CN203949708U - 一种基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计 - Google Patents

Abstract

一种基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计，包括：雷达天线，印制电路板，加速度感应器，其中，印制电路板通过螺柱固定于雷达天线上，加速度感应器焊接在印制电路板上；加速度感应器的X-Y平面平行于印制电路板，印制电路板平行于雷达天线的平面；加速度感应器与雷达式水位计的单片机电气连接；加速度感应器还可用于测量三个轴向的加速度变化的幅度。本实用新型提供的装置使用加速度感应器对测量角度引起的误差进行校正，不需要严格调整雷达式水位计的安装角度。同时，加速度感应器可测量雷达水位计被拆卸或破坏时产生的加速度，由此来判定水位计是否被盗或者遭到破坏。

Description

一种基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计

技术领域

本实用新型涉及自动测量的辅助装置，特别涉及一种用于雷达水位计的测量误差修正装置，能够对自动测量数据进行误差修正并提供报警功能。

背景技术

雷达式水位计在安装时理论上要求雷达电磁波的发射方向垂直于水平面，但由于在安装过程中固定水位计立杆以及水位计与立杆之间的固定均存在误差，因此水位计雷达电磁波的发射方向与水平面的垂线(即重力线)之间存在一个角度，从而造成测量值与实际距离之间的误差。目前雷达式水位计只能通过机械方式调节水位计的安装角度，为了减小测量误差，在安装时往往需要通过机械装置反复调校雷达式水位计的安装角度，这种方法操作不便而且不能保证电磁波发射方向绝对垂直于水平面，测量过程中的角度误差无法消除，也不能保证雷达电磁波的发射方向垂直于水平面。此外，由于水位计一般安装在野外露天的位置且没有报警装置，长时间无人看护，很容易被盗或者被人为的破坏，被盗或损坏后无法得到及时修理或更换，影响对水位的检测。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供用于雷达水位计的测量误差修正装置。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计，包括：雷达天线，印制电路板，加速度感应器，其中，印制电路板通过螺柱固定于雷达天线上，加速度感应器焊接在印制电路板上；加速度感应器的X-Y平面平行于印制电路板，印制电路板平行于雷达天线的平面；加速度感应器与雷达式水位计的单片机电气连接。

进一步地，在上述基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计中，所述加速度感应器为3D加速度感应器，可分别测出重力加速度在三个轴向的分量，并通过三路电压模拟信号来分别表示三个轴向加速度的大小和方向。

进一步地，在上述基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计中所述螺柱为四个等高的铜螺柱。

进一步地，在上述基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计中还包括报警装置；所述加速度感应器还可用于测量三个轴向的加速度变化的幅度，幅度变化超过预警值时报警装置发出警示信号。

本实用新型提供的基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计使用加速度感应器对测量角度引起的误差进行校正，在雷达式水位计安装过程中只需要电磁波发射方向近似垂直于水平面即可(保证雷达天线能接收到水面的反射波)，不需要严格调整雷达式水位计的安装角度。同时通过修正测量角度来消除由于雷达式水位计安装引起的误差，减小了雷达式水位计的测量误差。加速度感应器可测量对雷达水位计被拆卸或破坏时由于震动和移动产生的加速度，由此来判定水位计是否被盗或者遭到破坏。

附图说明

图1为本实用新型一实施例提供的用于雷达式水位计的测量误差修正装置的结构的立体示意图；

图2为电磁波发射方向与重力加速度方向的夹角示意图；

图3为以加速度感应器所在平面为XY平面建立的笛卡尔坐标系示意图；

图4为加速度感应器的三维坐标俯视示意图；

图5为加速度感应器的三维坐标侧视示意图；

图6为电压值的变化量与受到的加速度作用的关系俯视示意图；

图7为电压值的变化量与受到的加速度作用的关系侧视示意图；

图8为加速度感应器与雷达式水位计的MCU之间的电气连接示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型一实施例提供的用于雷达式水位计的测量误差修正装置的结构如图1所示，包括：雷达天线4，印制电路板3，加速度感应器1，其中，印制电路板3通过螺柱2固定于雷达天线4上，加速度感应器1焊接在印制电路板3上；加速度感应器1的X-Y平面平行于印制电路板3，印制电路板3平行于雷达天线4平面；加速度感应器1与雷达式水位计的单片机电气连接。所述加速度感应器1为3D加速度感应器(3D加速度感应芯片)，可分别测出重力加速度在三个轴向的分量，并通过三路电压模拟信号来分别表示三个轴向加速度的大小和方向。所述螺柱2为四个等高的六角铜螺柱。

上述基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计，还可安装报警装置；所述加速度感应器还可用于测量三个轴向的加速度变化的幅度，幅度变化超过预警值时报警装置发出警示信号。所述加速度感应器通过比较加速度感应器测到的三个轴向的加速度变化幅度来判定水位计是否发生了剧烈晃动或者位置发生了变动，从而可以判定水位计是否遭到了破坏或者被盗。

使用上述实施例提供的基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计进行测量误差修正的方法如下：

首先，利用3D加速度感应器计算雷达电磁波发射方向与重力线(垂直于水平面)之间的夹角θ(如图2所示)。

其次，3D加速度感应器可以分别测出笛卡尔坐标系中X、Y、Z坐标轴方向的加速度大小。如图3所示，以加速度感应器所在的平面为XY平面建立笛卡尔坐标系，由于加速度感应器所在平面平行于雷达天线平面，所以XY平面也可以是天线平面。电磁波发射方向垂直于雷达天线平面，即平行于Z'坐标轴。通过3D加速度感应器可以分别测出重力加速度A在X'轴，Y'轴，Z'轴的加速度分量，分别用A_x'，A_y'，A_z'表示。设电磁波发射方向与重力加速度方向之间的角度为θ，在测得A_x'，A_y'，A_z'之后利用三角函数运算可以得到：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\sqrt{{A_{x^{\′}}}^2+{A_{y^{\′}}}^2}}{A_{z^{\′}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\sqrt{{A_{x^{\′}}}^2+{A_{y^{\′}}}^2}}{A_{z^{\′}}}\right)---\left(2\right)$

通过三角函数运算来修正雷达式水位计测量值与实际值之间的误差。

由于雷达式水位计在安装过程中并不能保证雷达天线平面与水平面绝对平行，因此雷达式水位计测得的天线到水面的距离并不是真正的雷达天线到水面的距离。设水位计测得的距离为R'，实际距离为R。如图3所示，R'和R之间存在如下对应关系：

R＝R′×cosθ   (3)

由公式(2)和公式(3)可得：

$R=R^{\′}\×\frac{A_{Z^{\′}}}{\sqrt{{A_{x^{\′}}}^2+{A_{y^{\′}}}^2+{A_{z^{\′}}}^2}}---\left(4\right)$

然后，加速度感应器分别测出重力加速度在三个轴向的分量后通过三路电压模拟信号来分别表示三个轴向加速度的大小和方向。加速度感应器的三维坐标示意图如图4所示，图中X，Y，Z轴与图1中所示的X'，Y'，Z'轴相对应。

如图6和7所示，加速度为0时，输出的电压值位1.65V；加速度为1G(标准重力加速度)时，加速度感应器的输出电压改变800mV。电压值的变化量与受到的加速度作用成线性比例关系。加速度作用在图5所示的X，Y，Z轴的正方向时，输出电压值减小；作用在X，Y，Z轴的负方向时，电压值增大。因此可以通过比较电压值的变化量来确定每个坐标轴上的加速度的大小和方向。

图8所示为加速度感应器与雷达式水位计的MCU之间的电气连接示意图。雷达式水位计的MCU(即单片机)对分别代表3个轴向加速度的电压值进行模拟采样，并对采样数据进行处理得到X，Y，Z三个轴向的加速度大小。通过公式(4)的计算方法对测得距离进行修正，并可以通过公式(2)计算出电磁波发射方向与重力线之间的夹角。

通过采用3D加速度感应器对水位计进行修正不但可以修正水位计的误差，同时也可以免去水位计安装维护时对水位计进行角度精确调整的步骤。

以量程20m的水位计为例，在θ＝5°时，测量的误差为20×(1-cos(5°))＝0.076m。

在以往水位计安装过程中，要花费大量的时间来调整水位计的角度。由于水位计的安装位置处于水面正上方，因此大部分水位计进行角度调节时都需要借助高空作业的吊车或者高空工作台等大型设备，从而造成水位计的安装维护成本非常高。采用3D加速度感应器对水位计进行校准以后，水位计不再需要进行精确的角度调整，只需要在固定水位计的支撑杆之前粗略调整好水位计与支撑杆之间的角度即可，不再需要借助大型高空作业设备来调节水位计的角度。

水位计被盗时，在拆下水位计的时候水位计会产生大小和方向不规律的加速度；一般情况下，水位计遭到破坏时会发生剧烈的晃动从而各个方向上的加速度也会发生剧烈的变化。可以通过加速的变化来判定水位计是否遭到了破坏或者被盗。一旦判定水位计遭到了破坏或者被盗可以向中心站发送警报信息或者发出报警鸣笛声。

采用3D加速度感应器对水位计测量误差进行修正不但可以提高水位计的测量精度，而且能在很大程度上降低水位计的安装维护成本。同时，水位计的使用和看管维护人员可以在水位计遭到破坏和被盗时及时收到报警信息，可以更加高效便捷的进行水位计的管护工作。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计，其特征在于，包括：雷达天线，印制电路板，加速度感应器，其中，印制电路板通过螺柱固定于雷达天线上，加速度感应器焊接在印制电路板上；加速度感应器的X-Y平面平行于印制电路板，印制电路板平行于雷达天线的平面；加速度感应器与雷达式水位计的单片机电气连接。

2.根据权利要求1所述的基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计，其特征在于，所述加速度感应器为3D加速度感应器，可分别测出重力加速度在三个轴向的分量，并通过三路电压模拟信号来分别表示三个轴向加速度的大小和方向。

3.根据权利要求1所述的基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计，其特征在于，所述螺柱为四个等高的铜螺柱。

4.根据权利要求1所述的基于加速度传感器修正水位值的雷达式水位计，其特征在于，还包括报警装置；所述加速度感应器还可用于测量三个轴向的加速度变化的幅度，幅度变化超过预警值时报警装置发出警示信号。