倾角度传感器应用于水利闸门自动控制系统
一、 提出为什么开发，传感器名称、类型、适应行业
目前对于翻板式水闸门控制系统前端设备一般是由翻板水闸、油缸以及固定在油缸上的钢索式闸门开度仪组成。油缸与闸门上端通过转轴连接，油缸的伸缩带动闸门的开闭。在油缸的伸缩过程中带动钢索伸缩，它们之间成一种函数关系，只要测量出钢索的长度就能算出闸门的角度。
这种钢索式开度仪运行的问题是：
1.由于传感钢索外置于油缸伸缩杆上,当水流中有漂浮物体经过闸门时，如树枝、木板等，冲击某侧钢索出现变形，大大影响测量精度。当有较大的漂浮物体冲击时，钢索有可能被冲断。
2.外置钢索 长时间浸泡在水质恶劣的水里，钢索被锈蚀,经过一段时间，发生钢索断线，不能测量闸门油缸伸缩杆长度导致闸门自动控制系统不能正常工作，只能用手动控制,易因左右油缸阻力差异和目测误差损坏闸门闸板。
3.钢索在有腐蚀气体的环境里，钢索产生锈蚀影响测量精度且会因东北地区冬夏温差而增大传感器误差。
本公司从实际出发鉴于远控制系统中的闸门开度仪的不足之处，公司技术人员以及外聘专家经过大量的实验最终采用新型非接触测控制技术，以弥补原闸门开度仪的不足。
当闸门在开闭运动过程中，闸门扫过的角度与油缸转动的角度有一定的函数关系，测量出油缸的角度即可算出闸门的开闭角度，正是基于此中关系，我门采用测量油缸角度而远离闸门的非接触方法。
我公司采用的传感器为倾角传感器，应用于电子数字水平仪，医疗，机械调平，角度测量和监视，汽车，起重机械的角度测量，轮船横滚纵倾测量，轨道尺，电子罗盘倾斜补偿，人体姿态测量等领域。
二、 项目主要技术负责人
为了增加企业的科研实力,确保项目的顺利实施和企业的后续发展,公司与长春市局伊通河管理委员会,长春市水利科学研究院等多家单位建立了长期技术合作关系,各施所长,共同攻关,为项目的顺利进行提供了有利的支特.
本项目主要研发人员:朴东华
组长:长春市伊通河管理委员会：王成田（主任）
长春市水利科学研究院：冯彦辉（副院长）
吉林省科瑞电子有限公司：王中（总经理）、朴东华（总工程师）
三、 国内外同类产品介绍
本公司从实际出发鉴于远控制系统中的闸门开度仪的不足之处，公司技术人员以及外聘专家经过大量的实验最终采用新型非接触测控制技术，以弥补原钢索式闸门开度仪的不足，具体创新如下：
1 稳定性与可靠性比较
通过在实验模型及实际在用户的安装使用，SCA-15开度仪在闸门角度开度仪测量方法的创新，及采用新型的传感材料及改变传感器的安装位置，去除了拉线开度仪的机械测量部分把外界干扰、冲击、破坏力降到最小，自系统安装以来一直运行平稳。使SCA-15开度仪工作稳定性和可靠性大幅度的提高。
与同类产品比较，我公司选用的倾角传感器具有以下优势：
1.强的抗外部干扰和噪声能力
2.改进的温度依赖和长期稳定性
3.工作温度范围宽
4.高负荷和高抗震性
5.仪表级性能
6.高分辨率
四、 技术难点（技术关键）
本公司主要技术人员针对钢索开度仪控制系统缺点进行了多年的研究,已攻克了其传感探测的主要技术难关,基本完成了小试阶段,并在伊通河四化桥翻板水闸门的应用上取得了预期的效果,本新型非接闸门开度仪已申请实用新型专利——闸门开度仪(专利公开号: 200620028622.6 ).现阶段本项目已完成了闸门开度信号的提取及处理方法的研究,50HZ陷阱滤波，振动滤波器等,现正在进行下一代嵌入式系统的硬件的开发设计,预计执行期后本项目进入中试阶段.
总体情况
主要技术的攻克:
(1)信号的采样.
水闸门测控的前端采样数据的提取要求高精度,高稳定性,高抗干扰,低噪声,低漂移及合适的频带宽度和动态范围.本系统依据采样标准采用了国际领先的采样传感器并设计了信号处理电路和模/数独立供电以提高采样精度.
(2)信号的量化.
通过采用高精度的16位并行A/D转换电路单元实现了闸门倾斜角电信号的高精度测量.
在研究组全体技术人员的努力下,现已完成了原理样机的设计,模型的制作,基于此测控系统的关键技术己取得突破,完成了产品小试工作.并于2006年试用在伊通河四化桥其中两孔水闸门上,效果良好,表明系统达到了预期的技术指标,为本项目实施奠定了坚实的基础.
五、 提出我公司已开发的产品，功能与性能
特征
1.通用232/485接口输出
2.测量范围:±15°/±30°
3.频率响应(-3dB,250KHz)
4.内置的温度传感器通过SPI输出温度信号
5.灵敏度:16v/g,8v/g
6.线性度:±2mg,或待定
7.供电电压：双15V，10V(模/数独立供电)
8.分辨率0.0004°
9.实际测量误差：＜±0.00075°
闸门控制系统误差值计算：
本系统采用单轴倾角度传感器对液压臂运行角度进行探测，采用硬件滤波电路和优化的软件滤波方式进行数据处理，通过正弦、余弦、反正弦函数、反余弦函数等一系列三角形函数对闸门系统参数进行运算测得闸门闸板运行角度和液压臂长。
根据三角形函数原理可知，闸板与液压臂为垂直90。时，对应液压臂长度误差为最大（蓝线），所以对此时传感器精度对应液压臂长度误差值进行计算，公式如下：
Rz 轴心线与液压臂夹角（计算得）
Z 闸板高度（实物数据）
S 斜边/液压臂轴心与闸板轴心距离（实物数据）
L 液压臂长度
Rave=0.001 传感器误差值
PI=3.14159265358979
求实际液压臂长:
L=sqr(S2－Z2)
S=6.711米
Z=3.750米
L= sqr(6.7112－3.7502)= 5.56552073035399米
求代入传感器误差值后液压臂与轴心线夹角
Rz=arcsin(Z/S)/PI×180±Rave
Rz=arcsin(3.750/6.711)/PI×180±0.001= 33.9717508193223 ±0.001度
求液压臂长度：
Rsz 闸板与斜边夹角
Rsz=90－Rz
L=S×sin(Rsz×PI/180)
d=6.711×sin((90－33.9717508193223 ±0.001)×PI/180)
=6.711×sin(90－33.9717508193223×PI/180) ± 6.711×sin(0.001×PI/180)
=5.565520730353989807±0.0001171290460953928692
=5.5656378594000851998692米
=5.5654036013078944141308米
最大误差值：0.0002342580921907857384米
*PI/180 角度转化为弧度
粉 *PI×180 弧度转化为角度
*注：以上计算所得数据为理论计算值，实际运行时，由于实地环境（如剧烈噪声、振动、温度等）不同，所测得数据精度会有所不同。
六.上位机软件及功能介绍
功能介绍：
一.闸门控制系统：
1.采用高精度角度传感器，避免了传统拉线式传感器与水面接触，
造成探测误差及探测线损坏等弊端。
2.纠偏功能：自动调整液压臂长，校正闸板两侧偏差，避免闸板长
期扭偏运行而损坏系统。
3.自动控制功能：可通过预设闸门闸板角度实现全智能自动控制。
4.硬件自诊功能：通过软件时时监测并直观显示所有硬件工作状态。
5.操作记录查询功能：自动记录每次运行时间、状态、操作员号。
6.硬件自动初始化功能：自动探测记录并计算各闸门参数和初始化
系统参数。
二.水位监测系统：
1.采用超声波探测器，避免了传统接触式传感器长期浸泡水中造成
线路腐蚀探头损坏等弊端。
2.水位数据库功能：自动记录每日最高、最低水位和偶数时水位数
据，并导入数据库供绘制水位曲线图表。
4.水位曲线图表功能：内嵌曲线图表软件，自动调入水位数据，
根据用户须要绘制水位曲线图。
3.报警功能：可设定上、下限水位，并设置触发预设报警方式：
（1.声音报警 2.电话报警）。
三.GSM短信查询报警系统：
1.通过发送手机短信查询水位及其它数据。（未注册用户只限查询
水位数据）
2.触发报警后向所有注册用户发送报警信息。（如：水位超限、设
备防盗、误操作等）
软件介绍：
1.启动介面
2.主控介面
3.闸门操作介面
4.控制记录查寻
5.水位系统设置
6.水位数据库查寻
7.水位数据分析
8.绘制水位曲线表
9.软件功能说明
10.密码功能
技术支持：朴东华
电话：0431-88839886
Email:dongjie@mail.jl.cn
blog:http://pudongjie.blogcn.com |
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