CN211346994U - 一种基于光学全反射原理液位连续测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于光学全反射原理液位连续测量仪，涉及光电检测技术领域，包括光电单元和传感单元；光电单元包括：线光源、线光源驱动电路、线阵光电探测器和线阵光电探测器驱动电路；传感单元包括直四棱柱光学棱镜和反射光栅；线阵光电探测器和线阵光电探测器驱动电路均设置在直四棱柱光学棱镜的第一侧面上；线光源和线光源驱动电路均设置在直四棱柱光学棱镜的第二侧面上；反射光栅设置在直四棱柱光学棱镜的第三侧面上。本实用新型提供的测量仪可以实现对连续变化的液位的精确测量。

Description

一种基于光学全反射原理液位连续测量仪

技术领域

本实用新型涉及光电检测技术领域，特别是涉及一种基于光学全反射原理液位连续测量仪。

背景技术

液位的测量广泛应用于石油、医药、食品、冶金等行业，是工业生产过程中较为常见且重要的测量参数。目前的液位测量方式有：

1、浮标式测量。这种测量方式是一种机械式检测，通过浮标的升降幅度来检测液面的变化，检测精度受到液体密度、浮标浮力影响，重复精度差。测量不同液体时，浮标的测量刻度需要重新校准。不适用于粘稠性或者含杂质液体。

2、音叉振动测量。这种测量方式是物理式测量，当液体或者散料填充两个振动音叉之间时，共振频率改变而发出开关信号。音叉式测量仅为开关量输出，不能用于连续性监控液体高度。

3、超声波测量。通过检测超声波发送与反射的时间差来计算液位高度，易受超声波传播的能量损耗影响。因此在有泡沫等吸波环境下使用时，测量效果严重受限。

4、激光测量。激光类传感器基于光学检测原理，通过物体表面反射光线至接收器进行检测。其不适合在透明液体(透明液体容易折射光线，导致光线无法反射至接收器)、含泡沫或者蒸汽环境(无法穿透泡沫或者容易受到蒸汽干扰)、波动性液体(容易造成误动作)、振动环境等使用。

5、电容式测量。电容式测量通过检测由于液面或者散料高度变化而导致的电容值变化来测量料位高度。电容传感器容易受到不同的容器材质和溶液属性影响，如塑料容器和挂料情况容易影响模拟量输出的电容传感器。

6、静压式测量。该测量方式采用安装于底部的压力传感器，通过检测底部液体压力，转换计算出液位高度。该测量方式要求采用高精度、齐平式压力传感器。

7、光电折射式测量。该检测方式通过传感器内部发出光源，光源通过透明树脂全反射至传感器接受器，但遇到液面时，部分光线将折射至液体，从而传感器检测全反射回来光量值的减少来监控液面。该检测方式便宜，安装、调试简单，但仅能应用于透明液体，同时只输出开关量信号。

上述的几种测量方式或单独使用，或组合使用，在高电压、强磁场等工业环境中的应用均受到限制。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于光学全反射原理液位连续测量仪，以实现连续变化液位的精确测量。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种基于光学全反射原理液位连续测量仪，包括光电单元和传感单元；

所述光电单元包括：线光源、线光源驱动电路、线阵光电探测器和线阵光电探测器驱动电路；

所述传感单元包括直四棱柱光学棱镜和反射光栅；

所述线阵光电探测器和所述线阵光电探测器驱动电路均设置在所述直四棱柱光学棱镜的第一侧面上；所述线光源和所述线光源驱动电路均设置在所述直四棱柱光学棱镜的第二侧面上；所述反射光栅设置在所述直四棱柱光学棱镜的第三侧面上。

可选的，所述直四棱柱光学棱镜的第一侧面和第三侧面相互平行。

可选的，所述直四棱柱光学棱镜的第二侧面分别垂直于所述第一侧面和所述第三侧面。

可选的，所述直四棱柱光学棱镜还包括第四侧面；所述第四侧面与所述第三侧面形成的夹角为α，其中α＜45°。

可选的，所述反射光栅包括反射面和非反射面；所述反射光栅的非反射面与所述反射光栅的反射面垂直；所述反射光栅的反射面与所述第三侧面的夹角为β，其中β≥(90°-3α/2)。

可选的，所述直四棱柱光学棱镜为直角梯形体；所述线阵光电探测器位于所述直角梯形体的上底面上，所述线光源位于直角梯形体的腰面上，以使所述线光源发射的光经过所述直四棱柱光学棱镜反射至所述线阵光电探测器；其中，所述腰面为垂直于所述上底面的腰面。

可选的，所述基于光学全反射原理液位连续测量仪还设有光电单元密闭防护罩；所述光电单元密封于所述光电单元密闭防护罩内。

可选的，所述传感单元还设有密闭防护罩；所述反射光栅密封于所述密闭防护罩内。

可选的，所述反射光栅设置在靠近第四侧面的所述第三侧面区域内。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供一种基于光学全反射原理液位连续测量仪，基于光学全反射原理，通过将有源光学器件与无源光学器件有效分离，即将光电单元和传感单元隔离，使得有源光学器件即光电器件在不浸入液体的情况下就可以实现对液体液位的测量或预警。通过光电单元中的线阵光电探测器接收到的光强信号差值，从而实现了液位测量仪的连续精准测量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1基于光学全反射原理液位连续测量仪的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1基于光学全反射原理液位连续测量仪的直四棱柱光学棱镜的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1基于光学全反射原理液位连续测量仪竖向的截面图；

图4为本实用新型实施例1基于光学全反射原理液位连续测量仪的线阵光电探测器探测的光强信号曲线图；

图5为本实用新型实施例2基于光学全反射原理液位连续测量仪的结构示意图；

图6为本实用新型实施例2基于光学全反射原理液位连续测量仪的线阵光电探测器探测的光强信号曲线图。

符号说明：

1-线光源、2-线阵光电探测器、3-直四棱柱光学棱镜、4-反射光栅、5-线光源驱动电路、6-线阵光电探测器驱动电路、7-光电单元密闭防护罩、8-密闭防护罩、9-待测液体、10-液体容器、12-第一线阵光电探测器、13-第二线阵光电探测器、16-第一线阵光电探测器驱动电路、17-第二线阵光电探测器驱动电路、18-整体密闭防护罩、19-直角三棱镜、20-钝角三棱镜。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种基于光学全反射原理液位连续测量仪，以实现连续变化液位的精确测量。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实用新型提供一种基于光学全反射原理液位连续测量仪，所述基于光学全反射原理液位连续测量仪包括光电单元和传感单元；所述光电单元包括：线光源1、线光源驱动电路5、线阵光电探测器2和线阵光电探测器驱动电路6；所述传感单元包括直四棱柱光学棱镜3和反射光栅4；线光源1与线阵光电探测器2垂直粘接在直四棱柱光学棱镜3的两个侧面。所述线阵光电探测器2和所述线阵光电探测器驱动电路6均设置在所述直四棱柱光学棱镜3的第一侧面上；所述线光源1和所述线光源驱动电路5均设置在所述直四棱柱光学棱镜3的第二侧面上；所述反射光栅4设置在所述直四棱柱光学棱镜3的第三侧面上。

其中，所述直四棱柱光学棱镜3的第一侧面和第三侧面相互平行。所述直四棱柱光学棱镜3的第二侧面分别垂直于所述第一侧面和所述第三侧面。

此外，如所述直四棱柱光学棱镜3还包括第四侧面；所述第四侧面与所述第三侧面形成的夹角为α，其中α＜45°。

另外，如图2所示，所述反射光栅4包括反射面和非反射面；所述反射光栅4的非反射面与所述反射光栅4的反射面垂直。如图3所示，所述反射光栅4的反射面与所述第三侧面的夹角为β，其中β≥(90°-3α/2)。所述反射光栅4设置在靠近第四侧面的所述第三侧面区域内。反射光栅4是制作在直四棱柱右侧的二维光栅，光栅刻痕在如图3所示的第三侧面位置处，并且光栅刻痕垂直于纸面。

优选的，如图1-2所示，所述直四棱柱光学棱镜3为直角梯形体；所述线阵光电探测器2位于所述直角梯形体的上底面上，所述线光源1位于直角梯形体的腰面上，以使所述线光源1发射的光经过所述直四棱柱光学棱镜3反射至所述线阵光电探测器2；其中，所述腰面为垂直于所述上底面的腰面。

为了更符合实际应用，所述基于光学全反射原理液位连续测量仪还设有光电单元密闭防护罩7；所述光电单元密封于所述光电单元密闭防护罩7内。其他光电单元相应的光电器件均密封在光电单元密闭防护罩7内。

为了更符合实际应用，所述传感单元还设有密闭防护罩8；所述反射光栅4密封于所述密闭防护罩8内。

另外，基于光学全反射原理液位连续测量仪在使用时，线阵光电探测器2探测的光强信号曲线如图4所示。

基于光学全反射原理液位连续测量仪的工作原理：

在使用过程中传感单元放置在液体容器10内，并且基于光学全反射原理液位连续测量仪与待测液体9的液面垂直。

光电单元中的线光源1在线光源驱动电路5的作用下，发射出的光束垂直入射进入直四棱柱光学棱镜3中，入射光束传输到直四棱柱光学棱镜3的下斜面即第四侧面发生反射，反射光束传输至直四棱柱光学棱镜3右侧面即第三侧面的反射光栅4，反射光栅4将传输至的反射光束再次反射至直四棱柱光学棱镜3的左侧面即第一侧面的线阵光电探测器2，线阵光电探测器2在线阵光电探测器驱动电路6的作用下，将反射光栅4反射出的光信号转换为电信号。

当待测液体9的液面达到一定高度时，在液面以上的部分入射光束发生了全反射，全反射后的光束在反射光栅4的作用下反射进入到线阵光电探测器2中，由于线光源1出射的光束能够全部返回到线阵光电探测器2，此时线阵光电探测器2探测的光信号强度最大。对于传输到液面以下的光束，由于不满足全反射条件，部分光束透射进入待测液体9中，使得反射到反射光栅4的光束，再次反射进入线阵光电探测器2时的光束光强出现衰减。因而，在线阵光电探测器2接收到的所有光强信号中出现跳变，如图4所示。通过计算线阵光电探测器2接收光电信号中的出现跳变的位置变化实现了对液位的连续测量。

对于不同的待测液体可以选用谱段不同的线光源和线阵光电探测器。

实施例二

如图5所示，本实施例中将直角三棱镜19和钝角三棱镜20胶合成直四棱柱光学棱镜。所述直四棱柱光学棱镜为直角梯形体；

所述第一线阵光电探测器12和所述第一线阵光电探测器驱动电路16均设置在所述直四棱柱光学棱镜的第一侧面上；所述线光源1和所述线光源驱动电路5均设置在所述直四棱柱光学棱镜的第二侧面上；所第二线阵光电探测器13、所述第二线阵光电探测器驱动电路17和所述反射光栅4设置在所述直四棱柱光学棱镜的第三侧面上。其中，第二线阵光电探测器13和所述第二线阵光电探测器驱动电路17设置在靠近第二侧面的所述第三侧面区域内。所述反射光栅4设置在靠近第四侧面的所述第三侧面区域内。

其中，所述直四棱柱光学棱镜的第一侧面和第三侧面相互平行。所述直四棱柱光学棱镜的第二侧面分别垂直于所述第一侧面和所述第三侧面。

此外，如所述直四棱柱光学棱镜还包括第四侧面；所述第四侧面与所述第三侧面形成的夹角为α，其中α＜45°。

另外，所述反射光栅4包括反射面和非反射面；所述反射光栅4的非反射面与所述反射光栅4的反射面垂直。所述反射光栅4的反射面与所述第三侧面的夹角为β，其中β≥(90°-3α/2)。反射光栅4是制作在直四棱柱右侧的二维光栅，光栅刻痕垂直于纸面。

优选的，所述第一线阵光电探测器12位于所述直角梯形体的上底面上，所述线光源1位于直角梯形体的腰面上，其中，所述腰面为垂直于所述上底面的腰面。所述第二线阵光电探测器13位置所述直角梯形体的下底面上，以使所述线光源1发射的光经过所述直四棱柱光学棱镜反射至所述第二线阵光电探测器13。

为了更符合实际应用，所述基于光学全反射原理液位连续测量仪还设有整体密闭防护罩18。第一线阵光电探测器12、所述第一线阵光电探测器驱动电路16、第二线阵光电探测器13、所述第二线阵光电探测器驱动电路17、线光源1和所述线光源驱动电路5均设置在整体密闭防护罩18内。

当线光源1的出射光束垂直入射到直角三棱镜19和钝角三棱镜20的胶合面，胶合面的反射光束从直角三棱镜19的一个直角侧面出射，进入第一线阵光电探测器12，实现对线光源1的输出光强的监测；胶合面透射的光束入射到钝角三棱镜20的另一个钝角斜边，在待测液体9的液面以上，胶合面透射的光束发生了全反射；全反射后的光束入射到反射光栅4，反射光栅4将光束再次反射到胶合面；胶合面将光束从钝角三棱镜20的底边出射。

对于待测液体9的液面以下的光束，由于不满足全反射条件，透射光进入待测液体9，部分反射光束经由反射光栅4和胶合面的反射，从钝角三棱镜20的底边出射，进入第二线阵光电探测器13。

如图6所示，由于待测液体9的存在，在第二线阵光电探测器13探测到的光强曲线在对应于液面位置处发生突变。

本实用新型还提供一种基于光学全反射原理液位连续测量方法，应用于实施例一和实施例二中任意一项的基于光学全反射原理液位连续测量仪，具体包括：

获取线阵光电探测器检测的光强信息；

判断所述线阵光电探测器检测的光强信息是否出现跳变；若是，则计算出现跳变的位置变化，从而得到液面位置。

本实用新型提供的装置基于光学全反射原理，使用经过特殊工艺处理使其一个侧面的部分具备反射光束作用的直四棱柱光学棱镜作为光纤传感环中的传感单元，使用线光源和线阵光电探测器作为光电单元，由于光电单元不浸入待测液体，使得浸入液体的传感单元均为无源器件，因而可以在外部高电压、强磁场等恶劣环境影响的情况下，实现连续变化液位的精确测量。采用的通用的光电元器件极大的降低了液位测量仪的成本，拓展了应用场景。

本实用新型提供的基于光学全反射原理液位连续测量仪具有以下优势：

1、采用线光源，线阵光电探测器，直四棱柱光学棱镜等光学元器件组装的液位测试装置。光电单元(线光源与线阵光电探测器)位于待测液面以上，只有传感单元(直四棱柱光学棱镜，主要是直四棱柱光学棱镜的下斜面和带有密闭罩的反射光栅)与待测液体直接接触。反射光栅将直四棱柱光学棱镜下斜面全反射的光束沿原入射光路返回，避免了线阵光电探测器沉浸在液体中造成设备故障，限制液位测量仪的应用场景。

2、基于光学全反射原理和反射原理的液位测试方法。当入射光束进入到直四棱柱光学棱镜的下斜面时，在下斜面没有待测液体的位置，入射光束会发生全反射，全反射后的光束在反射光栅界面反射至直四棱柱光学棱镜的左侧面，线阵光电探测器将接收到的光信号转换为电信号；在存在待测液面及以下的位置，入射光束的全反射条件不能满足，一部分光束发生折射进入液体，另一部分反射光束传输至反射光栅，经过反射后的光束返回至线阵光电探测器。根据线阵光电探测器接收到的光强信号差值，从而实现了液位测量仪的精准度。

3、液位测试仪结构中直四棱柱光学棱镜与反射光栅的结合。反射光栅将直四棱柱光学棱镜下斜面全反射后的光束以锐角反射至粘接在左侧面的线阵光电探测器，这极大减小了直四棱柱的体积。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种基于光学全反射原理液位连续测量仪，其特征在于，所述基于光学全反射原理液位连续测量仪包括光电单元和传感单元；

所述光电单元包括：线光源、线光源驱动电路、线阵光电探测器和线阵光电探测器驱动电路；

所述传感单元包括直四棱柱光学棱镜和反射光栅；

所述线阵光电探测器和所述线阵光电探测器驱动电路均设置在所述直四棱柱光学棱镜的第一侧面上；所述线光源和所述线光源驱动电路均设置在所述直四棱柱光学棱镜的第二侧面上；所述反射光栅设置在所述直四棱柱光学棱镜的第三侧面上。

2.根据权利要求1所述的基于光学全反射原理液位连续测量仪，其特征在于，所述直四棱柱光学棱镜的第一侧面和第三侧面相互平行。

3.根据权利要求1所述的基于光学全反射原理液位连续测量仪，其特征在于，所述直四棱柱光学棱镜的第二侧面分别垂直于所述第一侧面和所述第三侧面。

4.根据权利要求1所述的基于光学全反射原理液位连续测量仪，其特征在于，所述直四棱柱光学棱镜还包括第四侧面；所述第四侧面与所述第三侧面形成的夹角为α，其中α＜45°。

5.根据权利要求4所述的基于光学全反射原理液位连续测量仪，其特征在于，所述反射光栅包括反射面和非反射面；所述反射光栅的非反射面与所述反射光栅的反射面垂直；所述反射光栅的反射面与所述第三侧面的夹角为β，其中β≥(90°-3α/2)。

6.根据权利要求1所述的基于光学全反射原理液位连续测量仪，其特征在于，所述直四棱柱光学棱镜为直角梯形体；所述线阵光电探测器位于所述直角梯形体的上底面上，所述线光源位于直角梯形体的腰面上，以使所述线光源发射的光经过所述直四棱柱光学棱镜反射至所述线阵光电探测器；其中，所述腰面为垂直于所述上底面的腰面。

7.根据权利要求1所述的基于光学全反射原理液位连续测量仪，其特征在于，所述基于光学全反射原理液位连续测量仪还设有光电单元密闭防护罩；所述光电单元密封于所述光电单元密闭防护罩内。

8.根据权利要求1所述的基于光学全反射原理液位连续测量仪，其特征在于，所述传感单元还设有密闭防护罩；所述反射光栅密封于所述密闭防护罩内。

9.根据权利要求1所述的基于光学全反射原理液位连续测量仪，其特征在于，所述反射光栅设置在靠近第四侧面的所述第三侧面区域内。

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