光電傳感器在液位檢測(cè)中的應(yīng)用

1、光電傳感器在液位檢測(cè)中的應(yīng)用Last revision on 21 December 2020檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)課程應(yīng)用論文光電傳感器在液位檢測(cè)中的應(yīng)用學(xué)號(hào)：06142215班級(jí)：越崎14-1班姓名：李永皓光電傳感器在液位檢測(cè)中的應(yīng)用越崎14-1班（學(xué)號(hào)：06142215）姓名：李永皓摘 要：針對(duì)液位檢測(cè)中液面氣泡的干擾問(wèn)題，提出一種基于雙光電傳感器和動(dòng)態(tài)閾 值的液位檢測(cè)方法與裝置。分析了該液位檢測(cè)方法的基本原理，闡述了該光電液位檢 測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)和測(cè)試過(guò)程。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：該光電液位檢測(cè)方法簡(jiǎn) 單實(shí)用，具有較高的精度，在待測(cè)液體液面有大量氣泡情況下檢測(cè)精度仍可達(dá)，特別適 用于液面易產(chǎn)

2、生氣泡液體的液位檢測(cè)。關(guān)鍵詞：光電傳感器液位檢測(cè)動(dòng)態(tài)閾值、引言液位檢測(cè)在許多控制領(lǐng)域已經(jīng)較為常見(jiàn)，按原理分為浮子式、壓力式、電容式、光 纖式等。這些檢測(cè)方法和裝置均有各自的原理、特殊結(jié)構(gòu)、適用場(chǎng)合。在一些測(cè)量中， 需避免測(cè)量?jī)x器與被測(cè)液體直接接觸，此時(shí)這些方法便不適用?；诠怆妭鞲衅鞯囊何?檢測(cè)方法T ,是將液位的變化轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化，無(wú)需與被測(cè)液體直接接觸，可以 滿足上述場(chǎng)合。但如果待測(cè)液體的液面有氣泡，光線在實(shí)際傳播過(guò)程中會(huì)由于液面氣 泡的干擾而偏離其理論上的傳播路徑，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。本文提出一種基于雙光電傳感 器和動(dòng)態(tài)閾值的液位檢測(cè)方法與裝置，可以很好地克服測(cè)量中由于氣泡引起的干擾，得

3、 到較好的液位控制精度。二、解決方法光電傳感器的基本原理光電傳感器是一種利用光電子應(yīng)用技術(shù)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而進(jìn)行非電量參數(shù) 檢測(cè)的裝置。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法 具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，體積小。目前常用的光電傳感器類(lèi)型主要有光電管、光電倍増管、半導(dǎo)體光敏元 件。近年來(lái)，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電傳感器已成為系列產(chǎn)品，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。光電傳感器能夠進(jìn)行非接觸檢測(cè)，其具有檢測(cè)范圍廣、檢測(cè)距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。其最大 檢測(cè)距離往往和被檢物的尺寸、形狀、顏色及表面狀態(tài)有關(guān)。對(duì)環(huán)境條件要求不嚴(yán)格， 如高溫區(qū)域

4、、被檢物半透明時(shí)均能正確檢測(cè)，但不適宜用在潮濕結(jié)露或灰塵很大的場(chǎng) 合。光電傳感器一般由發(fā)射頭光源和接收頭兩部分組成。它們可以相對(duì)獨(dú)立安裝，也可 以安裝于同一側(cè)，其安裝形式主要由被檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)環(huán)境決定。檢測(cè)方式可分為對(duì)射 式、反射式、偏振式、鏡面式、漫反射式、會(huì)聚式和光幕式等。裝置檢測(cè)原理妥M本檢測(cè)裝置的光電傳感器位置如圖4所示,包括設(shè)置于透明玻璃管一側(cè)的上下2個(gè)特 性一致的LED光源，對(duì)應(yīng)的水平放置的2個(gè)特性一致的光電管，兩對(duì)傳感器相應(yīng)設(shè)有高度 比液面厚度稍大的通光孔。圖4光電傳感器的位置假設(shè)待測(cè)液體成分以水為主，折射率n約為1.333,彎曲液面的邊緣與玻璃管的接觸 角約為38 .5。，光由

5、光密媒質(zhì)進(jìn)入光疏媒質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角大于某一臨界角就會(huì)發(fā)生全反 射現(xiàn)象。由折射率公式 = l/sinC,可求得臨界角C為。3。測(cè)量過(guò)程中，入射光線的入射角隨著待測(cè)液體液面的上升逐漸増大，當(dāng)入射角大于 48 .6。時(shí)發(fā)生全反射現(xiàn)象，而通光孔處入射光發(fā)生全反射區(qū)域的面積達(dá)到最大時(shí)，光電 管所能接收到的光線光強(qiáng)達(dá)到最小，因此，待測(cè)液體的液面一次通過(guò)光電管對(duì)應(yīng)一個(gè)最 小光強(qiáng)值。由于液面在上升過(guò)程中，形態(tài)基本保持不變，故兩對(duì)光電管在一次測(cè)量中測(cè) 得的最小值理論上相等。以低液位測(cè)得的最小值為閾值，對(duì)比閾值和目標(biāo)控制液位的值 即可以控制目標(biāo)液位。圖5為彎曲液面經(jīng)過(guò)傳感器所釆集的電壓波形圖。圖5彎曲液面的電壓曲線

6、硬件設(shè)計(jì)裝置的總體電路框圖主要部分如圖6所示，包括光源1,光源2,光電管1,光電管2, A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊。其中，發(fā)光器件為L(zhǎng)ED,光電管為光敏二極管，A/D 轉(zhuǎn)換采用MAXIM公司的12位A/D芯片MAX 1246,單片機(jī)為SiliconLabs的C8051F340。圖6總體電路框圖光源部分采用特性一致的兩光電對(duì)管、用精密電壓調(diào)節(jié)器TL431組成恒流電路驅(qū)動(dòng)兩 LED產(chǎn)生相同的光強(qiáng).恒流電路圖如圖7所示,TL431的REF端恒定為，經(jīng)R4轉(zhuǎn)換為恒定電 流1mA、2個(gè)LED通過(guò)單片機(jī)的端口LI , L2被單片機(jī)控制分時(shí)點(diǎn)亮。圖7恒流源電路圖軟件設(shè)計(jì)檢測(cè)方法的單片機(jī)控制程序流程圖如圖8所

7、示。圖8 檢測(cè)程序流程圖首先，用液面先到達(dá)的光電管1測(cè)得一最小值，并作為閾值存儲(chǔ)起來(lái)，然后，用待 控制液面處的光電管2測(cè)得的值與該閾值比較，當(dāng)二者相差最小時(shí)的液面位置為所要控 制的液面位置。此最小值為預(yù)設(shè)程序中的預(yù)設(shè)值，設(shè)置該值時(shí)，應(yīng)考慮所需控制的液體 注入速度、液面上升速度、液體粘度等方面因素。實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件玻璃管內(nèi)徑為10 mm灣曲液面厚度為2 mm ;光敏管與LED均為5 mm器件 水平相 對(duì)并分別位于玻璃管橫切面軸線兩側(cè)、光敏管與LED放置在遮光部件上并固定在鐵架臺(tái) 上、對(duì)應(yīng)的通光孔寬為mm,高為mm ：玻璃管與游標(biāo)卡尺（精度為的活動(dòng)端相連，游標(biāo)卡尺 的另一端固定于鐵架臺(tái)上;待測(cè)液體為V

8、eiduo全血質(zhì)控液。測(cè)試方法使用本裝置進(jìn)行自動(dòng)液位檢測(cè)、完成檢測(cè)后移動(dòng)游標(biāo)卡尺活動(dòng)端使液面到達(dá)預(yù)先設(shè) 置的目標(biāo)液位位置，則游標(biāo)卡尺讀數(shù)為實(shí)際檢測(cè)的液位與目標(biāo)液位之間的高度偏差。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別用雙光電傳感器、動(dòng)態(tài)閾值的方法和單光電傳感器、固定閾值的方法重復(fù)測(cè)試 10次待測(cè)液體液面有大量氣泡情況下實(shí)測(cè)液位與目標(biāo)的液位之間的偏差hl與h2 ,測(cè)試結(jié) 果見(jiàn)表1 O表1液位檢測(cè)的偏差數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算雙光電傳感、動(dòng)態(tài)閾值方法測(cè)試結(jié)果平均誤差為0 .22 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為mm ； 而普通的單傳感器、固定閾值方法的測(cè)試結(jié)果，平均誤差為3 .32 mm ,標(biāo)準(zhǔn)差為mm3 其他的一些透射式或者反射式光電液面檢測(cè)裝置由于

9、所用方法的局限性也無(wú)法在有氣泡 干擾的情況下保持良好的準(zhǔn)確性。由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，一般的方法在多氣泡干擾情況下結(jié) 果不穩(wěn)定，精度不高；而本文提出的液位檢測(cè)方法與裝置性能穩(wěn)定，檢測(cè)精度在多氣泡 干擾情況下仍可達(dá)0 .2 mm0三、結(jié)論本文的創(chuàng)新之處在于提出一種基于雙光電傳感器和動(dòng)態(tài)閾值的液位檢測(cè)方法與裝 置，可以很好地克服測(cè)量中氣泡引起的干擾。由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，本液位檢測(cè)裝置性能穩(wěn) 定，檢測(cè)精度在多氣泡干擾情況下仍可達(dá)mmo對(duì)于本設(shè)計(jì)尚可在做以下改進(jìn)：釆用規(guī) 格更小的傳感器提高系統(tǒng)的分辨率；提高裝置配套的器材的精度進(jìn)一步減少系統(tǒng)固有誤 差;優(yōu)化單片機(jī)程序等。四、參考文獻(xiàn)11王紅，光電式液面?zhèn)鞲衅髟O(shè)計(jì)的研究，儀表技術(shù)與傳感器，7-92 史建軍，光學(xué)液位傳感器(上)，傳感器世界，15 -203 王伊卿，光固化快速成型高分辨率激光液位檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1394-13974 謝忠志，光電傳感器的應(yīng)用，科技縱橫期刊