CN112504392A - 一种光电液位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉一种光电液位传感器，包括壳体、光电接收器、控制电路及至少一组导光组件，导光组件包括光电发射器、第一导光柱、第二导光柱及第一反射面；控制电路，控制光电发射器发射信号光，并检测光电接收器是否接收到信号光；第一导光柱，将光电发射器发射的信号光导至第一反射面；第一反射面，将第一导光柱导出的光反射至第二导光柱。第二导光柱，由透明导光材料制成，将第一反射面反射的信号光导至光电接收器位置。本发明中，由于信号光在导光柱内传输，可以大大减少了信号光在长距离传输中的损耗，大幅增加了测试的距离，可以将传感器安装在液体容器的顶部位置。此外其光电接收器接收到的杂散光干扰也较少，检测的结果较为精确稳定。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种光电液位传感器。
背景技术
液位传感器是一种测量液位高度的传感器，其广泛应用于家电领域及油罐、油管、汽车油路、航空航天液位系统等易燃易爆场景中。
目前测量液位的传感器主要包括浮子液位传感器和红外光电液位传感器两种。浮子型液位传感器价格低廉，在家电中有广泛应用，但是浮子传感器主要靠机械浮力推动杠杆或者磁性开关，具有可靠性差、机械结构易磨损，寿命短等缺点。而光电传感器，如专利文献：CN2599538Y，CN201320578544.7中所提及的技术方案，其结构决定了其所能测试的距离很近，如果需要远距离测试，则需要加大红外管电流，会因此造成高功耗，且形成的杂散光也会干扰测试结果。因此此类传感器需要将其安装到液体容器的侧面或者底部，不能安装在顶部。此外，这种传感器还需要开孔防水安装，十分不便，其能应用的场景相当局限。因此，如何获得一种安装场景灵活多变、测试结果准确的液位传感器，是目前亟待解决的一个问题。
发明内容
基于此，有必要针对现有光电传感器测量距离短、安装位置局限性大、信号干扰大的问题，提供一种光电液位传感器。
一种光电液位传感器，包括壳体、光电接收器、控制电路及至少一组导光组件，所述导光组件包括光电发射器、第一导光柱、第二导光柱及第一反射面；
所述光电发射器，发射信号光；
所述光电接收器，接收信号光；
所述控制电路，控制所述光电发射器发射信号光，并检测所述光电接收器是否接收到信号光；
所述第一导光柱，由透明导光材料制成，将所述光电发射器发射的信号光导至所述第一反射面；
所述第一反射面，将所述第一导光柱导出的光反射至所述第二导光柱；所述第二导光柱，由透明导光材料制成，将所述第一反射面反射的信号光导至所述光电接收器位置。
优选地，所述第一导光柱及所述第二导光柱的两端都设有将信号光进行聚光、准直的凸透镜。
优选地，所述壳体包括下壳体及固定安装于所述下壳体上的上壳体，所述上壳体非导光材料制成，所述下壳体通过导光材料制成，所述光电发射器及所述光电接收器设置与所述上壳体上，且所述上壳体包括凸起的隔离部，所述隔离部将所述光电发射器与所述光电接收器相隔离；
所述第一导光柱、所述第二导光柱及所述第一反射面都设置于所述下壳体内。
优选地，所述第二导光柱为L形，所述第二导光柱的弯折处设有第二反射面，所述第二反射面用于改变所述第二导光柱内的信号光光路方向。
优选地，所述第一反射面固定于所述下壳体内侧壁上，所述第一反射面与信号光的入射方向呈135°夹角，所述第二反射面与信号光的入射方向也呈135°夹角。
优选地，所述光电液位传感器通过红外光进行液位检测，所述光电发射器为红外光发射器，所述光电接收器为红外光接收器。
优选地，当所述导光组件数量为两个以上时，每一所述反射面所固定的水平高度都不同。
优选地，所述控制电路包括主控制单片机电路及传感器单片机电路，所述主控制单片机电路发送启动信号至所述传感器单片机电路，所述传感器单片机电路将转换后获得的电信号输出至所述主控制单片机电路，所述主控制单片机电路通过脉宽对接收到的电信号进行有效性判断。
优选地，所述传感器单片机电路包括控制模块、信号光编码模块及信号光解码模块，所述信号光编码模块的输出端与所述光电发射器的输入端连接，所述光电接收器的输出端与所述信号光解码模块的输入端连接。
优选地，所述光编码模块将不同脉宽的信号传送至不同的所述光电发射器，所述主控制单片机电路通过不同信号之间的带宽来区别所述光电接收器接收到的信号光来源。
本发明通过在现有液位传感器的基础上添加了导光柱和反射面，形成了一个信号光的光路。使用该液位传感器，当液面低于反射面时，光电发射器发射载波信号光，光线通过第一导光柱射入第一反射面，第一反射面因发生全反射，将信号光传送到第二导光柱，经过第二导光柱，最后进入光电接收器，被探测到信号。当液面高于反射时，光电发射器发射载波信号光，光线通过第一导光柱输入第一反射面，因液体与第一反射面折射率接近，则信号光在此界面透过第一反射面，形成杂散光，射向第二导光柱的杂散信号光很弱，不足以被探测并判定为有效信号。
由于信号光在导光柱内传输，可以大大减少了信号光在长距离传输中的损耗，大幅增加了测试的距离，因此可以将传感器安装在液体容器的顶部位置。此外其光电接收器接收到的杂散光干扰也较少，检测结果较为精确稳定。
附图说明
图1为本发明的一种光电液位传感器一实施例的结构示意图；
图2为本发明的一种光电液位传感器一实施例在低液位状态下的光路图；
图3为本发明的一种光电液位传感器一实施例在高液位状态下的光路图；
图4为本发明的一种光电液位传感器一实施例的电路原理图；
图5为本发明的一种光电液位传感器另一实施例的结构示意图；
图6为本发明的一种光电液位传感器另一实施例的电路原理图；
图7为本发明的一种光电液位传感器另一实施例的信号光编码示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、上壳体；11、隔离部；2、下壳体；3、光电接收器；4、光电发射器；5、第一导光柱；6、第二导光柱；7、第一反射面；8、第二反射面；9、控制电路；91、主控制单片机电路；92、传感器单片机电路。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做清楚、完整的描述。显然，以下描述的具体细节只是本发明的一部分实施例，本发明还能够以很多不同于在此描述的其他实施例来实现。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参照图1及图4，本发明第一实施例中，该光电液位传感器包括壳体、光电接收器3、控制电路9及一组导光组件，导光组件包括光电发射器4、第一导光柱5、第二导光柱6及第一反射面7；光电发射器4用于发射信号光；光电接收器3用于接收信号光；
控制电路9，用于控制光电发射器4发射信号光，并检测光电接收器3是否接收到信号光；将光电发射器4发射的信号光导至第一反射面7；第一反射面7将第一导光柱5导出的光反射至第二导光柱6；第一导光柱5及第二导光柱6由透明导光材料制成，例如PC材料或者PMMA等材料制成；将第一反射面7反射的信号光导至光电接收器3位置。其中第一导光柱5及第二导光柱6的两端都设有将信号光进行聚光、准直的凸透镜。
壳体包括下壳体2及固定安装于下壳体2上的上壳体1，上壳体1非导光材料制成，下壳体2通过导光材料制成，光电发射器4及光电接收器3设置与上壳体1上，且上壳体1包括凸起的隔离部11，隔离部11将光电发射器4与光电接收器3相隔离，以防止信号光直接射入光电接收器3；第一导光柱5、第二导光柱6及第一反射面7都设置于下壳体2内。第一导光柱5为圆柱形，第二导光柱6为L形，第二导光柱6的弯折处设有第二反射面8，第二反射面8用于改变第二导光柱6内的信号光光路方向。第一反射面7固定于下壳体2内侧壁上，第一反射面7与信号光的入射方向呈135°夹角，第二反射面8与信号光的入射方向也呈135°夹角。需要说明的是，本发明中，第二导光柱6的形状也可以为其他形状。
光电液位传感器通过红外光进行液位检测，光电发射器4为红外光发射器，光电接收器3为红外光接收器。
具体地，控制电路9包括主控制单片机电路91及传感器单片机电路92，主控制单片机电路91发送启动信号至传感器单片机电路92，传感器单片机电路92将转换后获得的电信号输出至主控制单片机电路91，主控制单片机电路91通过脉宽对接收到的电信号进行有效性判断。
传感器单片机电路92包括控制模块、信号光编码模块及信号光解码模块，信号光编码模块的输出端与光电发射器4的输入端连接，光电接收器3的输出端与信号光解码模块的输入端连接，光电接收器3中还包括用于放大信号的信号放大器。
本实施例中测量液位深度为40cm。上壳体1均为黑色PPO塑料，上壳体1还有一同注塑形成的阻隔部。上壳体1通过扣具设计与下壳体2固定安装。
本实施例中，红外光发射器为厦门华联生产型号HMIRA55S贴片红外管，940nm波段，控制其峰值电流为10mA。红外光接收器为华联自产HRM138KJ7D03A双头接收头。
下壳体2为透明PMMA材料制成，内有深度槽，深度槽有一个第一反射面7，第一反射面7与红外光方向呈135°夹角。
第一导光柱5用于红外管发射光线的传导，头尾均有凸透镜，起到聚光准直的作用。第二导光柱6则将反射过来的红外光导入红外接收放大器中。其头尾均有凸透镜。其光路中还有一个第二反射面8，该反射面与红外光导出方向的夹角为135°。两个导光柱与下壳体2一同注塑成型。
传感器的工作步骤为：首先，传感器单片机电路92的MCU的I/O口收到主控制单片机电路91的一个启动信号，然后MCU发射特定的低电平载波信号。LED开始工作，发射一个载波红外编码信号，脉宽宽度400us，4个脉冲cycle，占空50％，一个数据串2000us。当液面低于第一反射面7时，信号光被导入红外接收放大器，信号光经过调制解调，形成对应的电平信号，输入主控制单片机电路91进行判断，主控制单片机电路91可以将脉宽信号±20％以内(即调制出来的信号脉宽210～480us)判定作为有效信号判定标准。当液面低于第一反射面7时，出现有效信号，反之亦然。
参照图2及图3，本发明通过在现有液位传感器的基础上添加了导光柱和反射面，形成了一个信号光的光路。使用该液位传感器，当液面低于反射面时，光电发射器4发射载波信号光，光线通过第一导光柱5射入第一反射面7，第一反射面7因发生全反射，将信号光传送到第二导光柱6，经过第二导光柱6，最后进入光电接收器3，被探测到信号。当液面高于反射时，光电发射器4发射载波信号光，光线通过第一导光柱5输入第一反射面7，因液体与第一反射面7折射率接近，则信号光在此界面透过第一反射面7，形成杂散光，射向第二导光柱6的杂散信号光很弱，不足以被探测并判定为有效信号。
参照图5及图6，在本发明的另一实施例中：该光电液位传感器包括壳体、光电接收器3、控制电路9及至少两组导光组件，所述导光组件包括光电发射器4、第一导光柱5、第二导光柱6及第一反射面7；使用了多个液位测量传感器，测量液位深度为25cm、50cm、75cm、100cm。
其使用的4个红外光发射器为华联生产型号直插式红外管，型号HIR505AC19CP，940nm波段，控制4路峰值电流分别为10mA、15mA、30mA、80mA，红外光接收器为厦门华联自产半球形接收头HRM136BC1B44。
下壳体2为透明PMMA材料制成，内有4个深度槽长度为25cm、50cm、75cm、100cm，深度槽各有一个反射面，反射面与红外光方向呈135°夹角。
本实施例中的4个导光柱，第一导光柱5用于红外光发射器光线的传导，头尾均有凸透镜，起到聚光准直的作用。第二导光柱6则将反射过来的红外光导入红外光接收器中。其头尾均有凸透镜。其光路中还有一个第二反射面8，该反射面与红外光导出方向的夹角为135°,其余3个光路以此类推。4个第二导光柱6均指向红外接收放大器。
其传感器的工作步骤为：首先，传感器单片机电路92的I/O口收到主控器单片机电路的一个启动信号。传感器单片机电路92的四个I/O口分别控制四个红外LED直插管：25cm对应由单片机的I/O控制的自定义红外编码格式a，50cm是单片机I/O控制的自定义红外编码格式b，75cm是单片机I/O控制自定义红外编码格式c，100cm是单片机I/O控制自定义红外编码格式d。这些红外编码格式的信号，按照时序发射，即对应25cm的红外编码格式a先发射，其次编码b，编码c,以此类推。不同信号串间隔时间为50ms。红外数据串脉宽宽度800us，4个脉冲cycle，占空50％，一个数据串4000us，该编码如图7所示。当液面低于各自深度对应反射面时，信号光被导入红外光发射器，信号经过调制解调，形成对应的电平信号，输入主控制单片机电路91进行判断，主控制单片机电路91将脉宽信号±20％以内(即调制出来的信号脉宽640～960us)判定作为有效信号判定标准。当液面低于第一反射面7时，出现有效信号。反之亦然。
本发明由于信号光在导光柱内传输，可以大大减少了信号光在长距离传输中的损耗，大幅增加了测试的距离，因此可以将传感器安装在液体容器的顶部位置。此外其光电接收器3接收到的杂散光干扰也较少，检测结果较为精确稳定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、替换及改进，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光电液位传感器，其特征在于：包括壳体、光电接收器、控制电路及至少一组导光组件，所述导光组件包括光电发射器、第一反射面、由导光材料制成第一导光柱及第二导光柱；
所述光电发射器，发射信号光；
所述光电接收器，接收信号光；
所述控制电路，控制所述光电发射器发射信号光，并检测所述光电接收器是否接收到信号光；
所述第一导光柱，将所述光电发射器发射的信号光导至所述第一反射面；
所述第一反射面，将所述第一导光柱导出的光反射至所述第二导光柱；
所述第二导光柱，将所述第一反射面反射的信号光导至所述光电接收器位置。
2.根据权利要求1所述的光电液位传感器，其特征在于：所述第一导光柱及所述第二导光柱的两端都设有将信号光进行聚光、准直的凸透镜。
3.根据权利要求1所述的光电液位传感器，其特征在于：所述壳体包括下壳体及固定安装于所述下壳体上的上壳体，所述上壳体非导光材料制成，所述下壳体通过导光材料制成，所述光电发射器及所述光电接收器设置于所述上壳体上，且所述上壳体包括非导光材料制成的的隔离部，所述隔离部将所述光电发射器与所述光电接收器相隔离；
所述第一导光柱、所述第二导光柱及所述第一反射面都设置于所述下壳体内。
4.根据权利要求3所述的光电液位传感器，其特征在于：所述第一导光柱为长条形，所述第二导光柱为L形，所述第二导光柱的弯折处设有第二反射面，所述第二反射面用于改变所述第二导光柱内的信号光光路方向。
5.根据权利要求4所述的光电液位传感器，其特征在于：所述第一反射面固定于所述下壳体内侧壁上，所述第一反射面与信号光的入射方向呈135°夹角，所述第二反射面与信号光的入射方向也呈135°夹角。
6.根据权利要求1所述的光电液位传感器，其特征在于：所述光电液位传感器通过红外光进行液位检测，所述光电发射器为红外光发射器，所述光电接收器为红外光接收器。
7.根据权利要求1至6任一项所述的光电液位传感器，其特征在于：当所述导光组件数量为两个以上时，每一所述反射面所固定的水平高度都不同。
8.根据权利要求7所述的光电液位传感器，其特征在于：所述控制电路包括主控制单片机电路及传感器单片机电路，所述主控制单片机电路发送启动信号至所述传感器单片机电路，所述传感器单片机电路将转换后获得的电信号输出至所述主控制单片机电路，所述主控制单片机电路通过脉宽对接收到的电信号进行有效性判断。
9.根据权利要求8所述的光电液位传感器，其特征在于：所述传感器单片机电路包括控制模块、信号光编码模块及信号光解码模块，所述信号光编码模块的输出端与所述光电发射器的输入端连接，所述光电接收器的输出端与所述信号光解码模块的输入端连接。
10.根据权利要求9所述的光电液位传感器，其特征在于：所述光编码模块将不同脉宽的信号传送至不同的所述光电发射器，所述主控制单片机电路通过不同信号之间的带宽来区别所述光电接收器接收到的信号光来源。
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