[0003] 本发明的目的在于提供一种压电液体体积传感器。
[0004] 本发明一种压电液体体积传感器，包括机架、模态锤、电磁铁、直流电机、升降滑架、升降块、升降步进电机、升降滚珠丝杠、细绳、横移步进电机、横移滚珠丝杠、横移块、摆锤台、液体容器和PVDF压电薄膜。所述的横移滚珠丝杠支承在机架上。横移块与机架构成滑动副，并与横移滚珠丝杠构成螺旋副。所述的横移滚珠丝杠由横移步进电机驱动。所述升降滑架的底部与横移块固定。所述的升降滚珠丝杠支承在升降滑架上。所述的升降块与升降滑架构成滑动副，并与升降滚珠丝杠构成螺旋副。升降块上固定有电磁铁。所述的升降滚珠丝杠由升降步进电机驱动。直流电机固定在升降滑架的顶部。直流电机的输出轴上固定有绕线轮。
[0005] 所述的摆锤台固定在机架上。所述的模态锤由锤头和锤柄组成。锤柄的外端与锤头固定，内端与摆锤台的顶部构成转动副。锤柄中部与细绳的一端固定。细绳的另一端与直流电机上的绕线轮固定。细绳缠绕着绕线轮上。所述的液体容器固定在摆锤台远离电磁铁的那侧。所述的液体容器远离模态锤的一侧贴有n块PVDF压电薄膜，n≥2。
[0006] 进一步地，本发明一种压电液体体积传感器还包括控制模块。所述的控制模块包括多路复用器、运算放大器、单片机、第一蓝牙收发器、第二蓝牙收发器和计算机。n块PVDF压电薄膜与多路复用器的其中n个数据输入引脚分别电连接。多路复用器的各个控制输入引脚与单片机的多个第一I/O口分别连接。多路复用器的输出引脚接运算放大器的正相输入端或反相输入端。运算放大器的输出端与单片机的模拟信号输入引脚。单片机的第二I/O口与第一蓝牙收发器连接。第二蓝牙收发器与计算机连接。第一蓝牙收发器与第二蓝牙收发器通过蓝牙连接。
[0007] 进一步地，所述的单片机通过两个型号为TB6600的步进电机驱动器分别驱动升降步进电机、横移步进电机。单片机通过继电器与电磁铁连接。
[0008] 进一步地，所述多路复用器的型号为ADG1608。所述运算放大器的型号为OP07。所述单片机的型号为STM32F103。所述第一蓝牙收发器及第二蓝牙收发器的型号均为BT08B。
[0009] 进一步地，n＝6。六块PVDF压电薄膜呈两行三列排布。PVDF压电薄膜的面积为4cm2。两行PVDF压电薄膜的对称面到特征平面的间距等于锤头到锤柄、摆锤台所成转动副的公共轴线的间距。特征平面为经过锤柄、摆锤台所成转动副的公共轴线的水平面。
[0010] 进一步地，所述的横移步进电机固定在机架上。横移步进电机的输出轴与横移滚珠丝杠的一端固定。所述的升降步进电机固定在升降滑架上。升降步进电机的输出轴与升降滚珠丝杠的一端固定。
[0011] 进一步地，所述锤柄、摆锤台所成转动副的公共轴线与横移滚珠丝杠的轴线垂直。垂直于锤柄、摆锤台所成转动副的公共轴线且经过锤柄轴线的平面与电磁铁相交。
[0012] 进一步地，所述锤柄处于竖直向下的状态时，锤头与液体容器接触。
[0013] 该压电液体体积传感器的体积检测方法具体如下：
[0014] 步骤一、使用三维软件建立液体容器的三维模型，并导入有限元仿真软件。仿真计算出装有不同体积被测液体时液体容器的共振频率，进而获取液体容器内被测液体的体积与共振频率的关系曲线。
[0015] 步骤二、将被测液体倒入液体容器中。i＝1,2,3,4,5，依次执行步骤三至五。
[0016] 步骤三、直流电机正转，使得细绳绕上绕线轮，拉动模态锤向上翻转至锤头与电磁铁接触。升降步进电机及横移步进电机分别转动，使得模态锤的重心与模态锤初始重心的高度差达到hi。模态锤初始重心为锤柄处于竖直状态时模态锤的重心。hi满足如下两条关系式：hi+L1·sinθi＝L1；其中，θi为模态锤的锤柄轴线与竖直直线的夹角，其取值表达式为θi＝15°+i·δ，δ＝15°。L1为锤柄的长度。
[0017] 步骤四、直流电机反转，使得细绳在模态锤下落的过程中不会绷紧。之后，电磁铁断电，模态锤下落，锤头锤击液体容器的侧壁。n块PVDF压电薄膜通过正压电效应将震动机械能转换成电能，产生模拟信号。
[0018] 多路复用器以2000Hz的开关频率进行切换，n块PVDF压电薄膜每0.0005·n秒中向运算放大器输出一次模拟信号。运算放大器将接受到的模拟信号放大后传输给单片机。单片机拟合出n条PVDF压电薄膜输出的模拟信号变化曲线。
[0019] 步骤五、单片机分别确定n条模拟信号变化曲线的最大值位置，并计算出n条模拟信号变化曲线的最大值位置对应信号频率。单片机计算出n个信号频率的均值作为第i共振频率估计值fi。单片机将第i共振频率估计值fi通过蓝牙通信的方式传输给计算机。
[0020] 步骤六、计算机根据共振频率最终值 在步骤一所得的液体容器内被测液体的体积与共振频率的关系曲线中找出与f′对应的体积V。V即为液体容器内被测液体的体积。
[0021] 进一步地，所述的有限元仿真软件采用ansys软件。
[0022] 本发明具有的有益效果是：
[0023] 1、本发明通过建立被测液体共振频率与体积之间的关系，实现对不同被测液体体积的自动化检测，能够应用于油箱内剩余油量的检测等领域。
[0024] 2、本发明在检测过程中传感器与被测液体不接触，进而降低了传感器的损坏概率。
[0025] 3、不同材料的共振频率不同，本发明通过调节不同的高度，施加的不同大小锤击力，即可适用不同材料的液体容器。
[0026] 4、本发明通过调节模态锤的锤击力度，获取多组数据进行均值计算，精度较高。
[0027] 5、本发明采用的PVDF压电薄膜成本较低，故能够通过使用多个PVDF压电薄膜同步检测的方式提高检测精度。
[0028] 6、本发明采用的PVDF压电薄膜呈柔性，能够贴合在液体容器的侧面，进而获取更加精准的模拟信号。
