CN114354547B - 介质界面光学传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质界面光学传感器及其检测方法，包括用于容纳流体介质以形成待监测介质界面的流体管路；流体管路上设有对射式光学结构和全反射式光学结构，全反射式光学结构位于对射式光学结构的下方，且全反射式光学结构和对射式光学结构的输入端均与光源电源电连接，全反射式光学结构和对射式光学结构的输出端与控制器信号连接。本发明设置对射式光学结构和全反射式光学结构，利用光的对射原理和全反射原理的配合，实现在通明介质和不透光介质的情况下对被监测介质界面位置进行准确的监测，检测可靠性高，还能应对各种物理属性不同的介质情况，应用范围广，且本发明整体结构简单，可以基于原有光学传感器的改造，简易便行。

Description

介质界面光学传感器及其检测方法

技术领域

本发明属于光学传感器的技术领域，具体涉及一种介质界面光学传感器及其检测方法。

背景技术

介质界面监测光学传感器分为接触式和非接触式两大类。而现有的介质界面监测光学传感器根据工作原理，主要有如下几种类型：第一种类型是利用凹凸介质界面对光折射作用，以判断介质界面，其结构为光源和光接收器设置在光线直线传播路径上，当两相介质界面经过光线的传播路径时，光在两相介质界面被吸收、折射作用，导致光接收器的光强度发生改变，以监测两相介质界面位置；该类型介质界面光学传感器对于不透光介质界面的监测非常可靠，但其对于透明介质界面的监测，依赖介质界面的凹凸曲率，可靠性变差。第二类型是锥形全反射式介质界面光学传感器，其结构为光源和光电接收器整体嵌入一个锥形透明材料内部，光源的光线经透明材料锥形面发生全反射后（可以是一次或多次全反射）后到达光电接收器，当另一种介质与该透明材料锥形面接触时，改变了该锥形接触介质界面光全反射行为，导致光源的光线不能到达光电接收器，这种类型的介质界面光学监测器缺点在于被监测介质必须与传感器锥形界面发生物理接触，不适合非接触式的介质界面监测的应用场景；另外，当被监测介质残留在传感器锥形界面时，会导致传感器误判，可靠性较差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种介质界面光学传感器及其检测方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

第一方面，一种介质界面光学传感器及其检测方法，其包括用于容纳流体介质以形成待监测介质界面的流体管路；流体管路上设有对射式光学结构和全反射式光学结构，全反射式光学结构位于对射式光学结构的下方，且全反射式光学结构和对射式光学结构的输入端均与光源电源电连接，全反射式光学结构和对射式光学结构的输出端与控制器信号连接。

进一步地，对射式光学结构包括第一光源和第一光接收器，第一光接收器用以接收第一光源发出的光信号；第一光源设置于第一入射孔内，第一光接收器设置于第一接收孔内；第一入射孔和第一接收孔位于流体管路两侧的同一水平线上，且以流体管路为中心成对称设置。

进一步地，全反射式光学结构包括第二光源和第二光接收器，第二光接收器用于接收第二光源全反射的光信号；第二光源设置于第二入射孔内，第二光接收器设于第二接收孔内；第二入射孔和第二接收孔均倾斜设置于流体管路的两侧，且以流体管路为中心成对称设置。

进一步地，第二光源的入射光线与流体管路内的介质界面之间的倾斜角度为0^o~(90 ^o-α₀)，α₀为两相介质界面上实现全反射的入射角临界值。

第二方面. 一种用于介质界面光学传感器的检测方法，其特征在于，全反射式光学结构和对射式光学结构监测的界面位置重合，且全反射式光学结构和对射式光学结构同时工作，两部分结构同时监测界面，以满足透光和不透光界面都能可靠判断；

被测介质包括通明介质和不透光介质，并定义控制器接收到光信号，输出为开，未接收到光信号，控制器输出为关；

其中，被测介质为通明介质时的检测方法，具体包括以下步骤：

S1、当没有被监测介质界面经过时，在全反射式光学结构中，第二光源发出光线，光线未经过被监测介质界面，光线未发生全发射，第二接收器未接受到光信号，控制器输出为关；在对射式光学结构中，第一光源发出的光信号直接传输到第一光接收器，控制器输出信号为开，以判断被监测介质界面未到达监测位置；

S2、当被监测介质界面经过时，在全反射光学结构中，第二光源发出的光在介质界面上发生全反射，光在介质界面反射射入第二光接收器中，第二光接收器接收到光信号，控制器输出信号为开；在对射式光学结构中，第一光源发射的光线直接被第一光接收器接收，此时，控制器输出信号为开；即控制器两次输出信号均为开时，判断被监测的介质界面到达传感器监测位置。

进一步地，被测介质为不透光介质时的检测方法，具体包括以下步骤：

T1、当没有被监测介质界面经过时，在全反射光学结构中，第二光源发出的光未经过被监测介质界面，未在介质界面上发生全反射，没有光传输到第二光接收器，此时控制器输出信号为关，在对射式光学结构中，第一光源发出的光以直线形式传输到第一光接收器，第一光接收器接收到第一光源的光信号，此时控制器的输出信号为开；此时，控制器两次输出信号为关、开，判断被监测介质界面没有到达传感器监测位置；

T2、当被监测介质界面经过时，由于光受到不透光介质的阻碍，在全反射式光学结构中，第二光源发出的光未形成全反射，第二光接收器未接收到第二光源的光信号，控制器输出信号为关；在对射式光学结构中，第一光源发出的光未传输到第一光接收器，此时控制器输出信号为关，即在被监测介质界面经过时，控制器的两次输出信号均为关，信号相同，以判断被监测介质界面到达传感器监测位置；

当全反射光学结构和对射式光学结构的输出信号相同时，才能判断液面到达监测位置，即输出信号为“开开”或者“关关”时，当信号相同时才能判断液面到达监测位置。

本发明提供的介质界面光学传感器及其检测方法，具有以下有益效果：

本发明设置对射式光学结构和全反射式光学结构，利用光的对射原理和全反射原理的配合，实现在通明介质和不透光介质的情况下对被监测介质界面位置进行准确监测，检测可靠性高，还能应对各种物理属性不同的介质情况，应用范围广，且本发明整体结构简单，可以基于原有光学传感器的改造，简易便行。

附图说明

图1为介质界面光学传感器的结构示意图。

图2为介质界面光学传感器的检测方法的流程图。

图3为实施例2通明介质时、在没有液面经过时的全反射式光学结图。

图4为实施例2通明介质时、在没有液面经过时的对射式光学结图。

图5为实施例2通明介质时、液面经过时的全反射式光学结图。

图6为实施例2通明介质时、液面经过时的对射式光学结图。

图7为实施例3不透光介质时时、在没有液面经过时的全反射式光学结图。

图8为实施例3不透光介质时时、在没有液面经过时的对射式光学结图。

图9为实施例3不透光介质时时、液面经过时的全反射式光学结图。

图10为实施例3不透光介质时时、液面经过时的对射式光学结图。

其中，1、第一光源；2、第一光接收器；3、第一入射孔；4、第一接收孔；5、第二光源；6、第二光接收器；7、第二入射孔；8、第二接收孔；9、流体管路。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的实施例1，参考图1，本方案的介质界面光学传感器，包括流体管路9、对射式光学结构、全反射式光学结构、控制器和用于供电的电源、信号转换电路。

其中，流体管路9用于容纳流体介质以形成待监测介质界面的流体管路9。

光学结构和全反射式光学结构均设置于流体管路9的两侧，全反射式光学结构位于对射式光学结构的下方，且全反射式光学结构和对射式光学结构的输入端均与光源电源电连接，全反射式光学结构和对射式光学结构的输出端与控制器信号连接，控制器用于接收第一光接收器2和第二光接收器6传送的光信号，并对外输出该光信号。

本发明的对射式光学结构包括第一光源1和第一光接收器2，第一光接收器2用以接收第一光源1发出的光信号；第一光源1设置于第一入射孔3内，第一光接收器2设置于第一接收孔4内。

第一入射孔3和第一接收孔4位于流体管路9两侧的同一水平线上，且以流体管路9为中心对称设置。

第一光源1和第一光接收器2与流体管路9内的被监测介质界面平行，第一光源1和第一光接收器2的光为直线传播，且该光的直线传播路径与被监测介质界面平行。

对射式光学结构位置与全反射式光学结构位置不重合。

本发明的对射式光学结构部分的工作原理：

当没有不透光介质界面经过的时候，第一光源1发出的光没有经过介质界面，直接传输到第一光接收器2处，第一光接收器2接收到来自光源的光信号。当不透光介质界面经过的时候，第一光源1发出的光受到不透光介质的阻碍，第一光接收器2无法接收到来自光源的光信号，从而形成输出信号的变化。

全反射式光学结构包括第二光源5和第二光接收器6，第二光接收器6用于接收第二光源5全反射的光信号；第二光源5设置于第二入射孔7内，第二光接收器6设于第二接收孔8内；第二入射孔7和第二接收孔8均倾斜设置于流体管路9的两侧。

全反射式光学结构基于当光线从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果入射角大于某一临界角（光线远离法线）时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质，这种光学现象称为全反射；定义在两相介质界面上实现全反射的入射角临界值为α ₀。

第二光源5和第二光接收器6满足全反射条件，与流体管路9内的介质界面呈一定的倾斜角度，倾斜角小于全反射角，并沿流体管路9两侧对称排列。

第二光源5的入射光线出口朝上，其与流体管路9内的介质界面之间的倾斜角度为0^o~(90 ^o-α₀)，以确保光始终以光密介质射入光疏介质的状态下形成全反射。

即在满足光从光密介质射入光疏介质的条件下本实施例全反射式光学所设置的角度满足形成全反射的角度。

本发明的全反射式光学结构的工作原理为：

当没有通明介质界面经过的时候，第二光源5发出的光没有经过介质界面，无法在介质界面上发生全反射，光没有传输到第二光接收器6处，因此第二光接收器6没有检测到来自第二光源5的光信号；当通明介质界面经过时，第二光源5、第二光接收器6和通明介质界面满足全反射条件，光在介质界面表面形成全反射，第二光接收器6接收到来自光源的光信号，从而形成控制器输出信号的变化。

本发明全反射式光学结构和对射式光学结构监测的界面位置重合；传感器的全反射式和对射式光学结构同时工作，两部分结构同时监测界面，目的是满足透光和不透光界面都能可靠判断。

光接收器接收到光信号时，信号转换后的输出信号定义为“开”；没接收光信号时，信号转换后的输出信号定义为“关”。故可根据两部分光接收器输出信号判断监测介质界面位置。

根据本申请的实施例2，参考图2，本方案的介质界面光学传感器的检测方法，本发明全反射式光学结构和对射式光学结构监测的界面位置重合，且全反射式光学结构和对射式光学结构同时工作，两部分结构同时监测界面，目的是满足透光和不透光界面都能可靠判断。

被测介质包括通明介质和不透光介质，其中，被测介质为通明介质时的检测方法，本实施例以对装有水的流体管路9内的液位进行测定，其具体包括以下步骤：

步骤S1、即第一阶段，如图3，当没有液面经过时，在传感器全反射式光学结构部分中，第二光源5发出的光基本以直线形式穿过空气，无法在液面形成全反射，第二光源5发出的光没有传输到第二光接收器6，第二光接收器6处没有接收到来自光源的光信号，此时控制器的输出信号为关；

参考图4，传感器对射式光学结构部分中，第一光源1发出的光以直线形式直接传输到第一光接收器2，第一光接收器2接收到来自第一光源1的光信号，此时第一光接收器2对应的控制器输出信号为开。当没有液面经过时，两部分控制器输出信号不同，分别为关和开，液面没有到达传感器要监测的指定位置。

步骤S2、即第二阶段，参考图5，当液面经过时，全反射式光学结构部分中第二光源5、第二光接收器6和介质液面满足全反射的条件，第二光源5发出的光在水和空气的界面上发生全反射现象，光全反射射入第二光接收器6中，第二光接收器6接收到来自第二光源5的光信号，输出信号变为开；

参考图6，而对射式光学结构部分中，由于水为通明介质，通明介质界面对对射式光学结构部分中的光路影响不大，第一光接收器2依然能接收来自第一光源1的光信号，此时输出信号依旧为开。

实施例3，被测介质为不透光介质时的检测方法，本实施例是对装有石油的管内的液位测定，其具体包括以下步骤：

步骤T1、即第一阶段，参考图7，当没有液面经过时，全反射式光学结构部分中第二光源5发出的光无法在液面上发生全反射，光没有传输到第二光接收器6处，第二光接收器6处没有接收到来自第二光源5的光信号，此时输出信号为关；

参考图8，对射式光学结构部分中，第一光源1发出的光以直线形式射传输到第一光电接收器，第一光接收器2接收到来自第一光源1的光信号，此时输出信号为开。

当没有液面经过时，两部分光接收器输出信号不同，液面没有到达传感器要监测的指定位置。

步骤T2、即第二阶段，参考图9，当液面经过时，全反射式光学结构部分中由于石油的不透光性质的影响，第二光源5发出的光无法在液面上形成全反射，第二光接收器6依旧无法接收到来自第二光源5的光信号，输出信号仍为关；

参考图10，对射式光学结构部分中，由于石油自身对光吸收的性质，对射式光学结构部分中的光路受到石油的影响，第一光源1发出的光无法传输到第一光接收器2，此时输出信号变为关。

在液面经过时，两部分的控制器输出信号均为开，信号相同，可以确定液面到达传感器监测位置，需要注意的是，本发明只有当两部分结构的输出信号相同时才能判断液面到达监测位置，即输出信号为“开开”或者“关关”，只有信号相同才能判断液面。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种介质界面光学传感器的检测方法，其特征在于，介质界面光学传感器，包括：

用于容纳流体介质以形成待监测介质界面的流体管路；所述流体管路上设有对射式光学结构和全反射式光学结构，所述全反射式光学结构位于对射式光学结构的下方，且全反射式光学结构和对射式光学结构的输入端均与光源电源电连接，全反射式光学结构和对射式光学结构的输出端与控制器信号连接；

所述对射式光学结构包括第一光源和第一光接收器，第一光接收器用以接收第一光源发出的光信号；所述第一光源设置于第一入射孔内，第一光接收器设置于第一接收孔内；所述第一入射孔和第一接收孔位于流体管路两侧的同一水平线上，且以流体管路为中心成对称设置；

所述全反射式光学结构包括第二光源和第二光接收器，第二光接收器用于接收第二光源全反射的光信号；所述第二光源设置于第二入射孔内，第二光接收器设于第二接收孔内；所述第二入射孔和第二接收孔均倾斜设置于流体管路的两侧，且以流体管路为中心成对称设置；

所述第二光源的入射光线与流体管路内的介质界面之间的倾斜角度为0^o~(90 ^o-α₀)，α₀为两相介质界面上实现全反射的入射角临界值；

检测方法，包括：

全反射式光学结构和对射式光学结构监测的界面位置重合，且全反射式光学结构和对射式光学结构同时工作，两部分结构同时监测界面，以满足透光和不透光界面都能可靠判断；

被测介质包括通明介质和不透光介质，并定义控制器接收到光信号，输出为开，未接收到光信号，控制器输出为关；

其中，被测介质为通明介质时的检测方法，具体包括以下步骤：

S1、当没有被监测介质界面经过时，在全反射式光学结构中，第二光源发出光线，光线未经过被监测介质界面，光线未发生全发射，第二接收器未接受到光信号，控制器输出为关；在对射式光学结构中，第一光源发出的光信号直接传输到第一光接收器，控制器输出信号为开，以判断被监测介质界面未到达监测位置；

S2、当被监测介质界面经过时，在全反射光学结构中，第二光源发出的光在介质界面上发生全反射，光在介质界面反射射入第二光接收器中，第二光接收器接收到光信号，控制器输出信号为开；在对射式光学结构中，第一光源发射的光线直接被第一光接收器接收，此时，控制器输出信号为开；即控制器两次输出信号均为开时，判断被监测的介质界面到达传感器监测位置。

2.根据权利要求1所述的介质界面光学传感器的检测方法，其特征在于，被测介质为不透光介质时的检测方法，具体包括以下步骤：

T1、当没有被监测介质界面经过时，在全反射光学结构中，第二光源发出的光未经过被监测介质界面，未在介质界面上发生全反射，没有光传输到第二光接收器，此时控制器输出信号为关，在对射式光学结构中，第一光源发出的光以直线形式传输到第一光接收器，第一光接收器接收到第一光源的光信号，此时控制器的输出信号为开；此时，控制器两次输出信号为关、开，判断被监测介质界面没有到达传感器监测位置；

T2、当被监测介质界面经过时，由于光受到不透光介质的阻碍，在全反射式光学结构中，第二光源发出的光未形成全反射，第二光接收器未接收到第二光源的光信号，控制器输出信号为关；在对射式光学结构中，第一光源发出的光未传输到第一光接收器，此时控制器输出信号为关，即在被监测介质界面经过时，控制器的两次输出信号均为关，信号相同，以判断被监测介质界面到达传感器监测位置；

当全反射光学结构和对射式光学结构的输出信号相同时，才能判断液面到达监测位置，即输出信号为“开开”或者“关关”时，当信号相同时才能判断液面到达监测位置。

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