CN114061701A - 光感应式液位检测方法和液位检测装置 - Google Patents

光感应式液位检测方法和液位检测装置 Download PDF

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唐小兰
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Abstract

本发明提供了一种光感应式液位检测方法，属于液位检测技术领域，所述方法以光为检测介质，发光元件和光敏元件分置于液面垂直投影柱的两侧，由液面的平面部分和/或液面的边角部分参与光路折射或反射，具体包括以下步骤：SA1.布设光元件组：按以下规则之一，或多个规则并用，在容器的一侧，布设至少一个发光元件，在容器的另一侧，布设至少一个光敏元件。本发明实施例相较于现有技术，无需在容器侧壁打孔以及无需在容器底部安装探头即可实现小容量容器内部液位的检测，并且可针对不同颜色的容器和/或不同颜色的被测液态进行检测，提高了液位检测的便利性以及可靠性。

Description

光感应式液位检测方法和液位检测装置
技术领域
本发明属于液位检测技术领域，具体是一种光感应式液位检测方法和液位检测装置。
背景技术
在许多应用中，控制系统需要实时检测被控对象中容器内部的液位情况，根据液位输出相应的动作或指示，以确保控制的可靠性。例如：在香薰或药液雾化喷雾设备中，设有精油或药液容器，控制系统需要确认精油或药液未用空，才能启动香薰或药液雾化动作，否则达不到理疗或治疗作用。特别在复方香薰或复方雾化治疗中，控制系统需要实时检测所用到的多个精油或药液容器的液位，否则可能在香薰或雾化治疗中，因一种或多种精油/药液的缺失，造成配方错误。
传统的液位检测有许多方式：
1.浮球+开关式：在容器内部设置浮球，随液面的变动，浮球上下移动，依靠浮球的位移，触发开关发生动作，控制系统通过检测所述开关的状态，即可检知液位。
2.超声波式：在容器上方设置超声波发送装置和接收装置，控制系统通过检测超声波发送和接收之间的时间差，判断液位的高低；
3.光反射式：在锥形透明体后方设置发光和光敏元件，构成液位探头，在容器壁上打孔，将液位探头密封安装到容器壁上，光线透过锥形透明体后，在空气(液位低于探头)和所测液态(液位高于探头)中的折射、反射性能上的差异，反映到光敏元件上的输出差异，通过检测该差异，感知液位的高低。
4.光透射式：在容器壁的相对两侧，水平设置发光和光敏元件，在液位高于发光和光敏元件的安装高度时，发光元件所发射的光线需要透过容器壁和所检测的液体后达到光敏元件；液位低于发光和光敏元件的安装高度时，发光元件所发射的光线则透过容器壁和空气后达到光敏元件。由于所检测液体和空气对光线的透射率有差异，故，上述两种情况下，光敏元件所接收到的光强有差异，通过检测该差异，检知液位的高低。
5.压力检测式：在容器底部安装压力传感器，液位异动将反映为容器底部压力的变化，从压力传感器的输出中表现出来。
上述多种液位检测方式中：浮球+开关式和超声波式的探头体积较大，不适合对小容量容器的液位检测；光反射式需要在容器壁上打孔，并实现密封安装，亦不适于小容量容器的液位检测；光透射式难以兼容不同颜色的容器和/或不同颜色的被测液态；压力检测式需要将探头安装到容器底部，并将传感器引线引出，不适于小容量容器的液位检测。
而在例如香薰或药液雾化应用中，容器容量小到1毫升，大到几百毫升，且多为玻璃瓶装，卫生及精油等液态的腐蚀性等原因，不宜打孔、探头内装、瓶盖安装等，由此，非接触的光线对射式检测成为首选，而传统的光透射式检测模式，由于难以兼容不同颜色的容器和或不同颜色的液态，使得检测的可靠性有限。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明实施例要解决的技术问题是提供一种光感应式液位检测方法和液位检测装置。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种光感应式液位检测方法，以光为检测介质，发光元件和光敏元件分置于液面垂直投影柱的两侧，由液面的平面部分和/或液面的边角部分参与光路折射或反射，具体包括以下步骤：
SA1.布设发光组件：按以下规则之一，或多个规则并用，在容器的一侧，布设至少一个发光元件，在容器的另一侧，布设至少一个光敏元件，
1)光折射式布设规则：以被控液位为基准位置布设发光元件，使
所述发光元件，其输出主光线水平出射，光路与容器的内腔存在交集；
所述光敏元件，位于偏离于发光元件输出主光线的延长线某位置；
2)光反射式布设规则：在被控液位上方布设发光元件，使
所述发光元件，其输出主光线投射到被控液面上，且不垂直于液面，
所述光敏元件，位于发光元件的主光线经被控液面反射后的光路上；
SA2.使能发光：对发光元件施加电流，使之发射光线；
SA3.判断液位：检测电路检测光敏元件的状态，根据光敏元件状态判断容器内的液位情况。
作为本发明进一步的改进方案：SA2步骤中，所述使能发光为断续发光，以降低光线对所检测液体可能造成的变质等，且
所述使能发光，为，对发光元件施加具有一定频率特征和/或时序特征的电流，使其发射的光线具有一定频率特征和/或时序特征，
SA3中，检测电路对光敏元件的输出信号，以对发光元件施加的电特征为基准，实施检波，以滤除环境光线等造成的干扰。
作为本发明进一步的改进方案：针对光折射式布设规则布设发光组件的方式，为，沿垂直方向布设多组光元件组，以实现对同一容器的多级液位的检知，
针对光折射式布设规则布设发光组件的方式，为，沿水平方向布设多个光敏元件，以实现对同一容器的多级液位的检知。
作为本发明进一步的改进方案：当液面在某一光元件组所检测的液位范围中时，通过检测所述光元件组中相邻光敏元件所接收的光强，计算液面的细分位置。
一种使用上述光感应式液位检测方法的液位检测装置，包括容器、至少一个发光元件、至少一个光敏元件、驱动电路、传感电路和信号检定电路，
所述容器约束其内的液体以形成液面垂直投影柱，
所述发光元件安装于液面垂直投影柱的一侧，由所述驱动电路施加电流后发射光线，
所述光敏元件安装于液面垂直投影柱的另一侧，位于发光元件所发射的主光线经液面垂直投影柱影响后的光路中，用于配合与所述光敏元件连接的传感电路以及信号检定电路识别液位状态。
作为本发明再进一步的改进方案：所述发光元件的光线出射端前方，设有光路处理元件，所述光路处理元件用于将所述发光元件出射的光线处理成平行窄光束。
作为本发明再进一步的改进方案：所述光敏元件的接受面前方，设有滤光元件，所述滤光元件用于滤除环境光的干扰。
作为本发明再进一步的改进方案：还包括使各电路协作的微处理器，所述信号检定电路由微处理器内部的数字输入级电路和/或微处理器的识别逻辑兼做，和/或所述驱动电路由微处理器的输出级电路兼做。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明实施例相较于现有技术，无需在容器侧壁打孔以及无需在容器底部安装探头即可实现小容量容器内部液位的检测，并且可针对不同颜色的容器和/或不同颜色的被测液态进行检测，提高了液位检测的便利性以及可靠性。
附图说明
图1为本发明中垂直光折射方式实现光感应式液位检测的示意图；
图2为本发明中光线穿过圆形截面容器后的光线出射示意图；
图3为本发明中水平光折射方式实现光感应式液位检测的示意图；
图4为本发明中光反射方式实现光感应式液位检测的示意图；
图5为本发明的电路图一；
图6为本发明的电路图二；
图7为本发明的电路图三；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
请参阅图1和图5，一种光感应式液位检测装置，包括容器1、至少一个发光元件3、至少一个光敏元件4、驱动电路、传感电路和信号检定电路，所述容器1约束其内的液体以形成液面垂直投影柱5，所述发光元件3安装于液面垂直投影柱5的一侧，由所述驱动电路施加电流后发射光线，所述光敏元件4安装于液面垂直投影柱5的另一侧，位于发光元件3所发射的主光线61经液面垂直投影柱5影响后的光路中，用于配合与所述光敏元件4连接的传感电路以及信号检定电路识别液位状态。
图1中示意了垂直光折射式工作方式所需的发光元件3布设，该工作方式利用了液面的边角的棱镜特性，由其对发光元件3出射的主光线61实施折射，将发光元件3出射的光斑沿垂直方向发散为更大面积的光斑，并改变出射角；当容器1内部液面高于或低于液面21时，发光元件3的出射主光线61基本沿直线穿过容器1和其中的液体(当液面高于液面21时)，出射到位置9处，其它位置所接收的照度较低；当液面位于液面21时，发光元件3的出射主光线61透过靠近发光元件3的容器壁后，入射到液面的边角部分22，发生折射，形成被垂直拉伸的出射光斑62，由于液面的边角部分22对入射光的折射作用，使得出射光斑62被沿垂直方向拉伸，在光敏元件4处，光敏元件4能够接收到较强的照度，从而作出反应，供与其连接的传感电路以及信号检定电路识别到液位的状态。
注：为简化描述，本实施例所附的示意图中，部分地省略了光线透过容器壁时可能发生的折射等情况，这些折射在实施中是存在的，但由于对本申请所主张的核心技术影响较小，故在本申请中予以忽略。
请参阅图3，利用非平行立壁容器1中液体对入射光81进行水平折射，将入射光81折射到不同的位置，图3中以圆形横截面图的容器为例，当入射光线2沿容器横截面的圆心入射时(如图2所示)，容器壁及其中可能存在的液体对光线的折射率极小，故过圆心的入射情况下，对液位的检测效果不佳。
由此，为确保检测效果，本实施例主张入射光线偏离圆心，当容器1内的液位高于入射光线所在的高度时，所述液体对入射光线具有较大的折射。在图3中，当液位低于入射光线81所在的高度时，该光线在容器内沿82行进，沿83出射到容器外，如果在位置41 处安装光敏元件4，就可以接收到出射光斑；当液位高于入射光线81所在的高度时，该光线在容器内沿84行进，沿85出射到容器外，安装在位置42处的光敏元件4，方可接收到出射光斑。
通过检测位置41或42处光敏元件4的状态，接口判断液位相对于发光元件3的位置，即：位置41处光敏元件4接收到光斑时，判断液位低于发光元件3的所在高度；位置41 处光敏元件4未接收到光斑时，判断液位高于发光元件3的所在高度。同理，位置42处光敏元件4接收到光斑时，判断液位高于发光元件3的所在高度；位置42处光敏元件4 未接收到光斑时，判断液位低于发光元件3的所在高度。
请参阅图4，在一个实施例中，利用了光反射式工作方式对所需的发光元件3进行布设，其中，发光元件3的出射主光线71透过透明或半透明的容器1的壁后，非垂直地投射到液面21或22上，被液面21或22反射，反射光线73/75透过容器1的壁后，沿74/76 方向，从液面垂直投影柱5的另一侧出射，由图2可见，当液位越低时，出射光线越远离发光元件3，按图4示意，在位置41、42处各安装一个光敏元件，即可由不同的光敏元件 4，感知不同高度的液位。
在图4所示的工作方式下，液位连续变化时，发光元件3的主光线71经液面反射后，其出射光斑的位置也在连续移动，由此，检测位置41、42处两光敏元件4的受光强度的差异，可通过计算，得知液位在液面21和22之间时的细分位置。
在一个实施例中，所述发光元件3作为可控的液位检测光源，一般由各种光谱的LED 或激光二极管等承担，由于LED的发光角一般较大，出射光线发散，其非平行光线经上述所述的折射、反射后，出射光线方向紊乱，不利于捕捉，因此，作为进一步的方案，所述发光元件3的光线出射端前方，设有光路处理元件，所述光路处理元件用于将所述发光元件3出射的光线处理成平行窄光束，所述光路处理元件包括但不限于透镜、狭缝、偏振片等，完成对出射光线的平行化、窄化、偏单向振，有利于降低光干扰，提高检测精度。
在一个实施例中，所述光敏元件4的接受面前方，设有滤光元件，所述滤光元件用于滤除光敏元件敏感频谱之外的光线，或者屏蔽与发光元件3的偏振方向不同的光线，以屏蔽非来自发光元件3的光线干扰，提高检测精度。
请参阅图6和图7，在一个实施例中，还设有使各电路协作的微处理器，所述信号检定电路由微处理器内部的数字输入级电路和/或微处理器的识别逻辑兼做，和/或所述驱动电路由微处理器的输出级电路兼做，通过微处理器按一定的时序实现对多路光敏电路的检测，从而实现多级液位检测，和/或对液位的细分检测，充分利用微处理器的内部资源和软件资源，降低硬件成本。
一种光感应式液位检测方法，以光为检测介质，发光元件3和光敏元件4分置于液面垂直投影柱5的两侧，由液面的平面部分和/或液面的边角部分参与光路折射或反射，具体包括以下步骤：
SA1.布设发光组件3：按以下规则之一，或多个规则并用，在容器1的一侧，布设至少一个发光元件3，在容器1的另一侧，布设至少一个光敏元件4，
1)光折射式布设规则：以被控液位为基准位置布设发光元件3，使
所述发光元件3，其输出主光线水平出射，光路与容器的内腔存在交集；
所述光敏元件4，位于偏离于发光元件4输出主光线的延长线某位置；
2)光反射式布设规则：在被控液位上方布设发光元件3，使
所述发光元件3，其输出主光线投射到被控液面上，且不垂直于液面，
所述光敏元件4，位于发光元件3的主光线经被控液面反射后的光路上；
SA2.使能发光：对发光元件3施加电流，使之发射光线；
SA3.判断液位：检测电路检测光敏元件4的状态，根据光敏元件4状态判断容器1内的液位情况。
步骤SA2中，所述使能发光为断续发光，以降低光线对所检测液体可能造成的变质等，且所述使能发光，为，对发光元件3施加具有一定频率特征和/或时序特征的电流，使其发射的光线具有一定频率特征和/或时序特征，
对应的，步骤SA3中，检测电路对光敏元件4的输出信号，以对发光元件3施加的电特征为基准，实施检波，以滤除环境光线等造成的干扰。
针对光折射式布设规则布设发光组件3的方式，为，沿垂直方向布设多组发光元件3，以实现对同一容器1的多级液位的检知，
针对光折射式布设规则布设发光组件3的方式，为，沿水平方向布设多个光敏元件4，以实现对同一容器1的多级液位的检知。
当液面在某一光元件组所检测的液位范围中时，通过检测所述发光元件3中相邻光敏元件4所接收的光强，计算液面的细分位置。
以下针对上述各实施例中的名词进行说明
1.液面垂直投影柱——以容器内的液面为轮廓，在垂直方向投影所形成的柱体，如图1和图2中的液面垂直投影柱5。
2.液面的边角部分——由于表面张力的因素，液面在与容器壁相接的位置，会出现局部上的液面上翘或下沉，如图1中的液面边角22，图1中的液面边角22上翘，由上而下逐渐变厚，相当于一个剖面近乎三角形的圆环形棱镜。
3.液面的平面部分——在液面中央，排除液面的边角部分之外，液面呈水平平面，如图1中的液面水平部分21，和图2中的液面水平部分21、22。
4.光路与容器的内腔存在交集——发光元件3所发射的主光线透过容器壁后，在如图3、图4中容器1内腔20中存在一段光路，当容器1内腔中的液体液位高于所述光路的高度时，发光元件3所发射的主光线将在容器内腔中的液体中穿行一段光路，否则，发光元件3所发射的主光线将在容器内腔中的空气中穿行，此两种情形中，所述发光元件3所发射的主光线，其出射角度存在明显差异。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种光感应式液位检测方法，其特征在于，以光为检测介质，发光元件和光敏元件分置于液面垂直投影柱的两侧，由液面的平面部分和/或液面的边角部分参与光路折射或反射，具体包括以下步骤：
SA1.布设发光组件：按以下规则之一，或多个规则并用，在容器的一侧，布设至少一个发光元件，在容器的另一侧，布设至少一个光敏元件，
1）光折射式布设规则：以被控液位为基准位置布设发光元件，使
所述发光元件，其输出主光线水平出射，光路与容器的内腔存在交集；
所述光敏元件，位于偏离于发光元件输出主光线的延长线某位置；
2）光反射式布设规则：在被控液位上方布设发光元件，使
所述发光元件，其输出主光线投射到被控液面上，且不垂直于液面，
所述光敏元件，位于发光元件的主光线经被控液面反射后的光路上；
SA2.使能发光：对发光元件施加电流，使之发射光线；
SA3.判断液位：检测电路检测光敏元件的状态，根据光敏元件状态判断容器内的液位情况。
2.根据权利要求1所述的光感应式液位检测方法，其特征在于，步骤SA2中，所述使能发光为断续发光，以降低光线对所检测液体可能造成的变质等，且
所述使能发光，为，对发光元件施加具有一定频率特征和/或时序特征的电流，使其发射的光线具有一定频率特征和/或时序特征，
步骤SA3中，检测电路对光敏元件的输出信号，以对发光元件施加的电特征为基准，实施检波，以滤除环境光线等造成的干扰。
3.根据权利要求1所述的光感应式液位检测方法，其特征在于，
针对光折射式布设规则布设发光组件的方式，为，沿垂直方向布设多组光元件组，以实现对同一容器的多级液位的检知，
针对光折射式布设规则布设发光组件的方式，为，沿水平方向布设多个光敏元件，以实现对同一容器的多级液位的检知。
4.根据权利要求3所述的光感应式液位检测方法，其特征在于，
当液面在某一光元件组所检测的液位范围中时，通过检测所述光元件组中相邻光敏元件所接收的光强，计算液面的细分位置。
5.一种使用权利要求1-4任一项所述的光感应式液位检测方法的液位检测装置，其特征在于，包括容器、至少一个发光元件、至少一个光敏元件、驱动电路、传感电路和信号检定电路，
所述容器约束其内的液体以形成液面垂直投影柱，
所述发光元件安装于液面垂直投影柱的一侧，由所述驱动电路施加电流后发射光线，
所述光敏元件安装于液面垂直投影柱的另一侧，位于发光元件所发射的主光线经液面垂直投影柱影响后的光路中，用于配合与所述光敏元件连接的传感电路以及信号检定电路识别液位状态。
6.根据权利要求5所述的液位检测装置，其特征在于，所述发光元件的光线出射端前方，设有光路处理元件，所述光路处理元件用于将所述发光元件出射的光线处理成平行窄光束。
7.根据权利要求5所述的液位检测装置，其特征在于，所述光敏元件的接受面前方，设有滤光元件，所述滤光元件用于滤除环境光的干扰。
8.根据权利要求5所述的液位检测装置，其特征在于，还包括使各电路协作的微处理器，所述信号检定电路由微处理器内部的数字输入级电路和/或微处理器的识别逻辑兼做，和/或所述驱动电路由微处理器的输出级电路兼做。
9.根据权利要求5所述的液位检测装置，其特征在于，所述发光元件3为LED或激光二极管。
10.根据权利要求6所述的液位检测装置，其特征在于，所述光路处理元件为透镜或狭缝或偏振片。
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