基于光电传感器的液位检测方法与装置

基于光电传感器的液位检测方法与装置2

0 引言

液位检测在许多控制领域已经较为常见, 按原理分为浮子式[ 1 ] 、压力式[ 2] 、电容式[ 3 ] 、光纤式[ 4 ] 等。这些检测方法和装置均有各自的原理、特殊结构、适用场合。在一些测量中, 需避免测量仪器与被测液体直接接触, 此时这些方法便不适用。基于光电传感器的液位检测方法[ 5~ 7] , 是将液位的变化转换为光信号的变化, 无需与被测液体直接接触, 可以满足上述场合。但如果待测液体的液面有气泡, 光线在实际传播过程中会由于液面气泡的干扰而偏离其理论上的传播路径, 导致结果不准确。本文提出一种基于双光电传感器和动态阈值的液位检测方法与装置, 可以很好地克服测量中由于气泡引起的干扰, 得到较好的液位控制精度。

1 原理

本检测装置的光电传感器位置如图1 所示, 包括设置于透明玻璃管一侧的上下2 个特性一致的L E D 光源, 对应的水平放置的2 个特性一致的光电管, 两对传感器相应设有高度比液面厚度稍大的通光孔。

假设待测液体成分以水为主, 折射率n 约为1 . 33 3, 弯曲液面的边缘与玻璃管的接触角约为38 . 5[ 8] 。光由光密媒质进入光疏媒质时, 当入射角大于某一临界角就会发生全反射现象。由折射率公式n = 1 / s in C , 可求得临界角C 为4 8. 6。

图1 光电传感器位置

Fig 1 Position of optoele c t r o n i c se n so r

测量过程中, 入射光线的入射角随着待测液体液面的上升逐渐增大, 当入射角大于48 . 6时发生全反射现象; 而通光孔处入射光发生全反射区域的面积达到最大时, 光电管所能接收到的光线光强达到最小, 因此, 待测液体的液面一次通过光电管对应一个最小光强值。由于液面在上升过程中, 形态基本保持不变, 故两对光电管在一次测量中测得

收稿日期: 2009 03 19

的最小值理论上相等。以低液位测得的最小值为阈值, 对比阈值和目标控制液位的值即可以控制目标液位。图 2 为弯曲液面经过传感器所采集的电压波形图。

图2 弯曲液面的电压曲线

Fig 2 Vol tage c u rv e of c u r v ed li qu i d s u r f a ce

2 硬件设计

装置的总体电路框图主要部分如图3 所示, 包括光源1, 光源2 , 光电管1 , 光电管2 , A/ D 转换模块、单片机模块。其中, 发光器件为L E D, 光电管为光敏二极管, A / D 转换采用M A XIM 公司的12 位A / D 芯片M A X12 46 , 单片机为S i l i c o n L ab s的C80 51 F3 40 。

图3 总体电路框图

Fi g 3 Block dia gram of total ci r c u i t

光源部分采用特性一致的两光电对管, 用精密电压调节器T L 43 1组成恒流电路驱动两L E D产生相同的光强。恒流电路图如图4 所示, T L 43 1的RE F端恒定为2 . 5 V , 经R4 转换为恒定电流1 m A, 2 个L E D通过单片机的端口L1 ,L 2 被单片机控制分时点亮。

图5 检测程序流程图

Fig 5 Fl ow chart of de t e c ti ve p r og r a m

粘度等方面因素。

4 实验

4. 1 测试条件

玻璃管内径为10 m m ; 弯曲液面厚度为2 m m ; 光敏管与L E D 均为 5 m m 器件, 水平相对并分别位于玻璃管横切面轴线两侧, 光敏管与L E D 放置在遮光部件上并固定在铁架台上, 对应的通光孔宽为 2. 0 m m, 高为2. 8 mm ; 玻璃管与游标卡尺( 精度为0. 05 m m) 的活动端相连, 游标卡尺的另一端固定于铁架台上; 待测液体为V eidu o 全血质控液。

4. 2 测试方法

使用本装置进行自动液位检测, 完成检测后移动游标卡尺活动端使液面到达预先设置的目标液位位置, 则游标卡尺读数为实际检测的液位与目标液位之间的高度偏差。

4. 3 实验结果

分别用双光电传感器、动态阈值的方法和单光电传感器、固定阈值的方法重复测试 1 0 次待测液体液面有大量气泡情况下实测液位与目标的液位之间的偏差h1 与h2 , 测试结果见表1。

表1 液位检测的偏差数据

Tab 1 E r r o r of l iquid level dete c t i n g

图4 恒流源电路图

Fi g 4 C i r c uit d i a g r a m of constant current so u r ce

3 软件设计

检测方法的单片机控制程序流程图如图 5 所示。首

先, 用液面先到达的光电管 1 测得一最小值, 并作为

阈值存储起来, 然后, 用待控制液面处的光电管2 测得的值与该阈值比较, 当二者相差最小时的液面位置为所要控制的液面位置。此最小值为预设程序中的预设值, 设置该值时, 应考虑所需控制的液体注入速度、液面上升速度、液体

实测液位与目标的液位的偏差( mm )

h1 0. 05 0. 30 0. 05 0.150.300.400.000.250.350.30

h2 2. 45 0. 95 3. 75 5.051.902.753.954.853.254.30经计算双光电传感、动态阈值方法测试结果平均误差为0 . 22 mm , 标准差为0. 14 mm ; 而普通的单传感器、固定阈值方法[5 ]的测试结果, 平均误差为3 . 32 m m,标准差为1. 32 mm 。其他的一些透射式或者反射式光电液面检测装置由于所用方法的局限性也无法在有气泡干扰的情况下保持良好的准确性。由测试结果可见, 一般的方法在多气泡干扰情况下结果不稳定, 精度不高; 而本文提出的液位检测方法与装置性能稳定, 检测精度在多气泡干扰情况下仍可达0 . 2 mm。

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