,不然,当来电工作时,计数设备记忆的零点就会偏移,而且这种偏移的量是无从知道的,只有错误的生产结果出现后才能知道。        (2)绝对式光电编码器(绝对位置编码器)         绝对式光电编码器把转轴的角位移(转角)变为二进制编码输出,最高精度的绝对式光电编码器可输出13位二进制编码(0~360?转角对应0~8192的编码)。  由码盘的机械位置决定,每个位置的输出是唯一的,它无需记忆,无需找参考点 ,它不受停电、干扰的影响。 为消除非单值性误差,采用循环编码方法:格雷码         增量式光电编码器的主要缺点是可能出现累计误差;并且易受电磁干扰。       绝对式光电编码器的主要缺点是检测超过360?后难于直接累计。 第八节  其它常用传感器         一、固态图像传感器         固态图像传感器的功能是把传感器受光面的光像分解成许多像元,并将它们转换为电信号,然后顺序地输送出去。         大部分固态图像传感器的核心部分是 CCD(Charge Couple Device,电荷耦合器),其原理如下图所示。 CCD作为读出移位寄存器,顺序地将电信号在输出端串行输出。         根据光敏二极管的排列方式,CCD可分为:线阵 CCD 和面阵CCD。         目前,在应用中:         线阵 CCD 已能达到 4096 像素;         面阵 CCD 已能达到 1400万  像素。         由于光敏二极管排列整齐、尺寸和位置精确,每个光敏二极管的光电荷量不仅含有光照度的信息,而且还含有位置信息。         固态图像传感器具有小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好和寿命高等优点,并且以光为媒介进行非接触测量,可以达到危险地点,因而得到广泛应用。其主要用途为:     (1)物位、尺寸、形状、表面质量、表面温度等;     (2)作为光学信息处理的输入环节,例如电视摄像、传真、扫描仪、数字化的复印机等。 棒材直径在线检测 连铸坯断面尺寸在线检测 钢板表面缺陷检测         二、超声波物位传感器         超声波物位传感器是利用超声波在气体、液体或固体介质中传播的回声测距的原理检测物位。         超声波物位传感器一般由超声波发生器、接收装置和计时器组成。         超声波发生器是通过对压电晶片施加交变电压,产生超声波。         测量时,检测从超声波发生器发出超声波到接收装置收到回声的时间,根据介质的情况,推算出被测物的距离。 超声波物位传感器使用时应注意:     (1)在近距离有盲区,测远距离需较大的发射能量; 盲区     (2)

机械式传感器原理:深度探索:称重传感器的灵敏度

轮辐式传感器因其低截面设计并且看起来像煎饼又被称为薄饼传感器,此类型传感器可以承受拉力和压力,广泛用于平台秤、汽车衡、轨道衡、拉力试验机等计量场合。
轮辐式传感器的结构
要了解有关轮辐式传感器的更多信息,我们应先了解轮辐式传感器的结构,众所周知,电阻式应变传感器主要由三部分组成:应变计、弹性元件和测量电路。其中,称重传感器的测量电路的基本原理相同,小型的应变计对传感器的结果影响不是很大。称重传感器的种类之所以繁多是因为制造商已经根据传感器的应用进行了改造和设计出更加合理的机械结构,从而设计出了不同形状的弹性元件,传感器也就有了多种形状,用户在使用和安装称重传感器时也变得越来越简单。
轮辐式传感器的弹性元件是孔结构的弹性元件,它的整个结构看起来像一个轮子,并且在轮毂和轮胎之间形成了多个相互对称分布的轮辐。外部负载施加在轮毂的上端面。轮毂、轮辐和轮胎共同构成两侧均有固定支撑的多个剪切梁。轮辐式传感器的弹性元件如下所示:
孔结构的剪切力弹性元件具有低外形和良好的稳定性,它对弯矩不是很敏感,却有很好的线性。横向刚度大,抗侧向和偏心载荷能力强。整体结构是对称的,并且在不同方向上的热膨胀彼此一致,温度系数小。
孔状弹性元件采用简单的钻孔工艺,为了确保截面剪切梁在根部具有较大 的刚度和较小的应力集中,应变区域处于纯剪切应力状态,这可以使电阻应变计的粘贴位置更加合理。如果剪切应变梁形成的孔洞较多,则更容易获得适合粘贴电阻应变片的理想应力区域。
轮辐式传感器的优缺点:
根据以上内容,我们可以知道轮辐式传感器的优缺点:
优点:抗冲击抗偏载能力强,不受加载点和支撑边缘的影响,拥有良好的线性度,采用固定式安装,安装方便,互换性好
缺点:机械加工复杂,制造成本高,滞后容易偏大难以控制
然而,我们在选择传感器的时候,应当在精度和量程相同的参数前提下更加注重传感器的安装条件,下面我们将对比下轮辐式传感器与其他称重传感器来确定是否选择轮辐式传感器。
轮辐称重传感器与S型称重传感器
1. 量程方面:前者的容量要大于后者的容量
2. 安装结构:轮辐式传感器是扁平且大的,而S型传感器是高而窄的,所以选择时候必须要选择合适的安装尺寸。
3. 精度方面:S型称重传感器结构的精度会更高一些,但差异不是很大。
轮辐式称重传感器与柱式称重传感器
1. 安装方面:轮辐式称重传感器具有较短的高度和较大的直径,而柱式称重传感器具有较高的高度和较小的直径。选择主要基于站点安装环境和安装尺寸。
2. 精度的差异:轮辐式传感器的精度略高于柱式传感器,柱式传感器的线性不如轮辐式传感器高
以上就是对轮辐式称重传感器的简单描述,至于是选择轮辐式称重传感器还是S型传感器或是柱式传感器,还是要从量程、应用环境、尺寸大小、技术参数等各方面因素综合考虑。
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机械式传感器原理:磁电式传感器

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磁电式传感器
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磁电式传感器是利用电磁感应原理,将输入的运动速度转换成线圈中的感应电势输出。它直接将被测物体的机械能量转换成电信号输出,工作不需要外加电源,是一种典型的无源传感器。由于这种传感器输出功率较大,因而大大地简化了配用的二次仪表电路。
[1]
磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器, 它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率,故配用电路较简单;零位及性能稳定;
中文名
磁电式传感器
别    名
电动式或感应式传感器
类    别
传感器
工作频带
10~1000Hz
特    性
双向转换
原    理
电磁感应
目录
1
原理结构
2
工作原理
3
测量电路
4
设计原则
5
分类
?
霍尔式
?
应用
6
传递矩阵
7
磁电应用
磁电式传感器原理结构
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利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。根据这一原理,可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构型式,构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。图1所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构。变磁通式结构(a)旋转型(变磁)); (b)平移型(变气隙)其中永久磁铁1(俗称“磁钢”)与线圈4均固定,动铁心3(衔铁)的运动使气隙5和磁路磁阻变化,引起磁通变化而在线圈中产生感应电势,因此又称变磁阻式结构。
图1 变磁式结构
磁电式传感器工作原理
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根据电磁感应定律, 当w匝线圈在恒定磁场内运动时, 设穿过线圈的磁通为Φ, 则线圈内的感应电势E与磁通变化率dΦ/dt有如下关系: E=-w(dΦ/dt)
磁电式传感器测量电路
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磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积分或微分电路。
磁电式传感器设计原则
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磁电感应式传感器有两个基本元件组成:一个是产生恒定直流磁场的磁路系统,为了减小传 感器体积,一般采用永久磁铁;另一个是线圈,由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。感应 电动势与磁通变化率或者线圈与磁场相对运动速度成正比,因此必须使它们之间有一个相对运 动。作为运动部件,可以是线圈,也可以是永久磁铁。所以,必须合理地选择它们的结构形式、 材料和结构尺寸.以满足传感器的基本性能要求。对于惯性式传感器,具体计算时,一般是先根据使用场合、使用对象确定结构形式和体积大 小(即轮廓尺寸),然后根据结构大小初步确定磁路系统,计算磁路以便决定磁感应强度B。这样,由技术指标给定的灵敏度S值以及确定的B值,由S=e/v=BιN即可求得线圈的匝数N。因为 在确定磁路系统时,气隙的尺寸已经确定了,线圈的尺寸也已确定,亦即 ι已经确定。根据这些 参数,便可初步确定线圈导线的直径d。从提高灵敏度的角度来看,B值大,S值也大,因此磁路 结构尺寸应大些。只要结构尺寸允许,磁铁可尽量大些,并选择B值大的永磁材料,匝数N也可 取得大些。当然具体计算时导线的增加也是受其他条件制约的,各参数的选择要统一考虑,尽量从优。
磁电式传感器分类
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一般分为两种:(1)磁电感应式(2)霍尔式
磁电式传感器霍尔式
霍尔效应置于磁场中的导体(或半导体),当有电流流过时,在垂直于电流和磁场的方向会产生电动势(霍尔电势),原因是电荷受到洛伦兹力的作用。定向运动的电子除受到洛仑兹力外,还受到霍尔电场的作用,当fl=fE时,达到平衡,此时基本结构
霍尔元件的基本结构图如图2:
图2
基本特性(1)额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10度时所流过的激励电流以元件最大温升为限制所对应的激励电流(2)输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻电压源内阻(3)不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时,若元件所处位置磁感应强度为零,此时测得的空载霍尔电势。不等位电势就是激励电流经不等位电阻所产生的电压。(4)寄生直流电势(5)霍尔电势温度系数误差补偿(1)零点误差:不等位电势:①电极引出时偏斜,②半导体的电阻特性(等势面倾斜)造成。③激励电极接触不良。寄生直流电势:由于霍耳元件是半导体,外接金属导线时,易引起PN节效应,当电流为交流电时,整个霍耳元件形成整流效应,PN节压降构成寄生直流电势,带来输出误差。补偿方法制作工艺上保证电极对称、欧姆接触电路补偿
[2]
(2)霍尔元件的温度补偿误差原因:温度变化时,KH,Ri(输入电阻)变化补偿办法1.对温度引起的I进行补偿。采用恒流源供电。但只能减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流的变化的影响。2.对KHI乘积项同时进行补偿。采用恒流源与输入回路并联电阻。如图3所示:
图3
磁电式传感器应用
(1)霍尔式位移传感器工作原理图:如图4所示
图4
(2)几种霍尔式转速传感器的结构:如图5所示:
图5
(3)霍尔计数装置的工作示意图及电路图:如图6所示:
[2]
图6
磁电式传感器传递矩阵
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一.传递矩阵一.机械阻抗图(a)所示的质量为m、弹簧刚度为k,阻尼系数为c的单自由度机械振动系统。设在力F作用下产生的振动速度和位移分别为v和x,由此可列出力平衡方程机械阻抗图(b)所示的由电阻R、电感L和电容C组成的串联电路,设电源电压为u,回路电流为i、电荷为q。由此可列出电压平衡方程这两个微分方程式虽然机电内容不同,但形式相同。因此,这两个系统为一对相似系统。一个系统可以根据求解它的微分方程来讨论其动态特性,故上述两相似系统的动态特性必然一致,可以实现机电模拟。一对相似系统(a)单自由度机械振动系统;(b)RLC串联电路在电路中存在着电阻抗,它是将电流与电压联系起来的一个参数,可以设想,如同电路中的电阻抗一样,假设机械系统存在“机械阻抗”ZM。类似于电系统,由第一个式子可得可见ZM是将机械系统 中某一点上的运动响 应与引起这个运动的力联系起来的一个参数。由此可得,作简谐运动的线性机械系统的机械阻抗的定义为机械阻抗ZM(复数)=激振力(复数)/运动响应(复数)引用机械阻抗概念来分析机械系统的动态特性,就可以用简单的代数方法求得描述动态特性的传递函数,而不必求解微分方程。
磁电式传感器磁电应用
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测振传感器磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准,它直接安装在振动体上进行测量,因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。常用地测振传感器有动铁式振动传感器、圈式振动速度传感器等。(一).测振传感器的应用航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等,其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。(二).测振传感器的工作特性振动传感器是典型的集中参数m、k、c二阶系统。作为惯性(绝对)式测振传感器,要求选择较大的质量块m和较小的弹簧常数k。这样,在较高振动频率下,由于质量块大惯性而近似相对大地静止。这时,振动体(同传感器壳体)相对质量块的位移y(输出)就可真实地反映振动体相对大地的振幅x(输入)。磁电式力发生器与激振器前已指出磁电式传感器具有双向转换特性,其逆向功能同样可以利用。如果给速度传感器的线圈输入电量,那么其输出量即为机械量。在惯性仪器——陀螺仪与加速度计中广泛应用的动圈式或动铁式直流力矩器就是上述速度传感器的逆向应用。它在机械结构的动态实验中是非常重要的设备,用以获取机械结构的动态参数,如共振频率、刚度、阻尼、振动部件的振型等。除上述应用外,磁电式传感器还常用于扭矩、转速等测量。
词条图册
更多图册
参考资料
1.

李开宇.传感器原理:科学出版社,2007年
2.

陈杰.传感器与检测技术:高等教育出版社,2002.8:80

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