[发明专利]一种新型网络化电容式波高测量方法及其装置

说明书

本发明属于传感测量技术领域，提供了一种新型网络化电容式波高测量方法及其装置，装置主要由壳体、金属杆支架、带绝缘外层的金属导线、弹簧、采集板、EtherCAT‑P‑M8 4Pin接插端子以及水平仪所组成。本发明采用EtherCAT P技术进行测量系统设计，同时采用模拟比较测电容的原理来减少波高物理量与电信号之间转换的环节，从而提高波高测量的精度。除此之外，采用单杆三导丝的冗余结构进行波高测量装置的设计，通过信息冗余校验来鉴别数据的有效性。本发明不仅具有网络传输的布线优势，还具有EtherCAT的分布时钟同步能力和波高测量数据校验能力，可大幅度提高波浪水池实验大数据的质量。

技术领域

本发明属于传感测量技术领域，涉及到海洋工程模型试验波高测量问题，特别涉及基于EtheCATP技术的结构冗余型电容式波高测量装置的设计方法。

背景技术

波高测量是海洋工程物理模型试验中的一项重要内容。通过波高仪实时测量水位变化不仅可以给造波机提供反馈进行波谱修正，而且还可以对实验模型周围波浪场分布情况进行信息获取，从而准确地研究波浪对实验水池或水槽中物理模型的作用，因此对波浪测量的精准程度将直接影响模型试验分析结构的有效性和准确性，所以研制一种高可靠、高精度、高灵敏且方便实用的波高测量仪器是十分重要的。

波高测量方法实际上是一种液位动态检测技术，而液位检测技术一直被国内外相关领域研究人员视为工业应用研究的重点之一。目前，在各个行业中有许多种测量液位的方法：如电容式液位传感器、电阻式液位传感器、光电式液位传感器、压力式液位传感器、超声波液位传感器等，其中电容式液位传感器以其成本低、结构简单、动态特性良好、测量精度高的特点，已成为海工实验室波浪测量时最为常用的方法。然而，该类型传感器多数情况下无法直接使用，还需配有数据采集仪才可以进行波高测量(尤其是多个传感器一同使用时)，这无疑增加了现场布置的复杂度。为了解决这个问题，文献“基于WiFi的无线浪高数据采集系统的设计(计算机测量与控制2018)”与文献“一种模型试验用自容式无线浪高仪(国家发明专利CN110967089A)”采用无线通信和自容式供电方式进行数据直传，从而有效地解决了数据采集外置的问题，降低了现场布置的难度，但却存在波高数据的同步问题；而文献“基于EtherCAT总线的串联型分布式数据采集系统设计(计算机测量与控制2016)”采用了EtherCAT工业以太网来构建波高采集系统，同样精简了波高测量系统的结构，然而缺少具体的现场供电方案和校验过程。除此之外，海洋工程实验室大多数电容式液位传感器是通过将传感器电容值转化为电压信号(经过A/D转换器将信号送入微处理器)进行波高测量的，这种方式会因放大电路(放大有效信号的同时也放大干扰信号)和A/D采集电路(量化噪声和电路噪声)而降低信号的稳定性和数据的精度。与此同时，测量系统仅通过前后时刻之间的相关性进行波高数据的校验，而缺少对当前时刻数据有效性的判断过程，因此数据质量方面有待提高。

综上所述，在电容式波高测量技术发展过程中，尽管波高测量装置设计方面已得到较大地改进，但是仍然存在瞬态测量有效性辨别的问题、测量精度提升的问题、现场使用不方便的问题等。因此，设计一种新型的电容式波高测量方法与装置是具有非常重要的意义和应用价值的。

本发明将电容式波高仪进行结构冗余，通过相互校验辨别测量结果的有效性，并通过片上模拟比较器直接计算电容变化，同时结合EtherCAT P技术简化系统结构，解决电源供给问题和测量系统间的同步问题。本文所提的方法与装置可大幅度提高波高测量的有效性和精度，也方便了测量实验现场的布置。

发明内容

针对海洋工程模型试验中波高测量的准确度、稳定性、可靠性、易用性的提升问题，本发明将电容充放电与模拟比较、EtherCAT P网络技术以及结构冗余校验方法相结合，提出了一种新型网络化电容式波高测量方法及其装置。

本发明的技术方案：