CN217637547U - 一种非接触式液位传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非接触式液位传感器，包括PCB电路板、设置于PCB电路板上的射频信号源、天线或耦合器、介质感应器以及检波器；其中，所述射频信号源用于向待测管道或者腔体发射射频微波信号，射频微波信号经过待测管道或者腔体发生反射和/或透射；所述检波器用于接收经待测管道或者腔体反射或者透射的射频微波信号，并将射频微波信号的能量转换为直流信号输出至外部上位机。本实用新型非接触式液位传感器结构简单、成本低，体积小。

Description

一种非接触式液位传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器行业技术领域，尤其涉及一种非接触式液位传感器。

背景技术

非接触式液位传感器有着非常广泛的用途，例如：有食品级要求的纯净水液位探测器、咖啡机探测器、水箱液位探测器等。目前的非接触式探测器有主要为电容式，饮水机内部或者咖啡机内部用的液位探测器一般为电容式或者导电的金属棒。

电容式传感器是应用测量待测物介电质的变化，导致电容大小的变化来测量液位，然而，当饮水机内部发生结垢或者是针对不同种类的水源，甚至对于冷水与热水，电容式液位传感器的输出结果都会发生较大的变化。并且，电容式液位传感器需要紧贴待测物体，对距离的变化的影响非常大，输出结果不稳定。其次，当管内有液体残留时，同样会导致电容式液位传感器测量不准确。电容式液位传感器体积越大测量结果越准，但是，受限于设备机械结构的体积，一般不会允许比较大的体积。

除了电容式液位传感器，还有一种金属棒式传感器，金属棒式传感器有价格低、反应灵敏的优势，其探测方法是利用水的导电性，当水流过金属棒的两个极，通过水的导电性，能够通过导通与否的来确认是否有水。但是，金属棒式传感器也有诸多缺陷，首先是只有水中含有离子才能够实现导电，因此对于纯净水无法进行测量。而对于不同种类的水导电性不同，测量的结果变化也比较大。当水中矿物质比较多，金属棒上发生结垢现象，测量准确性也会明显下滑。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的实用新型构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种非接触式液位传感器，以解决上述背景技术问题中的至少一种。

为达到上述目的，本实用新型实施例的技术方案是这样实现的：

一种非接触式液位传感器，包括PCB电路板、设置于PCB电路板上的射频信号源、天线或耦合器、介质感应器以及检波器；其中，所述射频信号源用于向待测管道或者腔体发射射频微波信号，射频微波信号经过待测管道或者腔体发生反射和/或透射；所述检波器用于接收经待测管道或者腔体反射或者透射的射频微波信号，并将射频微波信号的能量转换为直流信号输出至外部上位机。

在一些实施例中，所述PCB电路板其中一半于中间位置处设置有所述射频信号源，另一半的上半部分位置处设置有所述检波器，所述天线或耦合器设置于射频信号源与检波器之间。

在一些实施例中，所述射频信号源包括有场效应管和设置于PCB电路板上的微带电路；所述天线、耦合器、以及介质感应器为设置于PCB电路板上的缝隙天线。

在一些实施例中，所述天线包括有发送天线和接收天线；其中，PCB电路板的一半位置设置有射频信号源和接收天线，另一半位置的上半部分设置有发送天线，接收天线与发送天线于PCB电路板上呈对角设置，发送天线与接收天线之间设置有检波器。

在一些实施例中，所述射频信号源包括电源、场效应管、微带谐振器；其中，电源与场效应管之间还设置有限流电阻以及扼流电容。

在一些实施例中，所述微带谐振器为在PCB板上形成的微带线。

在一些实施例中，所述检波器为无源二极管半波检波电路，其包括有二极管、负载电阻以及电容。

在一些实施例中，所述射频信号源和检波器分别设置在待测管道或者腔体的两侧，射频信号源发出的射频微波信号发射经天线传送至待测管道或者腔体。

在一些实施例中，所述射频信号源和检波器设置在待测管道或者腔体的同一侧，射频信号源发出的射频微波信号通过发送天线发射至待测管道或者腔体，经过待测管道或者腔体反射后的反射信号通过接收天线接收，并传送至检波器。

在一些实施例中，所述检波器为检波二极管。

本实用新型技术方案的有益效果是：

相较于现有技术，本实用新型非接触式液位传感器结构简单、成本低，体积小。

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，下面将对实施例或现有技术描述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是根据本实用新型一实施例非接触式液位传感器的结构示意图；

图2是根据本实用新型另一实施例非接触式液位传感器的结构示意图。

图3是根据本实用新型一实施例非接触式液位传感器发射的入射波入射到两种介质的交界发生传输路径变化的示意图；

图4是根据本实用新型一实施例非接触式液位传感器采用微波对射的示意图；

图5是根据本实用新型一实施例非接触式液位传感器的射频信号元与检波器在同一侧的示意图；

图6是根据本实用新型一实施例非接触式液位传感器的收发天线共用的示意图；

图7是根据本实用新型另一实施例非接触式液位传感器采用耦合器替代天线的示意图；

图8是根据本实用新型图6实施例非接触式液位传感器的耦合器谐振频率受介电常数影响变化的曲线图；

图9是根据本实用新型另一实施例非接触式液位传感器的耦合器周围电力线和磁力线的分布图。

具体实施方式

为了使本实用新型实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，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的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，“多个”的含义是两个或两个以上，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

作为本实用新型一实施例，提供一种非接触式液位传感器，可准确探测待测管道或腔体内是否有液体，成本低，结构简单。

参照图1、图2所示，作为本实用新型一实施例非接触式液位传感器，包括PCB电路板90、设置于PCB电路板90上的射频信号源91、天线92或耦合器、介质感应器以及检波器93；其中，所述射频信号源91用于向待测管道或者腔体发射射频微波信号，射频微波信号经过待测管道或者腔体发生反射和/或透射；所述检波器93用于接收经待测管道或者腔体反射或者透射的射频微波信号，并将射频微波信号的能量转换为直流信号输出至外部上位机，以便外部上位机根据检波器输出的直流信号强弱判断待测管道或者腔体内是否有液体。需要说明的是，外部上位机可以采用目前已有的技术，故在本实用新型实施例中不进行详细描述。

参照图1所示，在一实施例中，所述PCB电路板90分为两半，其中一半于中间位置处设置有所述射频信号源91，另一半的上半部分位置处设置有所述检波器92，所述天线93或耦合器设置于射频信号源91与检波器92之间；所述射频信号源包括有场效应管和设置于PCB电路板上的微带电路；所述天线、耦合器、以及介质感应器为设置于PCB电路板上的缝隙天线；所述检波器为检波二极管。

参照图2所示，在一实施例中，天线包括有发送天线100和接收天线101，其中，PCB电路板的一半位置设置有射频信号源10和接收天线101，另一半位置的上半部分设置有发送天线100，接收天线101与发送天线100于PCB电路板上呈对角设置，发送天线与接收天线之间设置有检波器102。

在一些实施例中，所述射频信号源包括电源、场效应管、微带谐振器；其中，电源与场效应管之间还设置有限流电阻以及扼流电容。所述微带谐振器为在PCB板上形成的微带线，在本实用新型实施例中，所述射频信号源采用单个的分离器件搭建而成，主要的分离器件为一个场效应管，并采用微带线作为微带谐振器，整个射频微波信号源的成本可以大大降低，基本主要就是一颗场效应管的成本。在一些实施例中，所述微波信号源可采用MMIC(单片微波集成电路)的方式，通过半导体工艺方法将场效应管、电源、扼流电容以及限流电阻这些器件在半绝缘半导体衬底上生成并连接，如此可以大大减小射频微波信号源的体积，降低成本。在一些实施例中，微带谐振器与耦合器之间还设置有隔直电容。

所述检波器为无源二极管半波检波电路或者有源检波电路。在本实用新型实施例中，所述检波器为无源二极管半波检波电路，其包括有二极管、负载电阻以及电容。

参照图3所示，射频微波信号的入射波

以θ_i入射至介质1、介质2两种介质的交界，一部分形成折射波

一部份形成反射波

反射回来，反射系数为R,则:

其中，

称为相对折射率，ε₁、ε₂分别为两种介质的介电常数，θ_i为入射角。介质1为空气，空气的介电常数为1，介质2为液体，以水为例，水的介电常数接近80。以射频微波信号的垂直入射为例，即入射角θ_i＝0，无液体时，射频微波信号直接入射到空气中，则入射角θ_i＝0,ε₁、ε₂均为1，反射系数R＝0,即无电磁波能量反射；而有液体时，当射频微波信号入射到水中，θ_i＝0,ε₁＝1，ε₂＝80，反射系数R≈-1,即接近全反射，其中负号代表方向。由此，可以根据检测器获得的信号的能量情况来判断是否有液体，以进行液体探测。

参照图4所示，作为本实用新型一实施例，采用微波射频对射，射频信号源和检波器分别设置在待测管道或者腔体的两侧，射频信号源发出的射频微波信号发射经发送天线30传送至待测管道或者腔体，当待测管道或者腔体中无液体时，射频微波信号穿过待测管道或者腔体经过接收天线31入射到检波器，检波器输出的直流电平高；当待测管道或者腔体中有液体时，射频微波信号无法穿透入射至检波器，检波器获得的信号弱，输出的直流电平低甚至无直流电平信号输出。

参照图5、图6所示，作为本实用新型一实施例，射频信号源和检波器设置在待测管道或者腔体的同一侧，射频信号源发出的射频微波信号通过发送天线40发射至待测管道或者腔体，经过待测管道或者腔体反射后的反射信号通过接收天线41接收，并传送至检波器，检波器接收所述经接收天线41传送来的反射信号，转换成直流信号输出；当待测管道或者腔体内无液体时，检波器输出的直流信号弱，甚至无直流信号输出，而待测管道或者腔体内有液体时，检波器输出的直流信号强。在一些实施例中，所述发送天线40和所述接收天线41可以共用同一天线，即通过收发共用天线50进行发射和接收信号。

作为本实用新型一实施例方案，图6中的天线50可以换成耦合器，射频信号源发出的射频微波信号通过耦合器传送至待测管道或者腔体,并通过耦合器接收经过待测管道或者腔体反射后的反射信号后传送至检波器，检波器接收所述经耦合器传送来的反射信号，转换成直流信号输出。

参照图7所示，作为本实用新型一实施例，将耦合器靠近待测管道或者腔体进行测试，在待测管道或者腔体有液体(介电常数大)或无液体(介电常数小)两种情况下，耦合器的谐振频率会受到影响，继而影响到检波器接收到的射频信号发出的信号的功率大小。参照图8所示，已水为例进行说明，无液体(水)时，以24GHz为参考点，入射到检波器的能量衰减为3.7dB，而有液体时，衰减接近10Db,由此可以判断管道或者腔体内是否有液体。

具体的，参照图9所示，以微带线作为耦合器，围绕微带线80作为中心分布着电力线和磁力线，其中越接近微带线的位置，电磁场分布越稠密。当微带线周围出现介电常数大的物体时(比如待测管道或者腔体中有水流过)，则会对周围的电磁场反射，从而改变微带线周围的电磁场分布，即改变了微带线的寄生电容电感分布，相当于给耦合器添加了电容电感，从而改变了耦合器的谐振频率。

作为本实用新型另一实施例，根据射频信号源发射的射频微波信号的波长λ，将射频信号源放在距离待测管道或者腔体为四分之一波长λ的偶数倍的位置处(Nλ，N为偶数)；在一些实施例中，射频信号源放在距离待测管道或者腔体为λ/2或者λ附近，以可获得良好的信噪比。当射频信号源前方没有阻挡物体或者阻挡物体的介电常数非常弱时，射频信号发出的射频微波信号(电磁波)多数会直接入射到空气中，几乎没有电磁波返回到接收天线上,最终入射到检破器上的信号非常弱，甚至为零，检波器的输出信号低电平。当射频信号源前方进距离位置处存在介电常数大的物体时,射频信号源发出的射频微波信号几乎全部被反射，此时,入射波和反射波会形成柱波，当入射波与反射波相位相同时形成波腹，当入射波与反射波相位相反时会形成波节。具体的，以ω为角速度，波长为λ，振幅为y的简谐波沿着x轴向相反方向传播为例进行说明，假设沿x轴正方向传播的波称为右行波，波动方程为：

沿x轴负方向传播的波称为左行波，波动方程为：

合成后的驻波方程为式为：

可见，合成后的波上的任何一点都在做同一周期的简谐振动；

在x轴上，当距离为四分之一波长的偶数倍时，将会形成波腹，也就是电磁波的幅度最大，即：

当距离为四分之一波长的奇数倍时形成波节，电磁波的能量最弱，即：

因此，当射频信号源放在距离物体四分之一波长的偶数倍处时，有无介电常数大的物体，检波器的输出电平会形成明显的差异。

可以理解的是，当将本实用新型的传感器嵌入到装置或硬件中时会作出相应的结构或部件变化以适应需求，其本质仍然采用本实用新型的探测液体的设备，所以应当视为本实用新型的保护范围。以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本实用新型的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外，本实用新型的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。

Claims (10)

1.一种非接触式液位传感器，其特征在于，包括PCB电路板、设置于PCB电路板上的射频信号源、天线或耦合器、介质感应器以及检波器；其中，所述射频信号源用于向待测管道或者腔体发射射频微波信号，射频微波信号经过待测管道或者腔体发生反射和/或透射；所述检波器用于接收经待测管道或者腔体反射或者透射的射频微波信号，并将射频微波信号的能量转换为直流信号输出至外部上位机。

2.如权利要求1所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述PCB电路其中一半于中间位置处设置有所述射频信号源，另一半的上半部分位置处设置有所述检波器，所述天线或耦合器设置于射频信号源与检波器之间。

3.如权利要求2所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述射频信号源包括有场效应管和设置于PCB电路板上的微带电路；所述天线、耦合器、以及介质感应器为设置于PCB电路板上的缝隙天线。

4.如权利要求1所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述天线包括有发送天线和接收天线；其中，PCB电路板的一半位置设置有射频信号源和接收天线，另一半位置的上半部分设置有发送天线，接收天线与发送天线于PCB电路板上呈对角设置，发送天线与接收天线之间设置有检波器。

5.如权利要求1所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述射频信号源包括电源、场效应管、微带谐振器；其中，电源与场效应管之间还设置有限流电阻以及扼流电容。

6.如权利要求5所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述微带谐振器为在PCB板上形成的微带线。

7.如权利要求1所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述检波器为无源二极管半波检波电路，其包括有二极管、负载电阻以及电容。

8.如权利要求1所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述射频信号源和检波器分别设置在待测管道或者腔体的两侧，射频信号源发出的射频微波信号发射经天线传送至待测管道或者腔体。

9.如权利要求4所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述射频信号源和检波器设置在待测管道或者腔体的同一侧，射频信号源发出的射频微波信号通过发送天线发射至待测管道或者腔体，经过待测管道或者腔体反射后的反射信号通过接收天线接收，并传送至检波器。

10.如权利要求9所述的非接触式液位传感器，其特征在于：所述检波器为检波二极管。

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