光电传感器在液位检测中的应用

光电传感器在液位检测中

的应用

Last revision on 21 December 2020

《检测与转换技术》课程应用论文

光电传感器在液位检测中的应用

学号：06142215

班级：越崎14-1班

姓名：李永皓

光电传感器在液位检测中的应用

越崎14-1班（学号：06142215）姓名：李永皓

摘要：针对液位检测中液面气泡的干扰问题，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。分析了该液位检测方法的基本原理，阐述了该光电液位检测装置的结构和测试过程。经过实验与数据分析，结果表明：该光电液位检测方法简单实用，具有较高的精度，在待测液体液面有大量气泡情况下检测精度仍可达，特别适用于液面易产生气泡液体的液位检测。

关键词：光电传感器液位检测动态阈值

一、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、压力式、电容式、光纤式等。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[1~3] , 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。

二、解决方法

光电传感器的基本原理[4]

光电传感器是一种利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号而进行非电量参数检测的装置。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活

多样，体积小。目前常用的光电传感器类型主要有光电管、光电倍增管、半导体光敏元件。近年来，随着光电技术的发展，光电传感器已成为系列产品，应用也越来越广泛。

光电传感器能够进行非接触检测, 其具有检测范围广、检测距离远的优点。其最大检测距离往往和被检物的尺寸、形状、颜色及表面状态有关。对环境条件要求不严格, 如高温区域、被检物半透明时均能正确检测, 但不适宜用在潮湿结露或灰尘很大的场合。光电传感器一般由发射头光源和接收头两部分组成。它们可以相对独立安装, 也可以安装于同一侧, 其安装形式主要由被检测对象和检测环境决定。检测方式可分为对射式、反射式、偏振式、镜面式、漫反射式、会聚式和光幕式等。

装置检测原理[5~6]

本检测装置的光电传感器位置如图4 所示, 包括设置于透明玻璃管一侧的上下2 个特性一致的LED 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。

图4光电传感器的位置

假设待测液体成分以水为主，折射率n 约为1 .333，弯曲液面的边缘与玻璃管的接触角约为38 .5° ，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1/sin n C , 可求得临界角C 为°[7~8] 。

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5 为弯曲液面经过传感器所采集的电压波形图。

图5

弯曲液面的电压曲线

硬件设计

装置的总体电路框图主要部分如图6 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LED ，光电管为光敏二极管，A/ D 转换采用MAXIM 公司的12位A/D 芯片MAX1246，单片机为SiliconLabs 的C8051F340。

图6 总体电路框图 光源部分采用特性一致的两光电对管, 用精密电压调节器TL431组成恒流电路驱动两LED 产生相同的光强.恒流电路图如图7所示,TL431的REF 端恒定为，经R4 转换为恒定电流1mA, 2个LED 通过单片机的端口L1 , L2被单片机控制分时点亮。

图7 恒流源电路图

软件设计

检测方法的单片机控制程序流程图如图8所示。

图8 检测程序流程图

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、液体粘度等方面因素。

实验

测试条件

玻璃管内径为10 mm ;弯曲液面厚度为2 mm ;光敏管与LED 均为 5 mm 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LED 放置在遮光部件上并固定在铁架台上, 对应的通光孔宽为 mm, 高为 mm ;玻璃管与游标卡尺(精度为的活动端相连, 游标卡尺的另一端固定于铁架台上;待测液体为Veiduo 全血质控液。

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。

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10 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

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 mm；而普通的单传感器、固定阈值方法的测试结果，平均误差为3 .32 mm ，标准差为 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。

三、结论

本文的创新之处在于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气泡引起的干扰。由测试结果可见，本液位检测装置性能稳定，检测精度在多气泡干扰情况下仍可达 mm。对于本设计尚可在做以下改进：采用规格更小的传感器提高系统的分辨率；提高装置配套的器材的精度进一步减少系统固有误差;优化单片机程序等。