發布日期：2022-05-12 點擊率：73
描述
今天為大家介紹一項國家發明授權專利——機械傳感器式電子水表。該專利由南京水門電子有限公司申請，并于2018年8月31日獲得授權公告。
內容說明
本發明涉及的是一種機械傳感器式電子水表，屬于流量的測量領域。
發明背景
機械水表，以及脈沖式水表和直讀式水表的轉速流量比，只能是一個固定的比值，即水表齒輪組的變速比。電子水表中的關鍵部件-單板機電路，最怕水的侵害。特別是超低功耗的技術要求，別說進一滴水，哪怕工作環境濕度增大，造成正負線路間的放電電流增大。就足以使電池提前耗盡，讓遠傳水表失效；其次，傳感器的方式目前采用磁隧道效應管。因為水表的信號源在基表水中的葉輪上，而傳感器與電路置于電路盒中。為了防止水的侵害，相隔2道防水壁墻。信號能正常傳遞的只有磁場最為可靠。但是磁場會吸附水中的鐵銹，阻塞葉輪的轉動；外部強磁場會干擾內部傳感器的工作，使得水表不能正常計量。
專利申請號為.6的發明專利公開了一種機械傳感器式電子水表，提供了一種低能耗、防磁效率較高、密封性能較好的電子水表，然而實際使用時，因葉輪中心孔是一個內部直徑大于下方出口的空心空洞，由于機械傳感器式電子水表葉輪的比重減輕至1.05克/立方厘米后，當機械傳感器式電子水表安裝在驗表裝置上時，閥門打開，水流入水表內腔時，葉輪中心孔只有1個向下的出口，比水輕的葉輪中心孔內的殘留空氣，大部分只會聚集在葉輪中心孔上部；在空氣中，機械傳感器式電子水表葉輪總重量只有5克；在水中，機械傳感器式電子水表葉輪重力只有0.25克。當葉輪中心孔殘留氣體產生的浮力大于0.25克時，將水表葉輪推向上行，與不銹鋼頂蓋的下部接觸，在葉輪轉動時，葉輪鋼珠會與不銹鋼頂蓋產生較大的摩擦力。
由于葉輪中心孔內的殘留空氣體積的大小是隨機變化的，從而浮力對葉輪產生的摩擦力也是無法確定的，大大影響了葉輪在流體中的轉動速度，改變了葉輪的流體力學性能，使得葉輪轉動規律改變，造成機械傳感器式電子水表的計量精度也不穩定；同時，該機械傳感器式電子水表結構中，葉輪嵌入的磁棒產生的磁場，對流動的水中鐵銹的吸附作用的屏蔽，靠的是葉輪下方安裝的導磁圈，而實際使用過程中發現，導磁圈減弱了葉輪磁棒向上的磁場信號強度，不利于葉輪轉動信號對于傳感器的作用。
發明內容
本發明提供了一種機械傳感器式電子水表，其目的旨在解決現有電子水表所存在的上述缺陷，提供一種葉輪轉速穩定、且葉輪轉動信號不受干擾的機械傳感器式電子水表。
機械傳感器式電子水表的結構示意圖
本發明的技術解決方案：機械傳感器式電子水表，其結構由機械式基表，和接受磁場信號并進行計算機處理的電路盒兩部分組成，所述的基表由產生水流信號的機芯和密封水道的殼體組成，機芯的壓蓋由無磁性金屬的頂蓋，工程塑料的上壓蓋，下壓蓋組成，機芯的閥座下部是濾網口，閥門接葉輪盒，葉輪盒內的葉輪頂部嵌有磁鐵棒；其特征在于，所述上壓蓋內孔壁上嵌有一個防磁墊圈；所述葉輪是單頂針瑪瑙套，小磁棒小鋼珠結構，葉輪的下端鑲嵌穩定套，在葉輪的瑪瑙套下方的位置垂直方向上設有兩個對稱的排氣孔；所述的電路盒內分上、下兩部分，下部是由防磁罩保護的磁隧道效應傳感器，上部是裝有鋰電池的主電路板，主電路板頂上是液晶顯示器。
本發明的優點：1）毫安級的超低功耗的電路設計，表內置電池不更換，能正常工作十幾年以上；2）電路盒的結構和出線設計，不受潮濕工作環境的侵害；同時具有防磁干擾，防非法拆卸，防灰塵污染等功能；3）機芯的設計保證水表計量精度不受水壓變化的影響，葉輪的設計保證了靈敏耐磨、轉速穩定、讀數精準；比重接近水的密度，隨水流規律運動；4）采用防磁墊圈設計防磁結構，既不受外界強磁場干擾，又引導內部磁場不對水中的鐵銹產生吸附作用。
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3. 混濁度檢測 把被測物放在光學通路中，光源的部分光通量由被測物吸收，剩余的光通量投射到光電元件上。 因被吸收的光通量與被測物的透明度有關，故光電元件收到的光通量也與被測物的透明度有關。所以，通過這種方式可以測量物體的混濁度。 4. 表面粗糙度檢測 當光源發出的光投射到被測物上時，被測物把部分光通量反射到光電元件上。 反射的光通量取決于反射表面的性質、狀態和與光源之間的距離。利用這個原理可以制成表面粗糙度測試儀。 5. 物體位移量檢測 當光源發出的光通量被不透光的被測物遮擋了一部分時，使投射到光電元件上的光通量減弱。 光通量減弱的程度與被測物在光學通路中的位置有關，由光通量減弱的程度可以準確判斷被測物在光學通路中的位置。因此，利用這個原理可以制成位移計。 6. 溫度檢測 當被測物是光輻射源時，被測物發出的光可以投射到光電元件上。 輻射體的溫度不同則其發出的光波長和顏色就不同。利用這個原理可以制成光電比色高溫計和紅外測溫儀。 紅外測溫儀 使用紅外測溫儀注意目標的尺寸（距離系數L/d）！ 7. 光電編碼器 光電編碼器一般用于軸的角位移的測量。 轉軸 光 電編碼器 脈沖（增量式光電編碼器，相對） 編碼（絕對式光電編碼器，絕對） （1）增量式光電編碼器 增量式光電編碼器把轉軸的角位移（轉角）變為脈沖信號輸出，其輸出為“脈沖/轉”，最高精度的增量式光電編碼器可達到5000脈沖/轉（有些資料上介紹，最高可達到脈沖/轉)。 注意：正、反轉！零位！ A B 防止反轉或抖動 90°相移 旋轉增量式編碼器以轉動時輸出脈沖，通過計數設備實現脈沖的累加來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，不然，當來電工作時，計數設備記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產結果出現后才能知道。 （2）絕對式光電編碼器（絕對位置編碼器） 絕對式光電編碼器把轉軸的角位移（轉角）變為二進制編碼輸出，最高精度的絕對式光電編碼器可輸出13位二進制編碼（0～360?轉角對應0～8192的編碼）。 由碼盤的機械位置決定，每個位置的輸出是唯一的，它無需記憶，無需找參考點 ，它不受停電、干擾的影響。 為消除非單值性誤差，采用循環編碼方法：格雷碼 增量式光電編碼器的主要缺點是可能出現累計誤差；并且易受電磁干擾。 絕對式光電編碼器的主要缺點是檢測超過360?后難于直接累計。 第八節 其它常用傳感器 一、固態圖像傳感器 固態圖像傳感器的功能是把傳感器受光面的光像分解成許多像元，并將它們轉換為電信號，然后順序地輸送出去。 大部分固態圖像傳感器的核心部分是 CCD（Charge Couple Device，電荷耦合器），其原理如下圖所示。 CCD作為讀出移位寄存器，順序地將電信號在輸出端串行輸出。 根據光敏二極管的排列方式，CCD可分為：線陣 CCD 和面陣CCD。 目前，在應用中： 線陣 CCD 已能達到 4096 像素； 面陣 CCD 已能達到 1400萬 像素。 由于光敏二極管排列整齊、尺寸和位置精確，每個光敏二極管的光電荷量不僅含有光照度的信息，而且還含有位置信息。 固態圖像傳感器具有小型、輕便、響應快、靈敏度高、穩定性好和壽命高等優點，并且以光為媒介進行非接觸測量，可以達到危險地點，因而得到廣泛應用。其主要用途為： （1）物位、尺寸、形狀、表面質量、表面溫度等； （2）作為光學信息處理的輸入環節，例如電視攝像、傳真、掃描儀、數字化的復印機等。 棒材直徑在線檢測 連鑄坯斷面尺寸在線檢測 鋼板表面缺陷檢測 二、超聲波物位傳感器 超聲波物位傳感器是利用超聲波在氣體、液體或固體介質中傳播的回聲測距的原理檢測物位。 超聲波物位傳感器一般由超聲波發生器、接收裝置和計時器組成。 超聲波發生器是通過對壓電晶片施加交變電壓，產生超聲波。 測量時，檢測從超聲波發生器發出超聲波到接收裝置收到回聲的時間，根據介質的情況，推算出被測物的距離。 超聲波物位傳感器使用時應注意： （1）在近距離有盲區，測遠距離需較大的發射能量； 盲區 （2）
輪輻式傳感器因其低截面設計并且看起來像煎餅又被稱為薄餅傳感器，此類型傳感器可以承受拉力和壓力，廣泛用于平臺秤、汽車衡、軌道衡、拉力試驗機等計量場合。
輪輻式傳感器的結構
要了解有關輪輻式傳感器的更多信息，我們應先了解輪輻式傳感器的結構，眾所周知，電阻式應變傳感器主要由三部分組成：應變計、彈性元件和測量電路。其中，稱重傳感器的測量電路的基本原理相同，小型的應變計對傳感器的結果影響不是很大。稱重傳感器的種類之所以繁多是因為制造商已經根據傳感器的應用進行了改造和設計出更加合理的機械結構，從而設計出了不同形狀的彈性元件，傳感器也就有了多種形狀，用戶在使用和安裝稱重傳感器時也變得越來越簡單。
輪輻式傳感器的彈性元件是孔結構的彈性元件，它的整個結構看起來像一個輪子，并且在輪轂和輪胎之間形成了多個相互對稱分布的輪輻。外部負載施加在輪轂的上端面。輪轂、輪輻和輪胎共同構成兩側均有固定支撐的多個剪切梁。輪輻式傳感器的彈性元件如下所示：
孔結構的剪切力彈性元件具有低外形和良好的穩定性，它對彎矩不是很敏感，卻有很好的線性。橫向剛度大，抗側向和偏心載荷能力強。整體結構是對稱的，并且在不同方向上的熱膨脹彼此一致，溫度系數小。
孔狀彈性元件采用簡單的鉆孔工藝，為了確保截面剪切梁在根部具有較大 的剛度和較小的應力集中，應變區域處于純剪切應力狀態，這可以使電阻應變計的粘貼位置更加合理。如果剪切應變梁形成的孔洞較多，則更容易獲得適合粘貼電阻應變片的理想應力區域。
輪輻式傳感器的優缺點：
根據以上內容，我們可以知道輪輻式傳感器的優缺點：
優點：抗沖擊抗偏載能力強，不受加載點和支撐邊緣的影響，擁有良好的線性度，采用固定式安裝，安裝方便，互換性好
缺點：機械加工復雜，制造成本高，滯后容易偏大難以控制
然而，我們在選擇傳感器的時候，應當在精度和量程相同的參數前提下更加注重傳感器的安裝條件，下面我們將對比下輪輻式傳感器與其他稱重傳感器來確定是否選擇輪輻式傳感器。
輪輻稱重傳感器與S型稱重傳感器
1. 量程方面：前者的容量要大于后者的容量
2. 安裝結構：輪輻式傳感器是扁平且大的，而S型傳感器是高而窄的，所以選擇時候必須要選擇合適的安裝尺寸。
3. 精度方面：S型稱重傳感器結構的精度會更高一些，但差異不是很大。
輪輻式稱重傳感器與柱式稱重傳感器
1. 安裝方面：輪輻式稱重傳感器具有較短的高度和較大的直徑，而柱式稱重傳感器具有較高的高度和較小的直徑。選擇主要基于站點安裝環境和安裝尺寸。
2. 精度的差異：輪輻式傳感器的精度略高于柱式傳感器，柱式傳感器的線性不如輪輻式傳感器高
以上就是對輪輻式稱重傳感器的簡單描述，至于是選擇輪輻式稱重傳感器還是S型傳感器或是柱式傳感器，還是要從量程、應用環境、尺寸大小、技術參數等各方面因素綜合考慮。
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磁電式傳感器
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磁電式傳感器是利用電磁感應原理，將輸入的運動速度轉換成線圈中的感應電勢輸出。它直接將被測物體的機械能量轉換成電信號輸出，工作不需要外加電源，是一種典型的無源傳感器。由于這種傳感器輸出功率較大，因而大大地簡化了配用的二次儀表電路。
[1]
磁電式傳感器有時也稱作電動式或感應式傳感器， 它只適合進行動態測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩定；
中文名
磁電式傳感器
別 名
電動式或感應式傳感器
類 別
傳感器
工作頻帶
10～1000Hz
特 性
雙向轉換
原 理
電磁感應
目錄
1
原理結構
2
工作原理
3
測量電路
4
設計原則
5
分類
?
霍爾式
?
應用
6
傳遞矩陣
7
磁電應用
磁電式傳感器原理結構
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利用其逆轉換效應可構成力(矩)發生器和電磁激振器等。根據這一原理，可以設計成變磁通式和恒磁通式兩種結構型式，構成測量線速度或角速度的磁電式傳感器。圖1所示為分別用于旋轉角速度及振動速度測量的變磁通式結構。變磁通式結構(a)旋轉型（變磁））； (b)平移型（變氣隙）其中永久磁鐵1(俗稱“磁鋼”)與線圈4均固定，動鐵心3(銜鐵)的運動使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產生感應電勢，因此又稱變磁阻式結構。
圖1 變磁式結構
磁電式傳感器工作原理
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根據電磁感應定律, 當w匝線圈在恒定磁場內運動時, 設穿過線圈的磁通為Φ, 則線圈內的感應電勢E與磁通變化率dΦ/dt有如下關系: E=-w(dΦ/dt)
磁電式傳感器測量電路
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磁電式傳感器直接輸出感應電勢, 且傳感器通常具有較高的靈敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器, 若要獲取被測位移或加速度信號, 則需要配用積分或微分電路。
磁電式傳感器設計原則
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磁電感應式傳感器有兩個基本元件組成:一個是產生恒定直流磁場的磁路系統，為了減小傳 感器體積，一般采用永久磁鐵;另一個是線圈，由它與磁場中的磁通交鏈產生感應電動勢。感應 電動勢與磁通變化率或者線圈與磁場相對運動速度成正比，因此必須使它們之間有一個相對運 動。作為運動部件，可以是線圈，也可以是永久磁鐵。所以，必須合理地選擇它們的結構形式、 材料和結構尺寸.以滿足傳感器的基本性能要求。對于慣性式傳感器，具體計算時，一般是先根據使用場合、使用對象確定結構形式和體積大 小（即輪廓尺寸），然后根據結構大小初步確定磁路系統，計算磁路以便決定磁感應強度B。這樣，由技術指標給定的靈敏度S值以及確定的B值，由S=e/v=BιN即可求得線圈的匝數N。因為 在確定磁路系統時，氣隙的尺寸已經確定了，線圈的尺寸也已確定，亦即 ι已經確定。根據這些 參數，便可初步確定線圈導線的直徑d。從提高靈敏度的角度來看，B值大，S值也大，因此磁路 結構尺寸應大些。只要結構尺寸允許，磁鐵可盡量大些，并選擇B值大的永磁材料，匝數N也可 取得大些。當然具體計算時導線的增加也是受其他條件制約的，各參數的選擇要統一考慮，盡量從優。
磁電式傳感器分類
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一般分為兩種：（1）磁電感應式（2）霍爾式
磁電式傳感器霍爾式
霍爾效應置于磁場中的導體（或半導體），當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向會產生電動勢（霍爾電勢），原因是電荷受到洛倫茲力的作用。定向運動的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場的作用，當fl=fE時，達到平衡，此時基本結構
霍爾元件的基本結構圖如圖2：
圖2
基本特性（1）額定激勵電流和最大允許激勵電流當霍爾元件自身溫升10度時所流過的激勵電流以元件最大溫升為限制所對應的激勵電流（2）輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻電壓源內阻（3）不等位電勢和不等位電阻當霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應強度為零，此時測得的空載霍爾電勢。不等位電勢就是激勵電流經不等位電阻所產生的電壓。（4）寄生直流電勢（5）霍爾電勢溫度系數誤差補償（1）零點誤差：不等位電勢：①電極引出時偏斜，②半導體的電阻特性（等勢面傾斜）造成。③激勵電極接觸不良。寄生直流電勢：由于霍耳元件是半導體，外接金屬導線時，易引起PN節效應，當電流為交流電時，整個霍耳元件形成整流效應，PN節壓降構成寄生直流電勢，帶來輸出誤差。補償方法制作工藝上保證電極對稱、歐姆接觸電路補償
[2]
（2）霍爾元件的溫度補償誤差原因：溫度變化時，KH,Ri（輸入電阻）變化補償辦法1.對溫度引起的I進行補償。采用恒流源供電。但只能減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵電流的變化的影響。2.對KHI乘積項同時進行補償。采用恒流源與輸入回路并聯電阻。如圖3所示：
圖3
磁電式傳感器應用
（1）霍爾式位移傳感器工作原理圖：如圖4所示
圖4
(2)幾種霍爾式轉速傳感器的結構：如圖5所示:
圖5
(3)霍爾計數裝置的工作示意圖及電路圖：如圖6所示：
[2]
圖6
磁電式傳感器傳遞矩陣
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一.傳遞矩陣一.機械阻抗圖(a)所示的質量為m、彈簧剛度為k，阻尼系數為c的單自由度機械振動系統。設在力F作用下產生的振動速度和位移分別為v和x，由此可列出力平衡方程機械阻抗圖(b)所示的由電阻R、電感L和電容C組成的串聯電路，設電源電壓為u，回路電流為i、電荷為q。由此可列出電壓平衡方程這兩個微分方程式雖然機電內容不同，但形式相同。因此，這兩個系統為一對相似系統。一個系統可以根據求解它的微分方程來討論其動態特性，故上述兩相似系統的動態特性必然一致，可以實現機電模擬。一對相似系統(a)單自由度機械振動系統；(b)RLC串聯電路在電路中存在著電阻抗，它是將電流與電壓聯系起來的一個參數，可以設想，如同電路中的電阻抗一樣，假設機械系統存在“機械阻抗”ZM。類似于電系統，由第一個式子可得可見ZM是將機械系統 中某一點上的運動響 應與引起這個運動的力聯系起來的一個參數。由此可得，作簡諧運動的線性機械系統的機械阻抗的定義為機械阻抗ZM(復數)=激振力(復數)/運動響應(復數)引用機械阻抗概念來分析機械系統的動態特性，就可以用簡單的代數方法求得描述動態特性的傳遞函數，而不必求解微分方程。
磁電式傳感器磁電應用
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測振傳感器磁電式傳感器主要用于振動測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準，它直接安裝在振動體上進行測量，因而在地面振動測量及機載振動監視系統中獲得了廣泛的應用。常用地測振傳感器有動鐵式振動傳感器、圈式振動速度傳感器等。(一).測振傳感器的應用航空發動機、各種大型電機、空氣壓縮機、機床、車輛、軌枕振動臺、化工設備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動監測與研究都可使用磁電式傳感器。(二).測振傳感器的工作特性振動傳感器是典型的集中參數m、k、c二階系統。作為慣性(絕對)式測振傳感器，要求選擇較大的質量塊m和較小的彈簧常數k。這樣，在較高振動頻率下，由于質量塊大慣性而近似相對大地靜止。這時，振動體(同傳感器殼體)相對質量塊的位移y(輸出)就可真實地反映振動體相對大地的振幅x(輸入)。磁電式力發生器與激振器前已指出磁電式傳感器具有雙向轉換特性，其逆向功能同樣可以利用。如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出量即為機械量。在慣性儀器——陀螺儀與加速度計中廣泛應用的動圈式或動鐵式直流力矩器就是上述速度傳感器的逆向應用。它在機械結構的動態實驗中是非常重要的設備，用以獲取機械結構的動態參數，如共振頻率、剛度、阻尼、振動部件的振型等。除上述應用外，磁電式傳感器還常用于扭矩、轉速等測量。
詞條圖冊
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參考資料
1.
李開宇．傳感器原理：科學出版社，2007年
2.
陳杰．傳感器與檢測技術：高等教育出版社，2002.8：80
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