CN108318107A - 一种基于tof技术的液位开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于TOF技术的液位开关，属于工业传感器与工业控制技术领域。所述基于TOF技术的液位开关包括信号控制电路板、超声波发射头、超声波接收头和温度传感器；其中超声波发射头用于把电能转换成声波能；超声波接收头用于把声波能转换成电信号；温度传感器用于在探测过程中进行温度补偿。利用TOF器件和微控制单元，在探测接收端信号强弱的同时，测量发射端到接收端的声波飞行时间，并使用温度传感器进行温度补偿。

Description

一种基于TOF技术的液位开关

技术领域

本发明涉及工业传感器与工业控制技术领域，特别涉及一种基于TOF技术的液位开关。

背景技术

液位开关主要用于冷冻空调、食品加工、空油压机械、造船、石油化工、饮料等行业，其作用主要是对液体容器的单点液位进行自动化检测与控制。常见的液位开关按照不同的检测原理分主要有浮球式、光电式、音叉式、电容式和磁致伸缩等。最近出现的超声波式液位开关，主要是依据空气和液体两种不同介质对超声波的传输声阻抗不同，从而判断传输路径中是否有液体填充。和其他液位开关相比，超声波液位开关的液位测试只与被测介质的声阻抗参数有关，与介质的粘度无关，因此克服了其他液位开关受介质粘度影响的缺点。

目前的超声波液位开关有两种，一种是安装于液体容器顶端，可以进行连续测量的非接触式多点液位计，另一种是安装于容器侧壁的接触式单点液位计，两种超声波液位开关虽然都是利用超声波传感器发射和接收超声波信号进行探测，但原理不同：前者超声波脉冲由传感器（换能器）发出，声波经液体表面反射后被同一传感器接收或超声波接收器接收，再经过压电晶体转换成电信号，并通过声波的发射和接收之间的时间差来计算传感器到被测液体表面的距离，该种超声波多点液位开关由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体高度的测量；后者是利用声波在气体中和液体中传播时的衰减不同，声波发射器发射的弱信号在空气中传播时接收器几乎没有信号，而在液体中传播时接收器信号很强，通过检测声波接收信号的大小或强度可以用来检测液位。但是现有的超声波液位开关精度不高，液体的粘稠度和温度对声波信号强弱影响不同，测量结果往往会受到影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于TOF技术的液位开关，以解决现有的液位测量受液体粘稠度、温度影响的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于TOF技术的液位开关，包括：

信号控制电路板；

超声波发射头，用于把电能转换成声波能；

超声波接收头，把声波能转换成电信号；

温度传感器，在探测过程中进行温度补偿。

可选的，所述信号控制电路板包括相互连接的集成电源管理电路、微控制单元和TOF器件。

可选的，所述集成电源管理电路用于完成宽动态范围的电压转换；所述微控制单元用于控制整个系统的初始化配置；所述TOF器件用于计算信号发射开始到接收中的时间间隔并把该信息反馈给所述微控制单元。

可选的，所述基于TOF技术的液位开关还包括不锈钢外壳，所述信号控制电路板、所述超声波发射头、所述超声波接收头和所述温度传感器均在所述不锈钢外壳内部。

可选的，所述超声波发射头的发射面正对所述超声波接收头的接收面，并一体化成型于所述不锈钢外壳内部。

可选的，所述所述超声波发射头和所述超声波接收头的材质均为压电陶瓷。

在本发明中提供了一种基于TOF技术的液位开关，包括信号控制电路板、超声波发射头、超声波接收头和温度传感器；其中超声波发射头用于把电能转换成声波能；超声波接收头用于把声波能转换成电信号；温度传感器用于在探测过程中进行温度补偿。利用TOF器件和微控制单元，在探测接收端信号强弱的同时，测量发射端到接收端的声波飞行时间，并使用温度传感器进行温度补偿。

附图说明

图1是本实施例一提供的基于TOF技术的液位开关的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明实施例一提供了一种基于TOF技术的液位开关，如图1所示。所述基于TOF技术的液位开关包括信号控制电路板1、超声波发射头2、超声波接收头3和温度传感器4。

具体的，所述信号控制电路板1包括相互连接的集成电源管理电路11、微控制单元12和TOF器件13；其中，所述所述集成电源管理电路11用于完成宽动态范围的电压转换，如外部输入5V～24V转换成内部需要的各路电压5V/3V；所述微控制单元12用于控制整个系统的初始化配置，与所述TOF器件13的接口通讯，处理信息及实现相关算法；所述TOF器件13在所述微控制单元12的控制下完成所述超声波发射头2的信号驱动和所述超声波接收头3的信号放大接收，并计算信号发射开始到接收中的时间间隔并把该信息反馈给所述微控制单元12。所述超声波发射头2用于把电能转换成声波能；所述超声波接收头3用于把声波能转换成电信号。为减小体积并方便实施，采用压电陶瓷作为所述超声波发射头和所述超声波接收头的材料，并且所述超声波发射头2的发射面正对所述超声波接收头3的接收面，并一体化成型于不锈钢外壳内部，与外壳中间的空腔两边的截面紧密贴合以方便能量最大化传递。由于所述超声波发射头2和所述超声波接收头3都密闭在外壳内部，避免了与液体直接接触且不受容器内部压力影响，因此所述基于TOF技术的液位开关可设计为全密封结构，应用于腐蚀性液体或高压恶劣环境下。

25℃的温度环境下，1MHz的超声波在空气中传播的速率约340m/s，在水中的传播速率约为1480m/s，在油中的传播速度约为1490m/s，通过超声波在不同介质中传播的速度差异结合TOF器件，可区别出液体是水或是油还是其他液体。利用液位开关中的一段空腔（通常1cm-2cm）作为超声波的传播路径，由所述信号控制电路板1激发所述超声波发射头2发射超声波，超声波信号通过空腔后，由空腔另一头的所述超声波接收头3收到后反馈给所述TOF器件4，利用所述TOF器件4记录时间起始点，并计算超声波通过空腔的时间。当空腔中为空气时，超声波从空腔一端飞行到另一端，假设空腔长度为1cm，25℃下超声波通过空腔时间计算如下：0.01(m)/340(m/s)=29.4us，当空腔中浸满水时，超声波通过空腔的时间0.01(m)/1480(m/s)=6.8us，通过不同的时间差异判断空腔中是否有液体填充，从而判定该点高度是否有液体到达，进而完成后续控制动作。

在所述基于TOF技术的液位开关工作时，所述微控制单元12完成所述TOF器件13的初始化配置和整个开关的工作时序控制。为扩大本发明的适用场景和应用范围，针对不同类型的液体，在微控制单元中记录各种液体中超声波飞行速度的特征参数，实际使用过程中进行匹配，从而使得本液位开关可以自适应调整判定参数，提高系统识别的精度。进一步地，微控制单元中可以预先标定不同粘度的液体表，测量时可以通过查找该表，定量测定当前所测液体的相对粘度，从而判定该液体是否已脏污需要更换。为降低工作环境温度对测量的影响，本实施例一的TOF技术的液位开关配置了温度传感器，并通过串行总线与信号控制电路板连接，信号控制电路板执行计算时会根据探测到的当前温度进行补偿，进一步提高测量的精确度。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于TOF技术的液位开关，其特征在于，包括：

信号控制电路板；

超声波发射头，用于把电能转换成声波能；

超声波接收头，把声波能转换成电信号；

温度传感器，在探测过程中进行温度补偿。

2.如权利要求1所述的基于TOF技术的液位开关，其特征在于，所述信号控制电路板包括相互连接的集成电源管理电路、微控制单元和TOF器件。

3.如权利要求2所述的基于TOF技术的液位开关，其特征在于，所述集成电源管理电路用于完成宽动态范围的电压转换；所述微控制单元用于控制整个系统的初始化配置；所述TOF器件用于计算信号发射开始到接收中的时间间隔并把该信息反馈给所述微控制单元。

4.如权利要求1所述的基于TOF技术的液位开关，其特征在于，所述基于TOF技术的液位开关还包括不锈钢外壳，所述信号控制电路板、所述超声波发射头、所述超声波接收头和所述温度传感器均在所述不锈钢外壳内部。

5.如权利要求4所述的基于TOF技术的液位开关，其特征在于，所述超声波发射头的发射面正对所述超声波接收头的接收面，并一体化成型于所述不锈钢外壳内部。

6.如权利要求5所述的基于TOF技术的液位开关，其特征在于，所述所述超声波发射头和所述超声波接收头的材质均为压电陶瓷。