光電傳感器控制液面高度

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 成 績 評 定 表學(xué)生姓名華婷婷班級學(xué)號專 業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目光電檢測控制液面高度評語組長簽字：成績?nèi)掌?20 年 月 日課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué) 院理 學(xué) 院專 業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名華婷婷班級學(xué)號 課程名稱光 電 檢 測 原 理 與 技 術(shù) 課 程 設(shè) 計(jì)課 程 設(shè) 計(jì)（論文）題目光電傳感控制液面高度設(shè)計(jì)目的：了解光電檢測的基本原理與方法，掌握一種光電傳感控制液面高度的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)任務(wù)：利用光敏二極管，設(shè)計(jì)光電傳感裝置，如果液面高度超標(biāo)，則自動報(bào)警。設(shè)計(jì)要求（技術(shù)參數(shù)）：（1） 選擇恰當(dāng)?shù)墓怆姍z測方法； （2） 設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)原理圖、電路圖；（3

2、） 闡明工作原理，說明其優(yōu)、缺點(diǎn)；（4） 完成課程設(shè)計(jì)論文。計(jì)劃與進(jìn)度安排：時(shí)間：七八周，具體安排如下：（1） 理解題目要求，查閱資料，確定設(shè)計(jì)方案：3天；（2） 設(shè)計(jì)與繪制原理圖、電路圖：5天；（3） 調(diào)整方案：2天；（4） 撰寫說明書：4天；（5） 答辯：1天。成績：指導(dǎo)教師（簽字）：年 月 日 專業(yè)負(fù)責(zé)人（簽字）： 年 月 日 主管院長（簽字）：年 月 日 目錄 引言.2專心-專注-專業(yè)引言 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)和信息處理理論和技術(shù)的提高，光電信號變換與檢測技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，綜合性的自動化、智能化的光電系統(tǒng)得到進(jìn)一步發(fā)展，形成了包括光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的高度

3、知識集中的新科學(xué)一光學(xué)精密機(jī)械電子學(xué)?，F(xiàn)在，光電技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、文教、衛(wèi)生、國防、科研和家庭生活等各領(lǐng)域。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，幾乎都涉及到將光輻射信息轉(zhuǎn)化成電信息的問題，即光輻射檢測問題。因此，光電檢測技術(shù)是光電技術(shù)的核心和重要組成部分。光電檢測技術(shù)是一種非接觸測量的高新技術(shù)，它以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對載荷信息的光輻射進(jìn)行檢測，即通過光電檢測期間接受光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經(jīng)A/D變換接口輸入微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量等參數(shù)。因此，光電檢測技術(shù)是現(xiàn)代檢測技術(shù)最重要的手段和方法

4、之一，是計(jì)量檢測技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。 光電傳感控制液面高度采用光纖傳感與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，研究一種實(shí)時(shí)液位測量系統(tǒng)。測量原理為光源發(fā)出的光由發(fā)送光纖傳輸?shù)奖粶y液體的表面，反射回來的光由接收光纖接收，其光強(qiáng)量與光纖端面距液面高度有關(guān)，接收光纖傳輸?shù)墓庑盘栠M(jìn)入光纖放大器，實(shí)現(xiàn)對信號的放大，再由光電轉(zhuǎn)換器件將放大后的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺M(jìn)行信號采集和數(shù)據(jù)處理。采用光纖傳感測量液面高度變化同傳統(tǒng)液位測量相比，精度從幾毫米提高到了幾微米。關(guān)鍵詞：液面高度、實(shí)時(shí)測量、光纖傳感、光纖發(fā)達(dá)器測量原理工業(yè)中液位測量非常普遍，如化工、石油等企業(yè)總是有許多貯放液體的儲槽、容器需要測定液位。液位反映儲量，準(zhǔn)確的液

5、位測量是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與過程控制的重要參數(shù)。實(shí)時(shí)測量和記錄液位十分重要。液位測量的準(zhǔn)確性、便捷性反映了管理的水平。傳統(tǒng)的液位測量是靠人工操作，隨著一些行業(yè)對液位的測量提出準(zhǔn)確度更高的要求，大多數(shù)液位測量采用各種自動化測量儀表進(jìn)行，如壓力式、電容式、電導(dǎo)式、超聲波式、浮子式和雷達(dá)式等液位測量儀表，其測量水平已達(dá)到較高的自動化程度和測量精度，但安全性不高。近年來，隨著計(jì)算機(jī)、光纖、傳感器等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，有關(guān)光纖液位傳感系統(tǒng)應(yīng)用于液位測量的實(shí)例很多，光纖液位傳感器由于具有無電源、靈敏度高、抗腐蝕和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。鑒于某些液體的腐蝕性、揮發(fā)性以及對精度的要求，設(shè)計(jì)一個(gè)高效、精

6、確、非接觸式的液位測量系統(tǒng)很有必要，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測液面高度的變化。 根據(jù)被測液體的特殊性，采用表面反射式液位傳感器。利用非接觸的表面反射光束來測量液位。通過入射到液面上的一束光的反射光強(qiáng)，來檢測光束的入射位置。表面反射式液位傳感器結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)靈活，性能可靠，造價(jià)低廉，容易實(shí)現(xiàn)多種物理量的測量。然而也有其不足之處：對光源、光纖、反射表面反射率、光在光纖中的傳輸損耗等變化非常敏感，從而引起較大的測量誤差。因此，在測量精度和穩(wěn)定性要求較高的情況下，必須采用相應(yīng)的措施，以減小或消除以上因素帶來的誤差。 光源S發(fā)出的光經(jīng)過發(fā)送光纖照射到反射面，反射光再進(jìn)入接收光纖，最后輸出由光電探測器D接收。當(dāng)反射

7、面相對于光纖端面的距離d (液位)發(fā)生變化時(shí)，反射回接收光纖的光強(qiáng)也會發(fā)生變化，在其它參數(shù)固定不變的情況下， 探測器接收到的光功率P 大小取決于距離d (液位)。光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)M為接收光纖接收的光功率與發(fā)送光纖發(fā)送的光功率之比，光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)M 反映傳感器的特性。（如圖所示） 由Beckmann 散射理論可知，發(fā)送光纖出射的光在反射面上的光場由鏡反射和漫反射兩部分組成，其中反射項(xiàng)遵守幾何光學(xué)原理； 漫反射項(xiàng)較復(fù)雜，除與表面粗糙度有關(guān)外，還與加工方法(刀痕形狀)、材質(zhì)、表面曲率等許多因素有關(guān)。圖中的陰影部分I 代表漫反射損耗部分，此時(shí)的漫散射角大于接收光纖的接收角，這部分的散射光不能被接收光纖接收；

8、陰影部分II代表漫反射有效部分，此時(shí)的漫散射角小于接收角，這部分的散射光對接收光有貢獻(xiàn)。因此在位移的變化過程中，實(shí)際的輸出特性將從理想特性曲線A 變到實(shí)際曲線B。發(fā)送光纖和接收光纖都為階躍型折射率分布，之間的距離為a，數(shù)值孔徑為NA，纖芯半徑為r，d為光纖到液面的距離。d0為起始距離， d當(dāng)小于d0時(shí)， 由于接收光纖接收不到反射光，所以【0，d0】被稱為死區(qū)。其中 當(dāng)光強(qiáng)度I0與光纖到液面的距離d可以按照近似指數(shù)關(guān)系處理。其數(shù)學(xué)模型為光強(qiáng)度I0與距離d可以按照近似指數(shù)關(guān)系處理。其數(shù)學(xué)模型為 (1)其中A，B為常數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于光纖傳感器的液面高度測量系統(tǒng)由光源、光纖傳感頭、光電轉(zhuǎn)換器件等部分

9、組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。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。0光源發(fā)出的光通過耦合被光纖耦合器接收。通過FC 光纖連接頭和光纖相連，通過發(fā)送光纖投射到液面上，接收光纖接收液面反射回的光。在發(fā)送光纖和接收光纖傳感頭端面上做成半圓型自聚焦透鏡。自聚焦透鏡的作用是將發(fā)送光纖發(fā)出的光校準(zhǔn)，然后投射到液面。液面反射回的光被自聚焦透鏡收集進(jìn)入接收光纖。用光電轉(zhuǎn)換器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，在信號處理電路中通過反射光與參考光相除可以有效消除外界干擾和環(huán)境變化對測量距離

10、值的影響。除法器的輸出經(jīng)過自然對數(shù)和指數(shù)變換器從而獲得信號處理器的輸出與被測距離之間的線性關(guān)系。采用光電轉(zhuǎn)換器件光電二極管PD測光電流，當(dāng)PD工作在光電導(dǎo)模式下時(shí)，I/V變換器的輸出電壓V與光電流I0成線性關(guān)系，即滿足下面的關(guān)系式： (2)式中，V為光電變換系統(tǒng)I/V的輸出，I0 為I/ V變換系統(tǒng)的輸入光電流，R為光電變換系數(shù)。聯(lián)立方程(1)和(2)得 (3)對式（3）兩邊取對數(shù)線性化 （4）令,則(4)式變?yōu)?(5)其中，系數(shù),是常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并利用origin軟件擬合曲線可得。其中擬合直線如圖所示。 誤差分析光纖傳感頭采用單點(diǎn)測量，由于液面中溫度的不均勻性會引起一定的誤差。當(dāng)光纖傳感

11、頭處于高溫段，其發(fā)射率迅速減小，光強(qiáng)度I0與輸出光纖到液面的距離d不會按照近似指數(shù)關(guān)系亦會引起誤差。LED驅(qū)動光源的溫漂、時(shí)漂影響以及光電探測器特性變化等會造成光纖傳感器輸出特性的變化，使光電探測器產(chǎn)生的噪聲對測量系統(tǒng)產(chǎn)生影響。LED 驅(qū)動控制電路在環(huán)境中溫度不一定恒定，使LED沒有恒定的輸出光強(qiáng)。當(dāng)溫度和時(shí)間漂移及元件老化等因素引起LED輸出光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，也會引起一定的誤差。LED驅(qū)動光源采用半導(dǎo)體激光器LD，光源的穩(wěn)定是保證整個(gè)系統(tǒng)測量精度的主要條件。采用結(jié)構(gòu)緊湊的內(nèi)致冷方式，通過溫度自動控制電路以保持LD 的環(huán)境溫度相對恒定，使LD 有較恒定的輸出光強(qiáng)。當(dāng)溫度和時(shí)間漂移及元件老化等因素

12、引起LD 輸出光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，可采用光源反饋方法通過功率自動控制電路以穩(wěn)定其輸出。此外，光纖彎曲也會帶來輻射上的損耗。在應(yīng)用中要注意避免。結(jié)論為安全可靠地進(jìn)行液位的檢測提供了一條有效的途徑，具有較高的實(shí)用價(jià)值，提出了表面反射式液位傳感的測量方案，分析了光纖傳輸系統(tǒng)的特性，給出了測量的整體方案，論述了系統(tǒng)的可行性，實(shí)現(xiàn)了智能系統(tǒng)的測量范圍和精度要求。參考文獻(xiàn)1、光電檢測技術(shù)雷玉堂、王慶有、何加銘、張偉風(fēng)編著。2、張誠，王金海，陳才和.基于DSP的干涉型光纖傳感器檢測系統(tǒng)的研究。3、McCoy J N.Applications of Acoustic Liquid Level Measurements in Gas WellsJ.2006 SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in San Antonio，Texas，U S A.4、Ramon Casanella. Continuous liquid level measurement using a linear electrode arrayJ.M