具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明示例的实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明示例的实施例的范围。

应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

实施例一

如图1～3所示，本实施例提供的所述测量船用燃油舱内液面位置的传感器，包括有安装机构1、保护筒2、长方形隔板3、第一电容测量探针41、第二电容测量探针42和信号采集及计算处理模块5，其中，所述安装机构1用于将整个传感器安装在船用燃油舱100的舱体顶部或舱体侧壁上；所述保护筒2的顶端固定连接所述安装机构1，所述保护筒2在传感器安装后位于所述船用燃油舱100的舱内空间；所述长方形隔板3位于所述保护筒2的内部且与所述保护筒2的筒体中心线平行，所述长方形隔板3的宽度与所述保护筒2的内径一致，所述长方形隔板3的长度与所述保护筒2的长度一致，以便将所述保护筒2的内部空间分隔为第一测量空间21和第二测量空间22；所述第一电容测量探针41位于所述第一测量空间21中且与所述长方形隔板3间隔地平行，所述第一电容测量探针41的顶端固定连接所述安装机构1，所述第一电容测量探针41与所述保护筒2的筒壁间隔设置；所述第二电容测量探针42位于所述第二测量空间22中且与所述长方形隔板3间隔地平行，所述第二电容测量探针42的顶端固定连接所述安装机构1，所述第二电容测量探针42被绝缘层包裹且与所述保护筒2的筒壁间隔设置，并使所述第二电容测量探针42的底端位置低于所述第一电容测量探针41的底端位置；所述信号采集及计算处理模块5固定在所述安装机构1上且使两输入端分别电连接所述第一电容测量探针的输出端和所述第二电容测量探针42的输出端。

如图1和3所示，在所述传感器的具体结构中，所述安装机构1的具体结构可根据所述船用燃油舱100所提供的安装空间来选择确定，若所述船用燃油舱100的舱体顶部具有安装空间，则所述安装机构1在结构上可采用与该安装空间配合的顶装法兰安装机构，以便从舱顶安装通孔中插入整个传感器，并通过法兰对接实现传感器的固定安装，否则所述安装机构1在结构上可采用侧装法兰安装机构，以便从侧壁安装通孔中插入整个传感器，并通过法兰对接实现传感器的固定安装。当然，所述安装机构1也可以采用其它现有的具体结构，例如吸盘固定结构等。另外，若所述传感器较长(即所述保护筒2较长)，还可以在舱内侧壁靠近传感器底部(即所述保护筒2的底部)的位置安装一个固定支撑架(附图中未示出)，以便在安装后为传感器底部提供约束作用，防止其四处摇晃。

所述保护筒2用于保护内部的两探针，并作为用于电容测量的地线基准；所述保护筒2在安装后的姿态优选为竖直状态，以便准确获取舱内标定液位与电容标定值的一一对应关系，确保最终液面位置的确定精度。所述长方形隔板3用于将所述保护筒2的筒内空间分隔成两个独立的竖直测量空间：即所述第一测量空间21和所述第二测量空间22，以便分别内置对应的电容测量探针；所述第一测量空间21和所述第二测量空间22优选为对半分隔的半圆柱形空间。此外，所述保护筒2的底部端口为开放端口，以便使筒内外的液面(其包含燃油液面和油水界面)始终保持一致，确保最终液面位置的确定精度。

所述第一电容测量探针41和所述第二电容测量探针42分别用于基于现有电容测量原理采集获取与舱内液位对应的电容测量信号，以便所述信号采集及计算处理模块5在输入电容测量信号后，将所述电容测量信号转换为电容测量值。所述第一电容测量探针41主要用于在周围处于纯油状态下进行电容测量信号采集，而由于燃油具有良好的绝缘性，因此所述第一电容测量探针41可以裸露而不设绝缘层。所述第二电容测量探针42主要用于在周围处于纯油状态下或当油水界面位置处于两探针底端位置之间的状态下进行电容测量信号采集，而由于水具有导电性，因此所述第二电容测量探针42需被绝缘层包裹，其中，所述绝缘层优选采用可套在所述第二电容测量探针42外部的且密闭的四氟管，以便绝缘所述第二电容测量探针42。当所述第一电容测量探针41的顶端位置与所述保护筒2的顶端位置持平时，所述第一电容测量探针41的长度需短于所述保护筒2的长度；当所述第一电容测量探针41的顶端位置与所述第二电容测量探针42的顶端位置持平时，所述第二电容测量探针42的长度需长于所述第一电容测量探针41的长度；同时当所述保护筒2的顶端位置与所述第二电容测量探针42的顶端位置持平时，所述第二电容测量探针42的长度可以略长于(例如长5mm)、等于或略短于(例如短5mm)所述保护筒2的长度。此外，所述第一电容测量探针41和所述第二电容测量探针42优选采用单极探针。

所述信号采集及计算处理模块5用于作为整个传感器的信号处理核心，用于基于常规的电容检测和液位高度测量原理，实现如下工作原理：在传感器安装后，首先通过所述第一电容测量探针41和所述第二电容测量探针42采集获取包含有与多个舱内标定液位(包含有燃油液面位置、纯水液面位置和/或油水界面位置等)一一对应的多个电压标定值的标定数据，并基于标定数据中多个舱内标定液位与多个电压标定值的一一对应关系确定拟合函数，然后在液面测量时通过所述第一电容测量探针41和所述第二电容测量探针42采集得到两电容测量值，最后通过所述拟合函数确定与所述两电容测量值对应的且所述船用燃油舱100的燃油液面位置和油水界面位置，实现对舱底浸水监测并同时测量燃油液位的目的。所述信号采集及计算处理模块5可以但不限于采用型号为STM32F103系列的微处理器芯片及其外围电路实现。

由此通过前述传感器结构及工作原理的详细描述，提供了一种测量船用燃油舱内液面位置的新型传感器，即包括有安装机构、保护筒、长方形隔板、第一电容测量探针、第二电容测量探针和信号采集及计算处理模块，其中，所述第二电容测量探针被绝缘层包裹且使所述第二电容测量探针的底端位置低于所述第一电容测量探针的底端位置，从而可以在传感器安装后基于常规的电容检测和液位高度测量原理，根据标定数据的拟合函数和通过长短不一的两电容测量探针所采集获取的两电容测量值，确定与所述两电容测量值对应的燃油液面位置和油水界面位置，实现对舱底浸水监测并同时测量燃油液位的目的，进而可提高船舶运行的安全性和抗损管能力，特别适用于应用在无人船领域中。

优化的，为了实现对燃油液面位置和油水界面位置的精确定位，所述传感器的工作方法，在传感器安装后由信号采集及计算处理模块5执行，包括但不限于有数据标定阶段和液面测量阶段。

所述数据标定阶段，包括但不限于有如下步骤：在船用燃油舱100的舱内空间盛装纯油(指无水的燃油)时，针对多个舱内标定液位中的各个舱内标定液位，通过第一电容测量探针41采集获取对应的第一电容标定值，以及通过第二电容测量探针42采集获取对应的第二电容标定值；根据所述多个舱内标定液位与多个所述第一电容标定值的一一对应关系，拟合得到第一拟合函数，以及根据所述多个舱内标定液位与多个所述第二电容标定值的一一对应关系，拟合得到第二拟合函数；保存所述第一拟合函数和所述第二拟合函数。前述多个舱内标定液位可具体为在燃油出口200之上的液位量程刻度，例如在量程0～1400mm上每隔50mm的各个刻度；前述电容标定值的采集过程及拟合过程均可基于现有技术实现，所得的所述第一拟合函数和所述第二拟合函数的拟合曲线图可举例的分别如图4和5所示，均呈近似的线性关系。

所述液面测量阶段，包括但不限于有如下步骤：通过第一电容测量探针41采集获取到第一电容测量值，以及通过第二电容测量探针42采集获取到第二电容测量值；根据所述第一拟合函数，确定与所述第一电容测量值对应的第一舱内测量液位，以及根据所述第二拟合函数，确定与所述第二电容测量值对应的第二舱内测量液位；判断所述第一舱内测量液位与所述第二舱内测量液位的液位差绝对值是否小于预设阈值；若小于，将所述第一舱内测量液位和所述第二舱内测量液位的平均值作为船用燃油舱100的燃油液面位置，并判定油水界面位置位于第二电容测量探针42的底端位置之下，否则将所述第一舱内测量液位作为所述燃油液面位置，并判定油水界面位置位于第一电容测量探针41的底端位置与第二电容测量探针42的底端位置之间。

由于电容测量值与探针至筒壁间介质的相对介电常数迫切相关，而水的相对介电常数远大于燃油的相对介电常数，因此当油水界面位置位于第一电容测量探针41的底端位置与第二电容测量探针42的底端位置之间时，根据所述第二拟合函数确定的且与所述第二电容测量值对应的第二舱内测量液位会与根据所述第一拟合函数确定的且与所述第一电容测量值对应的第一舱内测量液位相差极大，只要液位差绝对值超过所述预设阈值，即可判定所述第二电容测量探针42的底端位置已经浸入水中，同时可以对燃油液面位置进行精确确定。

进一步优化的，还可以按照如下工作方法对油水界面位置进行精确定位：

所述数据标定阶段，还包括但不限于有如下步骤：在船用燃油舱100的舱内空间盛装纯水(指无燃油的水体)时，针对多个在两探针底端位置之间的舱内标定液位中的各个舱内标定液位，通过第二电容测量探针42采集获取对应的第三电容标定值；根据所述多个在两探针底端位置之间的舱内标定液位与多个所述第三电容标定值的一一对应关系，拟合得到第三拟合函数；保存所述第三拟合函数；

所述液面测量阶段，还包括但不限于有如下步骤：在判定油水界面位置位于第一电容测量探针41的底端位置与第二电容测量探针42的底端位置之间时，按照如下方式推导所述油水界面位置H_WO：

H_1,O＝f_1,O(C₁)＝f′_1,O(C₁)·C₁

f_2,W(C₂)＝f′_2,W(C₂)·C₂

式中，C₁表示所述第一电容测量值，f_1,O(C₁)表示变量为所述第一电容测量值的所述第一拟合函数，f′_1,O(C₁)表示所述第一拟合函数的导数，C₂表示所述第二电容测量值，f_2,O(C₂)表示变量为所述第二电容测量值的所述第二拟合函数，f′_2,O(C₂)表示所述第二拟合函数的导数，f_2,W(C₂)表示变量为所述第二电容测量值的所述第三拟合函数，f′_2,W(C₂)表示所述第三拟合函数的导数，H_1,O表示所述第一舱内测量液位。

前述第三拟合函数的拟合曲线图可举例的如图6所示，也呈近似的线性关系。同时由于所述第二电容测量探针42的底端位置已经浸入水中，因此油水界面下水体和油水界面上燃油都会对测得的所述第二电容测量值产生影响，可视为对应油水界面下水体的第一等效电容与对应油水界面上燃油的第二等效电容的并联效果，因此有公式进而可推导得到所述油水界面位置H_WO的精确计算公式。

优化的，所述长方形隔板3和所述第一电容测量探针41分别采用金属材质制成，并使所述第一电容测量探针41的底端位置在传感器安装后略低于(例如低于5mm)燃油出口位置或与燃油出口位置持平。由此当油水界面102上升至所述第一电容测量探针41的底端位置时，所述第一电容测量探针41会因水体导电而与所述长方形隔板3短路，此时通过所述第一电容测量探针41采集得到的电容测量值将会发生特别跳变，以便所述信号采集及计算处理模块5根据该跳变识别油水界面已接近或上升至所述燃油出口位置，进而发出警报，提醒关闭燃油出口、自动关闭燃油出口或启动水体排出任务，最终保障船体动力系统的运行安全性。即进一步优化的，所述工作方法还包括但不限于有：在所述液面测量阶段中且在通过第一电容测量探针41采集获取到第一电容测量值后，若判定所述第一电容测量值超出电容标定值范围，则判定油水界面位置为第一电容测量探针41的底端位置，并发出报警信号，其中，所述电容标定值范围由多个所述第一电容标定值中的最大值和最小值确定。此外，所述第一电容测量探针41可以但不限于采用材料316L制成。

优化的，所述安装机构1包括有穿插柱体11、法兰盘12、圆柱形凸台和探针固定环，其中，所述穿插柱体11用于在安装时插入位于所述舱体顶部或所述舱体侧壁上的安装通孔，所述法兰盘12同轴连接所述穿插柱体11的舱外端部且用于在安装时与所述安装通孔的舱外法兰盘对接固定，所述圆柱形凸台同轴设置在所述穿插柱体11的舱内端面上；所述圆柱形凸台的直径与所述保护筒2的内径相匹配，所述保护筒2的顶端通过与所述圆柱形凸台的插接配合，实现与所述安装机构1的固定连接；所述圆柱形凸台的凸台面上开设有台阶孔，在所述台阶孔中固定安装所述探针固定环，所述第一电容测量探针41的顶端和所述第二电容测量探针42的顶端分别通过固定接头固定在所述探针固定环中，实现与所述安装机构1的固定连接。如图1和3所示，通过前述安装机构1的具体设计，可以实现将整个传感器安装在船用燃油舱100的舱体顶部或舱体侧壁上的目的，并确保所述保护筒2及两电容测量探针的安装稳固性。进一步优化的，为了确保插接配合的稳固性，在所述保护筒2的顶端与所述圆柱形凸台插接配合后，通过焊接结构或侧部螺栓结构(即在所述保护筒2的侧壁及所述圆柱形凸台的侧面上开设有对应的螺纹孔，并向该螺纹孔旋入螺钉实现螺栓固定目的)固定所述保护筒2和所述圆柱形凸台。以及为了方便从舱外安装整个传感器，所述保护筒2的外径小于所述穿插柱体11的直径。此外，当所述安装机构1采用侧装法兰安装机构时，所述穿插柱体11需要弯折90度，以便确保所述保护筒2在安装后的姿态仍呈竖直状态。

优化的，所述保护筒2的底部安装有固定环23，在所述固定环23的环内径向安装有绝缘定位架，其中，所述绝缘定位架用于定位所述长方形隔板3的底部和所述第二电容测量探针42的底部。通过前述固定环23及绝缘定位架的设计，可以定位并稳固所述长方形隔板3的底部和所述第二电容测量探针42的底部，确保电容测量值的采集可靠性。此外，所述绝缘定位架可以但不限于采用聚四氟乙烯材质制成。

优化的，所述保护筒2的底端位置在传感器安装后低于所述船用燃油舱100的燃油出口位置，并使所述保护筒2的底端位置/和所述第二电容测量探针42的底端位置在传感器安装后与所述船用燃油舱100的舱内最低位置的高程差介于5～15mm之间。通过前述安装设计，可以确保传感器的量程能够尽可能的延伸至所述船用燃油舱100的底部，如图3所示，高程差举例为10mm。此外，虽然所述保护筒2的长度可根据测量量程需要进行指定设计，但在一般情况下，为了运输和船上船舱安装要求，所述保护筒2的最长长度限制在2米之内，若测量量程大于该保护筒长度，则可以采用多组传感器从上至下依次侧装的方式来拼接拓展测量量程。

优化的，在所述第一测量空间21和所述第二测量空间22的筒壁上开设有若干个从上至下依次间隔布置的通液孔24。如图1和3所示，通过所述通液孔24的上下设计，可以提升筒内外的液体流动性，进一步使筒内外的液面(其包含燃油液面和油水界面)始终保持一致，确保最终液面位置的确定精度。此外，如图1和3所示，所述通液孔24可举例采用长条孔。

优化的，在所述长方形隔板3的两侧板面上分别设置有若干个从上至下依次间隔布置的绝缘支撑架25，其中，所述绝缘支撑架25用于固定和支撑对应侧的所述第一电容测量探针41或所述第二电容测量探针42。如图1所示，由于电容测量探针需要对整个测量量程长度进行测量，一旦太长，会导致弯曲变形，因此通过设置所述绝缘支撑架25，可以确保电容测量探针的紧固和不变形，以及确保探针和隔板之间电气不导通，也不接触筒壁。此外，所述绝缘支撑架25可以但不限于采用聚四氟材料制成。

优化的，所述信号采集及计算处理模块5包括有信号采集电路板51、计算处理电路板以及在传感器安装后位于舱外的显示器53和数据传输接头54，其中，所述信号采集电路板51的两输入端分别电连接所述第一电容测量探针的输出端和所述第二电容测量探针42的输出端，所述信号采集电路板51的输出端通信连接所述计算处理电路板的输入端，所述计算处理电路板的两输出端分别通信连接所述显示器53和所述数据传输接头54。如图1和2所示，所述信号采集电路板51布置在所述安装机构1中，所述计算处理电路板、所述显示器53和所述数据传输接头54可布置在固定连接所述法兰盘12的表头50(其必然位于舱外)上，其中，所述信号采集电路板51用于基于电容测量原理配合两电容测量探针采集得到电容测量信号，并将电容测量信号送入所述计算处理电路板，其可以采用现有信号采集电路实现；所述计算处理电路板用于基于液位高度测量原理实现如下工作原理：在传感器安装后，首先基于标定数据中多个舱内标定液位与多个电压标定值的一一对应关系确定拟合函数，然后在液面测量时，通过所述拟合函数确定与两电容测量值对应的且所述船用燃油舱100的燃油液面位置和油水界面位置，实现对舱底浸水监测并同时测量燃油液位的目的，其可以但不限于采用型号为STM32F103系列的微处理器芯片及其外围电路实现；所述显示器53用于显示测量数据或工作状态，可以但不限于采用液晶显示屏；所述数据传输接头54用于输出测量数据或报警信号，可以但不限于采用RS485总线接口，以便基于Modbus协议将测量数据或报警信号输出到上位机。

综上，采用本实施例所提供的测量船用燃油舱内液面位置的传感器及其工作方法，具有如下技术效果：

(1)本实施例提供了一种测量船用燃油舱内液面位置的新型传感器，即包括有安装机构、保护筒、长方形隔板、第一电容测量探针、第二电容测量探针和信号采集及计算处理模块，其中，所述第二电容测量探针被绝缘层包裹且使所述第二电容测量探针的底端位置低于所述第一电容测量探针的底端位置，从而可以在传感器安装后基于常规的电容检测和液位高度测量原理，根据标定数据的拟合函数和通过长短不一的两电容测量探针所采集获取的两电容测量值，确定与所述两电容测量值对应的燃油液面位置和油水界面位置，实现对舱底浸水监测并同时测量燃油液位的目的，进而可提高船舶运行的安全性和抗损管能力，特别适用于应用在无人船领域中；

(2)通过特有算法可以精确定位燃油液面位置及油水界面位置，使得可以精确监测剩余油量以及舱底浸水情况，进一步利于提高船舶运行的安全性和抗损管能力；

(3)通过隔板与短探针的材质设计以及短探针的底端安装位置设计，可以利于自动识别油水界面是否接近或上升至所述燃油出口位置，以便及时触发警报，提醒关闭燃油出口、自动关闭燃油出口或启动水体排出任务，最终保障船体动力系统的运行安全性；

(4)所述传感器还具有安装稳固性高、测量结果可靠、可拼接延长测量量程和结构简单等优点，便于实际应用和推广。

最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。