基于光电传感器的液位检测方法与装置.doc

基于光电传感器的液位检测方法与装置 2 0 引 言 液位检测在许多控制领 域已经 较为常 见, 按原理 分为 浮子式[ 1 ] 、压力式[ 2] 、电 容式[ 3 ] 、光纤 式[ 4 ] 等。 这些检 测方 法和装置均有各自的原理、特殊结构、适用场合。在一些测 量中, 需避免测量仪器与被测液体直接接触, 此时这些方法 便不适用。基于光 电传 感器 的液 位检 测方 法[ 5~ 7] , 是 将液 位的变化转换为光信号的变化, 无需与被测液体直接接 触, 可以满足上述场合。但如 果待测液 体的液 面有气 泡, 光线 在实际传播过程中会由于液面气泡的干扰而偏离其理论上 的传播路径, 导致结 果不准确 。本文提 出一种 基于双 光电 传感器和动态阈值的液 位检测方 法与装 置, 可以很好 地克 服测量中由于气泡引起的干扰, 得到较好的液 位控制精度。 1 原 理 本检测装置的光电传感 器位置 如图 1 所示, 包括 设置 于透明玻璃管一侧的上下 2 个特性一致的 L E D 光源, 对应 的水平放置的 2 个特性一 致的光 电管, 两对传 感器相 应设 有高度比液面厚度稍大的通光孔。 假设待测液体成分 以水为主, 折射率 n 约为 1 . 33 3, 弯 曲液 面的边缘与 玻璃管的接 触角约为 38 . 5 [ 8] 。光由 光密 媒质进入光疏媒质 时, 当 入射角 大于某 一临界角 就会发 生 全反射现象。由 折射率 公式 n = 1 / s in C , 可求 得临 界角 C 为 4 8. 6 。 图 1 光电传感器位置 Fig 1 Position of optoele ctroni c sensor 测量过程中 , 入射 光线的入 射角随着待 测液体液 面的 上升逐渐增大, 当入射角大于 48 . 6 时发生 全反射 现象; 而 通光孔处入射光发 生全反 射区域的 面积达 到最大 时, 光 电 管所能接收到的光线光强达到最 小, 因此, 待测液体的液面 一次通过光电管对应一个最小光 强值。由 于液面在上升过 程中, 形态基本保持不变, 故两对 光电管在一次测量中测得  收稿日期: 2009 03 19  的最小值理论上相等。以 低液位测 得的最 小值为 阈值, 对 比阈值和目标控制液位的值即可以控制目标液位。图 2 为 弯曲液面经过传感器所采集的电压波形图。 图 2 弯曲液面的电压曲线 Fig 2 Vol tage c urve of c ur ved li qui d surface 2 硬件设计 装置的 总 体 电路 框 图主 要 部 分如 图 3 所示, 包括 光 源 1, 光源 2 , 光电管 1 , 光 电管 2 , A/ D 转换模块、单 片机模 块。其中, 发光器件为 L E D, 光电管为光敏二极 管, A / D 转 换采用 M A XIM 公司的 12 位 A / D 芯片 M A X12 46 , 单片机 为 S il icon Lab s 的 C 80 51 F3 40 。 图 3 总体电路框图 Fi g 3 Block diagram of total cir cuit 光源部 分采用特性 一致的两 光电对管, 用精密 电压调 节器 T L 43 1 组成恒流电 路驱 动两 L E D 产生 相同 的光 强。 恒流电路图如图 4 所 示, T L 43 1 的 RE F 端恒定为 2 . 5 V , 经 R4 转换 为恒 定 电 流 1 m A, 2 个 L E D 通 过单 片 机 的端 口 L1 , L 2 被单片机控制分时点亮。  图 5 检测程序流程图 Fig 5 Fl ow chart of de te cti ve program 粘度等方面因素。 4 实 验 4. 1 测试条件 玻璃管 内径为 10 m m ; 弯曲液 面厚度为 2 m m ; 光 敏管 与 LE D 均为 5 m m 器件, 水 平相对 并分 别位 于玻 璃管 横 切面轴线两侧, 光敏管与 L E D 放置在遮光部件上并固 定在 铁架台上, 对应的通光孔宽为 2. 0 m m, 高为 2. 8 mm ; 玻璃管 与游标卡尺( 精度为 0. 05 m m) 的活动端相连, 游标卡尺的另一 端固定于铁架台上; 待测液体为 Veidu o 全血质控液。 4. 2 测试方法 使用本装置进行自 动液位 检测, 完成检 测后 移动游 标 卡尺活动端使液面 到达预 先设置的 目标液