水位测量传感器

摘要

一种水位测量传感器，包括主体结构、超声波探头、电路板，超声波探头为封闭式探头；超声波探头发射端的外表面边沿向上延伸形成围缘；超声波探头发射端的外表面至少涂有一层亲水型纳米涂料；主体结构呈筒柱体状，筒柱体内设置反射壁、反射面、超声波探头容置腔、电路板安置腔。本发明在超声波探头表面做有弧边处理、纳米涂层处理，可有效避免水珠在探头中心区域凝露后对信号的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及超声波测距领域，特别涉及水位测量传感器。

背景技术

在日常生活中水是必不可少的资源，当水量忽然增大时就会有洪涝灾害的隐患存在，所以水位的监测尤为重要；现有城市地下排水系统因堵塞问题导致路面积水的报道频频发生，路面积水也严重影响了人们的出行；当排水系统不能尽快把多余的水排出还可能出现内涝引致地下防空洞、地下商业街被淹的风险，严重威胁到人们的生命安全和财产安全。在户外，水库、河道的水位监测也非常重要，当水位超过警戒的水位时就会存在决堤或附近河道被淹的风险；监测水位可以让人们了解水位的实时动态，在超出水位警戒线前提醒人们做好相应的解决方案。

现有的非接触式测量方式有雷达测水位，激光测水位，超声波测水位等。雷达测水位成本高，激光测水位对工作环境要求高，而且会出现激光发射不稳定导致水位测量不稳定；现有的超声波测水位传感器，安装于下水道或安装于户外环境下，因空气中湿度较高所以探头表面极易凝成水珠，水珠呈圆弧状在反射的作用下声波信号发生变化，减小了信号的强度，增大了误测的可能性。又因下水道中含有各类腐蚀气体产品比较容易被腐蚀，当被腐蚀后就会导致探头损坏，最终产品无法使用；而且整机结构过于复杂，不利于安装和后期维护。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水位测量传感器，解决了防护性能差、拆卸不便等问题。

本发明的目的可以这样实现，设计一种水位测量传感器，包括主体结构、超声波探头、电路板，超声波探头为封闭式探头；

超声波探头发射端的外表面边沿向上延伸形成围缘；超声波探头发射端的外表面至少涂有一层亲水型纳米涂料；

主体结构呈筒柱体状，筒柱体内设置反射壁、反射面，反射壁呈半圆弧状；在反射壁的底部设置一贯通口，贯通口的上方设置反射面，由若干个支撑柱进行固定，反射面呈圆锥状，锥尖正对贯通口，反射面的中心轴线与反射壁的中心轴线重合；贯通口的下方为超声波探头容置腔；超声波探头容置腔的下方设置电路板安置腔。

进一步地，围缘为圆弧状边沿。

更进一步地，围缘与探头端的外表面的夹角在90°～170°之间。

进一步地，超声波探头包括探头壳体、压电晶片、隔离软胶、海绵垫、PCB板、密封胶，压电晶片、海绵垫、PCB板安装在探头壳体内，压电晶片设置在探头壳体内上端，海绵垫紧贴压电晶片设置，隔离软胶设置在海绵垫与PCB板之间，PCB板连接压电晶片的正负极；密封胶填充满探头壳体内

进一步地，探头端的外表面至少涂有一层防腐蚀涂料，亲水型纳米涂料涂在防腐蚀涂料层上；或亲水型纳米涂料为亲水型防腐蚀纳米涂料。

进一步地，探头上设置有发热丝，发热丝安装在探头外侧或探头内部。

更进一步地，发热丝设置在探头壳体外侧，环绕探头壳体外侧设置一发热丝固定槽，发热丝放置在发热丝固定槽内。

进一步地，发热丝分为四层结构，第一层为绝缘层，第二层为发热材质层，第三层为绝缘层，第四层为粘接层。

进一步地，支撑柱上设有增强引水效果的引水导角，且支撑柱面对贯通口的一侧局部向探头方向延伸形成导水柱，导水柱的前端距离探头表面在0.05～1mm之间。

进一步地，支撑柱背离贯通口的一侧局部沿反射壁向上延伸形成导水檐条。

进一步地，反射壁、反射面、支撑柱的表面为磨砂处理表面。

进一步地，反射壁、反射面、支撑柱的表面涂有亲水纳米涂层。

进一步地，超声波探头与超声波探头容置腔之间设置硅胶套。

进一步地，主体结构包括喇叭口、螺柱、垫圈、灌封胶、固定螺母，喇叭口设置反射壁、反射面，反射面上设有与反射壁相连的支撑柱，喇叭口与螺柱上部分相连接；螺柱呈圆筒状，圆筒内装置超声波探头、硅胶套、电路板、灌封胶，螺柱内上段设置超声波探头容置腔，螺柱内下段设置电路板安置腔；螺柱外上段刻有螺纹与喇叭口内部螺纹相对相应，垫圈安装在螺柱与喇叭口之间，固定螺母旋接在螺柱的下段，螺柱的下段外壁上设有与螺母相配合的螺纹。

进一步地，超声波探头的中心频率为25～55kHZ，直径为25±10mm；反射面锥点处与探头发射端表面距离为0.5±2mm，反射面中心垂直于探头时锥边与探头表面角度为30±2°；反射面的最大外直径为20±1mm；反射壁的壁边直径为57.6±1mm；超声波探头容置腔的腔壁直径为28.3±1mm；电路板安置腔腔壁直径为21.5±1mm。

本发明在超声波探头表面做有弧边处理、纳米涂层处理；弧边处理能有效将凝露后的水珠往弧边汇聚(水的张力)，可有效避免水珠在探头中心区域凝露后对信号的影响；纳米涂层处理可以将水雾凝聚在一起，减小单独凝成水珠的现象，也可以减小探头被腐蚀的速度，增加产品使用寿命；当超声探头表面温度较低时容易在探头表面凝成水雾，此时发热丝给超声波探头加热可以有效避免探头表面凝成水雾；当探头表面有水珠凝成并影响信号时，可加大发热丝的工作功率提供更高的温度起到蒸发水珠的作用。本发明采用反射式能量聚集结构，能量传播后经喇叭口反射聚集至反射面，使能量更为集中角度更小，反射面也减小了超声波探头直接暴露的面积，减小污垢直接飞溅至探头表面的概率。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的结构剖面示意图；

图2是本发明较佳实施例的示意图；

图3是本发明较佳实施例的分解示意图；

图4是本发明较佳实施例之探头的示意图；

图5是本发明较佳实施例之发热丝的层数示意图；

图6是本发明较佳实施例之电路板的方框图；

图7是本发明较佳实施例的应用例示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的描述。

在本说明书和权利要求书中提及的“上”、“下”以图1所示实施例的位置为例。

如图1、图3、图3、图4所示，一种水位测量传感器，包括主体结构、超声波探头4、电路板6，电路板6上设置防静电电路61、温度检测电路62、加热丝控制电路63、升压激励脉冲电路64、放大量控制电路65、信号放大电路66、信号整形电路67、处理器68；超声波探头4为封闭式探头，包括探头壳体40、压电晶片41、隔离硅胶49、海绵垫42、PCB板43、密封胶45，压电晶片41、海绵垫42、隔离硅胶49、PCB板43安装在探头壳体40内，压电晶片41设置在探头壳体40内上端，海绵垫42紧贴压电晶片41设置，隔离软胶49设置在海绵垫41与PCB板43之间，PCB板43连接压电晶片41的正负极；密封胶45填充满探头壳体40内。

超声波探头发射端的外表面边沿向上延伸形成围缘46；超声波探头发射端的外表面至少涂有一层亲水型纳米涂料44。

主体结构呈筒柱体状，筒柱体内设置反射壁、反射面12，反射壁呈半圆弧状；在反射壁的底部设置一贯通口，贯通口的上方设置反射面12，由若干个支撑柱11进行固定，反射面12呈圆锥状，锥尖正对贯通口，反射面12的中心轴线与反射壁的中心轴线重合；贯通口的下方为超声波探头容置腔；超声波探头容置腔的下方设置电路板安置腔。

如图4所示，围缘46为圆弧状边沿。围缘46与探头端的外表面的夹角a在90°～170°之间。

探头端的外表面至少涂有一层防腐蚀涂料，亲水型纳米涂料44涂在防腐蚀涂料层上；或亲水型纳米涂料44为亲水型防腐蚀纳米涂料。

探头4上设置有发热丝3，发热丝3安装在探头外侧或探头内部。发热丝3设置在探头壳体40的外侧，环绕探头壳体外侧设置一发热丝固定槽47，发热丝3放置在发热丝固定槽47内。发热丝3分为四层结构，第一层为第一绝缘层，第二层为发热材质层，第三层为第二绝缘层，第四层为粘接层。本实施例中，第一绝缘层和第二绝缘层采用聚酰亚胺膜，厚度为0.02～0.15mm，本实施例中为0.05mm；发热层采用铁洛铝，厚度为0.15～0.2mm，本实施例中为0.18mm；粘接层采用双面胶3M胶，厚度为0.03～0.2mm，本实施例中0.1mm。

支撑柱11上设有增强引水效果的引水导角19且支撑柱11面对贯通口的一侧局部向探头方向延伸形成导水柱13，导水柱13的前端距离探头表面在0.05～1mm之间。支撑柱11背离贯通口的一侧局部沿反射壁向上延伸形成导水檐条17。

反射壁、反射面、支撑柱的表面为磨砂处理表面，磨砂处理表面的引水效果较佳，加速表面积水的引出。

反射壁、反射面、支撑柱的表面涂有亲水纳米涂层或疏水纳米涂层，使得积水不容易在反射壁、反射面、支撑柱的表面滞留。

超声波探头4与超声波探头容置腔之间设置硅胶套5，防止超声波探头4与腔壁接触，起到隔离与缓冲作用。

超声波探头的中心频率为25～55kHZ，直径为25±10mm；反射面锥点处与探头发射端表面距离为0.5±2mm，反射面中心垂直于探头时锥边与探头表面角度为30±2°；反射面的最大外直径为20±1mm；反射壁的壁边直径为57.6±1mm；超声波探头容置腔的腔壁直径为28.3±1mm；电路板安置腔腔壁直径为21.5±1mm。

如图1、图2、图3所示，本实施例中，水位测量传感器的主体结构包括喇叭口1、螺柱7、垫圈2、固定螺母8，喇叭口1与螺柱7的上部分相连接，喇叭口1呈喇叭状表面涂有亲水纳米涂层，内部设有反射面12，喇叭口内壁为反射壁，实现能量反射作用。反射面12呈圆锥状，实现能量反射于集聚作用，可以阻止部分水蒸气凝结在探头4上，也可以防止污垢直接飞溅至探头表面。

反射面12上设有与喇叭口内壁相连的支撑柱11；支撑柱11上设有引水柱13，引水柱13不与超声波探头4相接触，支撑柱11呈爪状；超声波探头4在亲水涂层的作用下，超声波探头表面的湿润角度变得更小，水雾更加容易汇聚，喇叭口也在亲水涂层的作用下，喇叭口表面的湿润角度变得更小，水的流动性也变得更高；凝聚后的水雾也会从探头边沿处流经引水柱13流至支撑柱11的引水导角19再经支撑柱11通过导水檐条17流向最低处最终掉落。

如图1、图2所示，螺柱7呈圆筒状，用于装置超声波探头4、硅胶套5、电路板6、灌封胶72，螺柱7的上段外壁设有螺纹与喇叭口内部螺纹相对相应。螺柱内部设有与电路板负极连接的接地端口71，可与金属外壳进行连接提高产品的抗干扰能力。

垫圈2装置在螺柱7与喇叭口1之间，填补了机械加工表面不规则性，防止松动和保护器件。

如图4所示，超声波探头4为封闭式探头，包括压电晶片41、海绵垫42、隔离硅胶49、PCB板43、密封胶45。超声波探头表面还涂有亲水型防腐蚀纳米涂料44，亲水型防腐蚀纳米涂料44起将小水雾凝结在一起作用，同时也减小外界腐蚀的效果；超声波探头表面边沿呈圆弧状，起将凝结后的水雾往外侧边沿吸引的作用。压电晶片41以压电效应完成了超声波的发射与接收。隔离硅胶49阻止了密封胶继续向海绵垫42渗透，以保证海绵垫42的阻尼作用；海绵垫42对压电晶片41的震动起阻尼作用，吸收压电晶片41向背面的超声波。PCB板43连接压电晶片41的正负极，保证引线时的一致性。密封胶45完成了超声探头4的密封，增强了探头4的防水性能。

发热丝3呈条状安装于超声波探头4，发热丝3加热超声波探头温度从而去除掉探头表面较小的水雾，预防小水雾在超声波探头表面凝结。

硅胶套5包裹住超声波探头4与发热丝3，装于超声波探头容置腔，防止超声波探头4与腔壁接触，起到隔离与缓冲作用。

如图6所示，电路板6包括了防静电电路61、温度检测电路62、加热控制电路63、升压激励脉冲电路64、放大量控制电路65、信号放大电路66、信号整形电路67、处理器68；防静电电路61保护了处理器68，防止了静电灌入处理器68；温度检测电路62完成了外界温度的采集；加热控制电路63完成了对加热丝3工作电流及加热功率的控制；升压激励电路64完成超声波探头4的驱动，发射出超声波；放大量控制电路65完成放大增益的调节；信号放大电路66接收超声波回波，实现信号放大功能；信号整形电路67完成回波模拟信号整形为数据信号，提供给处理器68；处理器68完成指令发出、信号采集、信号处理、信号输出。

如图1所示，灌封胶72灌封于超声波探头4与螺柱7的内腔中，用于密封超声波探头4与电路板6。用于密封超声波探头的密封胶45可与灌封螺柱的灌封胶72相同也可以不同。

固定螺母8旋接在螺柱7上，螺柱的下段外壁上设有与螺母相配合的螺纹。

制作时，先将超声波探头4的表面喷涂亲水纳米涂层44，再将发热丝3安装在超声波探头4上，将超声波探头4套入硅胶套5并将超声波探头正负极、发热丝连接电路板6；将连接后的电路板6装于螺柱7中，灌入灌封胶72，等待灌封胶72固化；将垫圈2装于螺柱上段并拧紧喇叭口1；拧上螺母8完成装配。

水位测量传感器工作流程如下：模块上电为各电路供电；处理器68检测输入电压，进行发热丝3的工作时间控制；处理器68发送指令给升压激励脉冲电路64、放大量控制电路65；探头4工作后发送并接收声波信号；微弱的声波信号经信号放大电路66进行放大；放大量控制电路65进行放大量调节；放大后的信号经信号整形电路67整形后返回处理器68；温度检测电路62，检测外界环境温度反馈给处理器68；处理器68辨别回波返回的时间结合外界环境温度进行温度补偿，算出距离值；处理器68将算好的数据信号通过连接线传送给客户端，并返回。

如图7所示，应用案例是将使用本发明的产品C安装于下水道井口处，井内设有排水管D和污水管F，产品C用于测量井内污水E的液面高度。产品C安装在下水道井口井盖A的下方，当安装时只需在固定支架B上拧紧产品C，连接客户端口产品C即可工作。固定支架B可固定在井壁上也可以固定在井盖A上。

本发明采用反射式能量聚集结构，能量传播后经喇叭口反射聚集至反射面，使能量更为集中角度更小，反射面也减小了超声波探头直接暴露的面积，减小污垢直接飞溅至探头表面的概率。

本发明的超声波探头表面做有弧边处理、纳米涂层处理；弧边处理能有效将凝露后的水珠往弧边汇聚(水的张力)，可有效避免水珠在探头中间区域凝露后对信号的影响；纳米涂层处理可以将水雾凝聚在一起，减小单独凝成水珠的现象，也可以减小探头被腐蚀的速度，增加产品使用寿命；当超声探头表面温度温度较低时容易在探头表面凝成水雾，此时发热丝给超声波探头加热可以有效避免探头表面凝成水雾；当探头表面有水珠凝成并影响信号时，可加大发热丝的工作功率提供更高的温度起到蒸发水珠的作用。防水效果可达到IP68级。

本发明相对于其他产品，结构更加简单小巧，安装时只需接好设备把螺母拧紧正常输出数据后代表安装完成；后期维护也只需把螺母拧开就可进行维护减少了不必要的操作，减少人工成本，增强工作效率。