CN2237229Y - 浸入式光电液面传感器 - Google Patents

Abstract

一种可以检测浸入液体的玻璃管(或其它透明管)中液面位置的光电液面传感器，该传感器的发光管LED发射方向与光电管的接收方向互成一角度且LED固定在偏离玻璃管中心线的适当位置上。其最佳设计加工参数可利用本人建立的数学模型和计算机求解程序从理论上给出。

Description

浸入式光电液面传感器

本实用新型同在工农业生产和医疗检验中经常用到的光电液面传感器有关，该传感器可以检测浸入在液体内的玻璃管(或其他透明管)中液面的位置，可用于医学上检测处于恒温水浴中的血液粘度计内血液液面的位置。这就大大拓宽了光电液面传感器的适用范围。

现有的一种光电液面传感器的构造和检测原理是这样的：在竖直放置的玻璃管管壁外设置一个发光二极管LED，使其发出的光线横穿玻璃管，该光线被设置在玻璃管另一侧的光电管接收使其导通，当玻璃管内液面位置上升到能使光线穿过时，由于管内折射率的变化而使光线偏离光电管，光电管截止。通过光电管导通和截止的变化达到液面检测的目的。但是，该传感器只能检测置于空气中的液体液面的位置。如果玻璃管浸入在某种液体中，由于该液体的折射，即使玻璃管内无液体，LED发出的光线也不能沿直线方向，这样导致玻璃管另一侧的光电管位置和接收方向难以确定。

本实用新型从根本上解决了这一难题。其构造和检测原理与上述传感器基本相同，只是光电管位置和接收方向是利用本人建立的最优化数学模型并利用计算机求解，代入浸入在其中的液体折射率而得出的。

本实用新型对传统的光电液面传感器进行了改进，传统的光电液面传感器是这样设计的：被检测液体在一玻璃管中，玻璃管置于空气中，先将LED和光电管固定在一支架上。支架可以根据设计要求选用适当材料铸造或机械加工而成，其大小和形状可随使用环境而定。然后再把支架套在玻璃管上，并在支架上LED和光电管前各开一小孔，使两孔位于偏离玻璃管截面中心轴线一定距离的一条直线上。这样当玻璃管内无液体时，LED发出的光线直线传播，通过小孔和玻璃管照射到光电管上，使光电管导通；当玻璃管内有液体时，LED发出的光线通过液体产生折射而偏离光电管，使其截止。通过检测光电管导通和截止的变化，就可知道玻璃管内液面是否通过。

本实用新型与上述传统的光电液面传感器的区别在于：如果将玻璃管浸入某种液体中，由于这种物体本身有折射，既使玻璃管中无液体存在，LED发出的光线也不会直线传播。要使光线照射到光电管上，在设计支架，固定LED和光电管时就应考虑到：1.使LED发射方向与光电管的接收方向互成一角度γ，2.在玻璃管内有液体时，要使LED发射的光线偏离光电管最远(这样可最大程度地减少光电管所受的干扰)，这就必须将LDD固定在偏离玻璃管中心线的恰当位置。设此时LED与玻璃管中心线的距离为d(如图1所示)。求得γ和d，即得出LED、玻璃管和光电管之间的相对位置关系，也就可以制作出固定这三者的支架，完成本实用新型。

γ和d可以利用本人建立的数学模型和计算机求解程序计算出来。如图2所示，令x＝x₀－x₂，写出x与a₁的函数关系，求x取最大值时所对应的α₁值的方法是：先根据x～a₁的函数关系，利用计算机程序绘出曲线，观察是否有极大值？

如果有，是否该极大值即为最大值？若是，采用牛顿迭代法求出此极大值点。

1.x～a₁～t的函数关系

首先令：a＝n1；b＝n₁/n₂；t＝Sinα₁.于是有：

Sinα0＝at；   Sinα₂＝bt………………………(1)根据图2并利用(1)式，可给出：

x₀＝RSin(2α₀－α₁)＝R[2Sinα₀·Cosα₀·Cosα₁－(1－2Sin²α₀)·Sinα₁] $=R\{2\mathrm{at}\sqrt{(1-t^2)(1-a^2{t}^2)}+2a^2{t}^3-t\}$

x₂＝RSin(2α₂-α₁)＝R[2Sinα₂·Cosα₂·Cosα₁－(1－2Sin²α₂)·Sinα₁] $=R\{2\mathrm{bt}\sqrt{(1-t^2)(1-b^2{t}^2)}+2b^2{t}^3-t\}$ 令： $r(t,m)=2\mathrm{mt}\sqrt{(1-t^2)(1-m^2{t}^2)}+2m^2{t}^3$ 则：x(t，a，b)＝x₀－x₂＝R[r(t，a)－r(t，b)]…………(2)

2.在t取值的有效区间内求x取极大值的点

由于：n₁≥1，n₂≥1，根据a、b、t的定义及(3)式可知：0≤t≤1/a，因此下面的问题是在t从0到1/a区间内，求x取最大值的点。下面讨论在该区间求x取极值的点的算法。由(2)式：令： $\frac{\mathrm{dx}(t,a,b)}{\mathrm{dt}}=R[\frac{\mathrm{dr}(t,a)}{\mathrm{dt}}-\frac{\mathrm{dr}(t,b)}{\mathrm{dt}}]=0,$ 并化简得：

    f(s，a，b)＝y(s，a，b)－y(s，b，a)＝0………………(3)其中：s＝t²； $y(s,a,b)=(3a^3{s}^2-2a^{3}s-\mathrm{as}+a)\sqrt{1-b^{2}s}+$ $+3a^{2}s\sqrt{(1-s)(1-a^{2}s)(1-b^{2}s)}$

(3)式是超越方程，我们利用计算机采用牛顿迭代法求其近似解，由于：0≤t≤1/a，故：0≤s＝t²≤1/a²，于是迭代过程如下： $s_0=0,----s_{i+1}=s_i-\frac{f(s_i,a,b)}{f^{\&prime;}(s_i,a,b)}<\frac{1}{a^2},$ 直至f(s₁，a，b)＜ε时，s₁即为(3)式的近似解。其中：

ε为允许误差； $f^{\&prime;}(s,a,b)=\frac{\mathrm{df}(s,a,b)}{\mathrm{ds}}=\frac{\mathrm{dy}(s,a,b)}{\mathrm{ds}}-\frac{\mathrm{dy}(s,b,a)}{\mathrm{ds}}$

＝y′(s，a，b)－y′(s，b，a)； $y^{\&prime;}(s,a,b)=(6a^{3}s-2a^3-2a)\sqrt{1-b^{2}s}+$ $\frac{{\mathrm{ab}}^2(3a^2{s}^2-2a^{2}s-2s+1)}{2\sqrt{1-b^{2}s}}+3a^2\sqrt{(1-s)(1-a^{2}s)(1-b^{2}s)}+$ $\frac{{3a}^{3}s(3a^2{b}^2{s}^2-2a^2{b}^{2}s-{2b}^{2}s+a^2+b^2+1)}{2\sqrt{(1-s)(1-a^{2}s)(1-b^{2}s)}}$

3.计算机求解程序设计

利用计算机，采用TRUE-BASIC语言，为前面介绍的算法编制了求解程序。该程序可根据输入的折射率n₁、n₂值，算出对应的传感器加工参数d及γ。首先根据n₁、n₂值绘出t～x(t，a，b)曲线，从曲线可以看出x是否有极大值，如果有则利用牛顿迭代法求解x的极大值点t的值，进而算出最佳加工参数d、γ的值。

下表给出了利用计算机算出的几种n₁、n₂对应的d、γ值：

n1	n2	d/R	γ
				水：1.33	水：1.33	0.622	145.3°
水：1.33	酒精：1.36	0.628	144.5°
				水：1.33	甘油：1.47	0.647	141.9°
玻璃：1.52	水：1.33	0.502	140.8°

以上介绍的方法，对于管径较小的管内液面的检测十分必要，优化的d、γ值的精确计算，可使设计出的光电传感器的抗干扰能力增强；LED及光电管前的小孔允许开得大些，这又提高了灵敏度。此算法已通过实验验证，并获得了令人满意的结果。

                    附图说明

图1是浸入式光电液面传感器的结构横截面图，其中(1)为发光管LED；(2)为光电管；(3)为小孔；(4)为支架；(5)为玻璃管。

图2是浸入式光电液面传感器横截面光路图，图中标示出计算时所需各量的代表字母，其中A点为发光管LED前小孔的位置；B点为光电管前小孔的位置。管外的液体折射率为n₁，当管内为空气(折射率n₁＝1)时，光线沿ABB′方向传播，光电管BB′接收到光线而导通，当管内为被测液面的液体时(折射率n₂)时，光线沿ACC′方向传播，光电管BB′接收不到光线而截止。

Claims (2)

1.一种浸入式光电液面传感器，由发光管LED和光电管组成，其特征在于：该光电液面传感器可以检测浸入在液体内的玻璃管中液体的液面位置，其发光管LED和光电管位于玻璃管的两侧，发光管LED发射方向与光电管的接收方向互成一定角度且固定在偏离玻璃管中心线的适当位置上，其最佳加工参数可从数学模型和计算机求解程序在理论上给出。

2.一种如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所说的发光管LED、光电管和被检测液体容器可以固定在同一个支架上，使用时可一起浸入在液体中。

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