CN101140181A - 一种光电式液位传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电式液位传感器及其测量方法，光电式液位传感器包括激光器和光电接收器件，激光器和光电接收器件通过光纤相连，光纤置于一保护管内，该保护管底部设有多个孔。或将激光器和光电接收器件通过玻璃棒连通，玻璃棒底部设有三棱镜或反射装置，将本发明的光电式液位传感器置于液体中，通过改变传光介质的边界条件来破坏内部光传输条件，从而使输出光强正比于液位高度，从而来测量液位高度。该传感器浸入液体内采用纯光学器件，无电子器件，因此传感器抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性能好，特别适合易燃、易爆液体的测量。它具有体积小、结构简单、成本低、安装方便等优点，并且液体中无电量，从而可安全、便捷的进行测量。

Description

一种光电式液位传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种传感器及其测量方法，特别涉及一种光强调制型的光电式液位传感器以及利用该光电式液位传感器用于液体表面位置探测的方法。

背景技术

在已有技术中，对液体表面位置的检测，大体分为浮子式液位传感器，电接点式液位传感器，有的采用超声截面液位传感器。对于浮子式液位传感器，由于具有相对运动的机械部件，容易发生机械故障，并且安装、调试都较为复杂；对于电接点式液位传感器，由于它是利用被测介质的导电应能来探测液位，所以只局限于具有导电性能的液体介质，而且与被测介质有直接的电接触，不适用于具有易燃、易爆性的液体介质的液位测量；对于超声界面液位传感器，由于它是利用被测液体介质表面对超声波的反射来探测液位的，容易受到外部因素的影响，对于外界环境要求较高。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种光强调制型的光电式液位传感器以及利用该光电式液位传感器用于液体表面位置探测的方法。该液位测量传感器可以不受外界环境中电磁干扰的影响，测量除带腐蚀性的各种液体液面，特别是对测量易燃，易爆液体时，具有体积小、结构简单、成本底、安装方便等优点，并且浸入液体中的传感器部分无电量，从而安全，便捷的进行测量。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种光强调制型的光电式液位传感器，其特征在于，包括激光器和光电接收器件，激光器和光电接收器件通过光纤相连，其特征在于，所述的光纤置于一保护管内，该保护管底部设有多个孔。

把上述传感器伸入被测液体中，直至液体底部，通过保护管上的小孔，使保护管内部和被测液体液位相同，由于光纤在不同液体中的全反射角不同，保护管保持光纤的弧度，在空气中使激光垂直入射光纤时，恰好处在全反射的情况下，根据公式n1Sinθ1＝n2Sinθ2知，当n2变大时，θ2减小，由于液体中的折射率大同于空气，激光在光纤中传输时达不到全反射，故随着浸入液体的光纤长短的变化，导致其光线有不同程度的逸出。另一端通过检测光纤出射端的光强变化检测出液面位置。

本发明的另一种光电式液位测量传感器，包括激光器和光电接收器件，其特征在于，所述的激光器和光电接收器件通过玻璃棒连通，玻璃棒底部设有三棱镜或反射装置。

把上述传感器伸入被测液体中，直至液体底部，其工作原理是：激光垂直入射到玻璃棒中，由于激光的散射，激光在玻璃棒的表面形成反射和折射，传感器浸入水面的深度不同，导致反射和折射的改变，被底部的三棱镜反射，最后被光电接收管转换成电压，从而测出液面的位置。

本发明的上述传感器特点是：没有活动的机械部分，不会出现机械故障；由于光在传输介质中的折射和反射，改变光强，因此实用于任何不带腐蚀性的液体，光在保护管和浮子间传输，可以不受外界环境中光、电的影响，降低对测量环境的要求。这种传感器安装调整简单、寿命长、机械强度高、机构紧凑、体积小成本低，能够适用于探测高温液体，与电有爆炸危险的液体液面。

附图说明

图1是本发明的光强调制型的光电式液位传感器结构示意图；

图2是本发明的光强调制型的光电式液位传感器结构另一种示意图；

图3是图1中的U型结构采用螺旋型结构示意图。

以下结合附图和对本发明进一步的详细描述。

具体实施方式

本发明如光电式液位传感器原理示意图1、图2、图3所示。其原理是，把一段光纤弯成具有一定曲率半径的圆弧状浸入液体中，当传光介质外界由空气变成液体后，破坏了传光介质(光纤)内部部分光的全反射条件，故在液体中的传光介质中的光束部分溢出，从而引起出射光强的变化。

由于光源光束发散，在传光介质表面发生折射和反射，在底部的三棱锥体发生全反射，由于液体破坏了传光介质(光纤)内部部分光的全反射条件，故在液体中的传光介质中的光束部分溢出，液面的高度不同，溢出的光强随之改变，从而引起接收端光强的变化。

图1是本发明的一种光电式液位测量传感器，包括激光器1和光电接收器件5，激光器1和光电接收器件5通过光纤5相连，所述的光纤5置于一保护管2内，该保护管2底部设有多个孔3。其原理是采用光纤的折射和反射激光后对光强进行光电转换。

把图1的传感器伸入被测液体中，直至液体底部，通过保护管上的小空，使传感器保护管内部和被测液体液位相同，由于光纤在不同液体中的全反射角不同，保护管保持光纤的弧度，在空气中使激光垂直入射光纤时，恰好处在全反射的情况下，根据公式n1Sinθ1＝n2Sinθ2知，当n2变大时，θ2减小，由于液体中的折射率大同于空气，激光在光纤中传输时达不到全反射，故随着浸入液体的光纤长短的变化，导致其光线有不同程度的逸出。另一端通过检测光纤出射端的光强变化检测出液面位置。

图2是另一种光电式液位测量传感器，包括激光器1和光电接收器件5，所述的激光器1和光电接收器件5通过玻璃棒连通，玻璃棒底部设有三棱镜或反射装置，其原理是采用把散射光在玻璃棒中的折射和反射后由半透半反棱镜反射到光电接收管进行光电转换；

玻璃棒的整体结构为：顶端的一定角度(45度)斜面分光，及底端加工成三棱锥体或镜面的全反射。

激光垂直入射到玻璃棒中，由于激光的散射，激光在玻璃棒的表面形成反射和折射，传感器浸入水面的深度不同，导致反射和折射的改变，被底部的三棱镜反射，最后被光电接收管转换成电压，从而测出液面的位置，通过运放，AD转换，被单片机读取，并查表检测出液面的高度，然后反映到用户界面。

为了传感器的灵敏度，图1中的U型结构可以采用螺旋型结构，如图3中所示。

传感器浸入液体的部分越多，光的折射到介质外越多，导致传感器出射端的光强越弱，从而检测出液面位置。

Claims (6)

1.一种光电式液位测量传感器，包括激光器(1)和光电接收器件(5)，激光器(1)和光电接收器件(4)通过光纤(5)相连，其特征在于，所述的光纤(5)置于一保护管(2)内，该保护管(2)底部设有多个孔(3)。

2.一种光电式液位测量传感器，包括激光器(1)和光电接收器件(5)，其特征在于，所述的激光器(1)和光电接收器件(5)通过玻璃棒连通，玻璃棒底部设有三棱镜或反射装置(6)。

3.如权利要求1所述的光电式液位测量传感器，其特征在于，所述的光纤(5)的形状为U型或螺旋型结构。

4.如权利要求1所述的光电式液位测量传感器，其特征在于，所述的保护管(2)为U形。

5.权利要求1所述的光电式液位测量传感器用于液体表面位置探测的方法，其特征在于，把传感器伸入被测量的液体中直至底部，根据公式n1Sinθ1＝n2Sinθ2，其中，n1、n2分别为折射率，θ表示折射角，当折射率n2变大时，折射角θ2减小，在激光的反射和折射中，传感器浸入液体的部分越多，光溢出传光介质越多，导致传感器出射端的光强也越弱，通过光电接收管转换成电压量，从而检测出液面高度。

6.权利要求2所述的光电式液位测量传感器用于液体表面位置探测的方法，其特征在于，把传感器伸入被测量的液体中直至底部，激光器发出的激光垂直入射到玻璃棒中，激光在玻璃棒的表面形成反射和折射，由于传感器浸入水面的深度不同，导致反射和折射的改变，被玻璃棒底部的三棱镜或其他反射装置反射，最后被光电接收管转换成电压，从而测出液面的位置。

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